나뭇잎 교과서

물·탄소·산소의 순환과 지구의 진화

지금 공기의 21 %를 차지하는 산소는 처음부터 있지 않았습니다. 수십억 년 전 바닷속 작은 남세균이 광합성을 시작하면서 바다와 대기가 바뀌었고, 바뀐 환경이 다시 생물의 진화를 이끌었습니다. 생명과 지구는 서로를 바꾸며 함께 진화해 왔습니다.

먼저 알면 좋은 것 광합성탄소의 순환지질 시대
본문

물·탄소·산소의 순환과 지구의 진화

본문

오늘날 공기의 21%는 산소이다. 그런데 갓 생긴 지구의 대기에는 산소가 거의 없었다. 광합성을 하는 남세균은 30억 년 전쯤 나타났는데, 대기의 산소는 그로부터 수억 년이 지나서야 늘기 시작했다. 남세균이 만든 산소는 그동안 어디로 갔을까? 그리고 물, 탄소, 산소는 지구의 여러 권역을 어떻게 돌며 지구 환경을 바꾸어 왔을까?

그림 1. 대기 산소 농도의 변화(대략값, 로그 눈금). 약 24억 년 전 대산화 사건으로 크게 늘고, 약 8억~4억 년 전 다시 늘어 현재 수준에 이르렀다.
먼저 알아야 할 것광합성(생명과학), 탄소의 순환(통합과학), 지질 시대, 지구 권역의 형성(지구시스템 권역의 형성).

1.2.1산소의 행방

남세균이 처음 광합성으로 내놓은 산소는 대기에 쌓이지 못했다. 당시 바다에는 화산과 해저 열수에서 나온 철 이온(Fe²⁺)이 많이 녹아 있었고, 산소는 이 철과 반응하여 산화철이 되어 바닥에 가라앉았다. 이 붉은 산화철 층과 규질 층이 번갈아 쌓인 것이 호상 철광층이며, 오늘날 사람이 쓰는 철광석의 대부분이다. 바다의 철이 대부분 소모되자 비로소 산소가 대기로 빠져나가 쌓이기 시작했다.

정리 1.2.1 대기 산소 증가와 지구의 변화

산소가 늘자 성층권에 오존층이 생겨 자외선을 막았고, 산소를 쓰는 세포 호흡이 가능해져 큰 다세포 생물이 나타났다. 생물은 다시 대기와 바다의 조성을 바꾸어, 지구 환경과 생명이 서로 영향을 주며 함께 변해 왔다.

그림 1에서 시각을 옮겨 보자. 27억 년 전에는 남세균이 있었지만 산소가 0.001% 아래였다. 24억 년 전 대산화 사건 뒤 1% 안팎이 되었고, 고생대 무렵 현재 수준에 가까워졌다. 그리고 오존층이 두꺼워진 뒤에야 생물이 육지로 올라올 수 있었다.1

1.2.2물과 탄소의 순환

물은 증발과 강수로 바다, 대기, 육지를 돌고, 탄소는 대기의 이산화 탄소, 생물, 바다, 석회암을 돈다. 이산화 탄소가 빗물에 녹아 암석을 풍화시키면 탄소가 바다로 가서 탄산염 암석이 되고, 판의 섭입과 화산 활동으로 다시 대기로 돌아온다. 이 느린 순환은 수백만 년에 걸쳐 대기의 이산화 탄소와 기온을 조절하는 온도 조절기 역할을 한다.

대기 CO₂ 풍화, 바다 석회암 퇴적 섭입, 화산
그림 2. 탄소는 풍화, 퇴적, 섭입, 화산 활동을 거쳐 수백만 년에 걸쳐 순환한다.

1.2.3예제 풀이

예제 1.2.2

호상 철광층에서 철 이온이 \(4\text{Fe}^{2+} + \text{O}_2 + 4\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{Fe}_2\text{O}_3 + 8\text{H}^+\)로 산화되었다. 산화철 Fe₂O₃ 160 g(1 mol)이 만들어지는 데 산소는 몇 mol, 몇 g 쓰였는가? 이 산소를 광합성으로 만들려면 포도당이 몇 g 만들어져야 하는가?

반응식에서 Fe₂O₃ 2 mol에 O₂ 1 mol이 쓰이므로, Fe₂O₃ 1 mol에는 O₂ 0.5 mol, 곧 16 g이 쓰였다.

광합성 \(6\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2\)에서 산소 6 mol마다 포도당 1 mol이 생기므로, 산소 0.5 mol에는 포도당 \(\dfrac{0.5}{6} \approx 0.083\) mol, 곧 약 15 g이 대응한다. 호상 철광층의 산화철은 지구 전체에서 수백조 t에 이른다. 즉 남세균은 수억 년 동안 엄청난 양의 산소를 만들었지만, 바다의 철이 그 산소를 붙잡아 두었다.

아래 탐구 카드에서 탄소가 생태계를 도는 길, 공기 중 산소가 늘어난 과정, 바다가 넘치지도 마르지도 않는 까닭을 살펴보자.

  1. 산소가 늘자 산소를 견디지 못하는 많은 미생물이 사라졌다. 그래서 대산화 사건을 지구 최초의 대멸종으로 보기도 한다. 그들의 후손은 지금도 산소가 없는 늪 바닥이나 동물의 장 속에 산다.
마무리

남세균이 만든 산소는 처음에는 바다의 철을 산화시켜 호상 철광층으로 쌓였고, 철이 바닥난 뒤 약 24억 년 전부터 대기에 쌓였다. 산소는 오존층과 세포 호흡을 가능하게 해 생물의 진화를 이끌었고, 물과 탄소의 순환은 지구 환경을 조절했다. 그래서 처음 질문의 산소는 대산화 사건과 그 뒤의 두 번째 증가로 늘어났으며, 그전까지는 바다의 철이 붙잡고 있었다.

탐구 1

탄소는 생태계를 어떻게 돌까?

탄소 순환 · 상자 모형 · 모식
대기 CO₂ (ppm)
—
육지 순흡수
—
바다 흡수
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배출 중 대기에 남은 몫
—

모식 모형이다. 저장량과 흐름(GtC, 10억 톤 탄소)은 산업화 이전 지구 전체의 어림값에 맞추었고, 바다는 흡수량만 단순하게 넣었다. 흐름 단위는 GtC/년이다.

  1. 질문우리 몸의 탄소는 어디서 왔고, 우리가 죽은 뒤에는 어디로 갈까?
  2. 복원생산자는 광합성으로 대기의 CO₂를 유기물로 바꾼다. 이 유기물은 먹이 사슬을 따라 소비자로 옮겨 가고, 생물의 호흡으로 다시 CO₂가 되어 대기로 돌아간다.
  3. 설명또 죽은 생물과 배설물 속 탄소는 분해자(세균, 곰팡이)가 분해해 CO₂로 되돌린다. 그래서 광합성으로 들어오는 양과 호흡, 분해로 나가는 양이 같으면 대기 CO₂는 일정하게 유지된다.
  4. 연결그런데 땅속에 오래 묻혀 순환에서 빠져 있던 탄소가 화석 연료이고, 이것을 태우면 순환에 없던 탄소가 대기에 더해진다. 일부는 육지 생물과 바다가 흡수하지만 나머지는 대기에 쌓인다.
  5. 적용‘계절 변화’를 눌러 그래프가 해마다 오르내리는 까닭을 생각해 보자. ‘화석 연료 연소’에서 배출된 탄소 가운데 대기에 남는 몫이 얼마인지 보고, 분해자 활동을 0%로 내리면 탄소가 어디에 쌓이는지도 확인해 보자.
  6. 판단화살표 굵기를 보면 광합성과 호흡에 비해 화석 연료 연소는 작은 흐름이다. 그런데도 CO₂가 늘어나는 까닭은 크기가 아니라 균형 때문이다. 큰 흐름끼리는 서로 상쇄되지만, 한쪽으로만 더해지는 흐름은 작아도 계속 쌓인다. 실제 하와이 마우나로아의 관측 곡선도 계절에 따라 해마다 몇 ppm씩 오르내리며 올라간다.

확인조건이 달라지면

토양이 늘 차갑고 물에 잠겨 있는 이탄 습지에서는 죽은 식물이 수천 년 동안 쌓인다. 그 까닭으로 알맞은 것은?

탐구 2

공기 중의 산소는 언제, 어떻게 늘어났을까?

생명과 지구의 공진화 · 산소와 탄소의 순환
대기 산소(현재 대비, 대략)
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이 무렵의 사건
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산소 농도는 지질 기록으로 추정한 대략의 범위이며, 특히 초기의 값은 불확실성이 크다(세로축은 로그 눈금). 사건의 연대도 대략값이다.

  1. 질문지구 대기의 산소는 대부분 생물이 만든 것이다. 그런데 광합성하는 생물이 나타난 뒤에도 산소가 대기에 쌓이기까지 수억 년이 걸렸다고 한다. 그동안 산소는 어디로 갔을까?
  2. 복원광합성은 이산화 탄소와 물로 유기물을 만들며 산소를 내놓는다. 그리고 철 이온(Fe²⁺)은 산소를 만나면 산화되어 물에 녹지 않는 산화 철이 된다.
  3. 설명약 30억 년 전 무렵 바다에서 남세균이 산소를 내놓는 광합성을 시작했다. 처음에 산소는 바닷물에 녹아 있던 철과 반응해 산화 철로 가라앉았는데, 이것이 붉은 띠와 회색 띠가 번갈아 쌓인 호상철광층이다. 그리고 바다의 철이 거의 다 산화된 뒤인 약 24억~21억 년 전, 산소가 대기에 쌓이기 시작했다(대산화 사건).
  4. 연결탄소의 순환도 기후를 바꿨다. 약 7억 년 전 무렵에는 지구 전체가 얼음에 덮인 눈덩이 지구 시기가 있었고, 화산이 내뿜은 CO₂가 쌓여 온실 효과로 녹은 뒤 두꺼운 석회암(탄산염)이 퇴적되었다. 이후 산소가 다시 크게 늘어 오존층이 두꺼워지고 복잡한 다세포 생물이 나타났는데, 이렇게 환경이 생물을 바꾸고 생물이 다시 환경을 바꾸는 관계를 공진화라고 한다.
  5. 적용시기 막대를 40억 년 전에서 현재까지 옮기며 산소가 급하게 늘어난 때를 찾고, 호상철광층이 가장 많이 쌓인 때와 대기 산소가 늘기 시작한 때가 어떤 관계인지 보자. 그리고 물의 순환(풍화, 침식, 퇴적)이 이 이야기의 어디에 끼어드는지 생각해 보자.
  6. 판단산소가 처음부터 공기에 있었다거나 식물이 육지에 올라오면서 생겼다는 생각은 오해이다. 산소를 처음 만든 것은 바다의 미생물이고, 육상 식물은 그보다 20억 년 가까이 뒤에 나타났기 때문이다. 또 이 그래프의 초기 값들은 간접 증거로 추정한 것이라 연구마다 차이가 크다.

확인조건이 달라지면

호상철광층이 대산화 사건 이후 약 18억 년 전 무렵부터 거의 쌓이지 않게 된 까닭으로 가장 알맞은 것은?

탐구 3

바다는 왜 넘치지도, 마르지도 않을까?

물 순환 · 수지 균형 · 실제 자료
해양 수지 (천 km³/년)
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육지 수지 (천 km³/년)
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해수면 변화 (1년)
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증발, 강수, 증발산 값은 전 지구 연평균(Trenberth 외, 2007)이고, 유출만 직접 정하게 두었다. 해수면 변화는 수지를 바다 넓이(3억 6100만 km²)로 나눈 값이다.

  1. 질문강은 날마다 엄청난 양의 물을 바다로 쏟아 넣는다. 그런데 바다는 왜 넘치지 않을까? 반대로 바다에서는 날마다 물이 증발하는데 왜 마르지 않을까?
  2. 복원물은 증발해 대기로 가고, 응결해 비나 눈으로 내려와 바다나 육지로 돌아간다. 이 순환을 돌리는 에너지는 태양에서 온다.
  3. 설명해마다 바다에서는 약 41만 3천 km³가 증발하지만, 바다에 도로 내리는 비는 약 37만 3천 km³이다. 남는 4만 km³는 수증기 상태로 육지 위로 옮겨 가 비가 되고, 그 물이 강을 따라 다시 바다로 돌아온다.
  4. 연결어떤 저장고든 들어오는 양과 나가는 양이 같으면 저장량은 변하지 않는다. 이것이 수지 균형이다. 또 저장량을 드나드는 양으로 나누면 물이 그곳에 평균 얼마나 머무는지도 나온다. 대기 속 물은 약 9.5일, 바닷물은 약 3,200년이다.
  5. 적용유출량을 움직여 해양과 육지가 함께 균형을 이루는 값을 찾아보자. 그 값이 4만 km³로, 대기가 바다 위에서 육지 위로 옮긴 수증기의 양과 같다는 것을 확인할 수 있다.
  6. 판단평균 체류 시간은 말 그대로 평균이다. 육지의 물은 대부분 빙하와 지하수에 있어 오래 머물지만, 흙에 스민 빗물은 며칠 만에 다시 증발하기도 한다. 또 실제 지구는 정확한 균형 상태가 아니다. 빙하가 녹고 바닷물이 데워져 부피가 커지면서, 해수면은 2006~2018년에 해마다 평균 약 3.7 mm 올랐다(IPCC 제6차 보고서). 그림 속 연평균 값에서는 이 작은 차이가 반올림으로 드러나지 않는다.

확인조건이 달라지면

몇 해 동안 육지에 내리는 비가 늘었는데 증발산은 그대로였다. 육지의 물이 끝없이 늘지 않으려면 무엇이 늘어나야 할까?

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