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황산을 먹고 산 박테리아 화석발견
작성자 : 우정희 ㅣ 조회수 : 1,706

브라질에서 발견된 25억년 된 탄화된 암석의 생지질화학적 신호를 연구한 결과에서 유황을 소비하는 박테리아가 해양의 유황의 수준이 낮았던 시기에 활성화되었다는 사실을 발견했다. 지질학작들은 고대 탄화된 암석에서 유황 동위원소에 집중해왔다. 이번 연구는 지구의 초기 대기화학적 구성을 알아내는데 도움을 줄 수 있다. 습지의 더러운 바닥층에서 발가락을 꼼지락거리면 아마도 썩은 달걀냄새를 맡을 것이다. 이 냄세는 황산수소염의 냄새이다. 이것이 바로 황산을 사용하는 박테리아의 생화학적 자취이다. 이 박테리아는 지구에서 가장 오래되고 확산된 생물체였다.

45억년의 역사를 가진 지구의 초기 역사를 연구하는 과학자들 사이에서 황산에 의존하는 박테리아의 진화에 대한 엄청난 논쟁이 있었다. 이 단순한 생물체는 대기의 산소의 수준이 지금보다 1/1000 정도인 상황에서 일어났다. 해양에서 서식했던 이 박테리아는 유리산소입자대신에 유황과 황산 및 산소입자를 흡입했다. 하지만 어떻게 황산염이 해양에 도달하게 되었을까 그리고 언제 생물체가 사용할 수 있을 정도로 황산염이 풍부하게 되었을까?

매릴랜드 대학 (University of Maryland)의 지질학과 박사과정 연구원인 이아비가 젤레진스카이아 (Iadviga Zhelezinskaia)에 의해서 수행된 새로운 연구는 놀라운 결과를 가져왔다. 젤레진스카야는 브라질에서 발견된 25억년 된 탄화암석에서 발견된 황산염 입자의 생화학적 신호를 처음으로 분석했다. 이 암석은 신시생대 (Neoarchaean Eon)라고 알려진 지질학적 시간에 해저에서 형성되었다. 이 암석은 시굴자들이 브라질에서 금광을 개발하면서 기반암에 구멍을 뚫어서 고대 암석의 590피트 길이의 암석핵을 추출할 수 있었다.

학술지 <사이언스>지에 발표된 논문에서 젤레진스카야와 웨스턴 오스트레일리아 대학 (University of Western Australia)의 물리학자인 존 클리프 (John Cliff)와 UMD의 지질학자인 알랜 카우프맨 (Alan Kaufman)과 제임스 파쿠아 (James Farquhar)는 해양이 현재보다 1000배 정도 적은 황산염이 존재했음에도 불구하고 이 황산염에 의존하는 박테리아는 신시생대의 일부 지역에서는 풍부했다는 점을 보여주고 있다. 파쿠아는 “이아비가가 측정했던 샘플은 황산염 입자를 사용했다는 강한 신호를 보여주고 있으며 살아있는 생물체에 의해서 변화했다는 것을 보여주고 있다. 이것은 놀라운 일이다. 그녀는 또한 기초적인 지질화학적 모델을 사용하여 얼마나 많은 화산염이 해양에 존재했는가에 대한 아이디어를 얻을 수 있으며 황산염의 농도가 상당히 낮았다는 것을 보여준다”고 말했다.

지질학자들은 황산염이 풍부했으며 다른 요소들과 결합하여 지질학적 기록을 보존할 수 있을 만큼 안정되고 풍부한 화학물을 형성하기 때문에 황산염에 대한 연구를 수행했다. 황산은 자연적으로 발생하는 안정적인 네 가지 동위원소를 가진다 – 암석에 기록된 원자의 신호를 통해서 과학자들은 이 요소들의 각기 다른 형태로 찾을 수 있다. 암석샘플에서 황산 동위원소의 비율을 측정하는 과학자들은 대기와 풍화를 거친 암석이나 생물학적 과정에서 화산이 온 것인지 여부를 조사할 수 있다. 황산염의 근원에 대한 정보로부터 연구자들은 이 암석이 형성될 당시의 대기와 해양, 대륙 및 생태계의 상태에 대한 중요한 정보를 추론할 수 있다.

파쿠아와 다른 연구자들은 신시생대의 암석에 존재하는 황산염 동위원소를 이용해서 이 시기가 끝난 직후에지구 대기의 변화를 보여주고 있다. 신시생대가 끝난 직후에 산소의 수준은 현재 수준, 즉 현재 대기의 모든 구성물질 중에서 21%정도에 몇 ppm정도 밖에 차이가 나지 않을 정도로 급증하게 된다. 젤레진스카야가 수집한 브라질의 암석은 대기의 변화 직전에 형성된 산소의 양을 추적하게 된다. 매우 적은 산소가 존재했던 신시생대 지구는 대부분 현생 생물은 살 수 없었다. 이 대륙은 아마도 훨씬 건조했을 것이며 이황산가스와 이산화탄소, 메탄과 다른 온실가스를 배출하는 화산이 지배했던 시기였다. 온도는 아마도 0도에서 100도 사이였으며 액체해양을 형성하기에 충분히 더웠으며 미생물이 성장할 수 있었다.

25억년 이상된 암석은 극히 희귀하며 그래서 지질학자들의 신시생대에 대한 이해는 서부 호주지역이나 남아프리카 그리고 브라질과 같이 소규모 지역의 소량의 샘플에 의존하고 있다. 지질학자들은 서호주와 남아프리카는 한 때 고대 수퍼대륙인 발바라 (Vaalbara)의 일부였을 것으로 생각하고 있다. 이 브라질의 암석 샘플은 연대를 가지고 비교할 수 있지만 동일한 수퍼대륙에서 온 것이 아닐 수도 있다고 젤레진스카야는 말했다. 신시생대의 암석 대부분은 서호주와 남아프리카에서 온 것을 연구하고 있으며 이 해저에 퇴적된 미세한 먼지로부터 형성된 흑색셰일 (black shale)을 연구했다. 브라질의 시추자들이 얻었던 암석심은 많은 양의 흑색셰일을 담고 있으며 탄화된 암석 띠를 형성하고 있다. 이것은 얕은 해양의 표면에서 형성되었으며 아마도 현재 바하마 군도와 유사하다. 흑색 셰일은 보통 황산염을 담고 있는 황철광이지만 탄화된 암석은 전형적으로 그렇지 않다. 그래서 지질학자들은 지금까지 신시생대 탄화암석에서 황산 신호에 집중하지 않았다.

카우프맨은 “젤레진스카야는 다른 사람들이 피하는 형태의 암석을 선택했으며 그녀가 본 것은 놀랍게 다르다. 이번 연구의 함의에 대해서 우리는 열린 눈으로 보아야 한다”고 말했다. 이 브라질의 탄화암석의 동위원소 비율은 대륙의 암석이 아니라 대기에서 만들어진 황산염을 담고 있는 고대 해저에서 형성되었다는 것을 보여주고 있다. 그리고 동위원소의 비율은 또한 신시생대 박테리아는 이 퇴적층에 풍부했으며 황산염을 흡입하고 황화수소를 배출한다. 이것은 오늘날 박테리아가 유기물질이 부패하여 광물이나 가스로 전환되는 과정과 동일하다.

어떻게 황산염 의존 박테리아가 황산의 수준이 매우 낮은 지질학적 시기에 풍부할 수 있었을까? 젤레진스카야는 “이 박테리아는 얕은 바다에 있었을 것이며 이곳에서 증발현상을 통해서 황산염 농도가 높게 나타났으며 박테리아를 지지할 수 있을 만큼 풍부했다”고 말했다. 젤레진스카야는 현재 동일한 시기에 서호주와 남아프리카에서 형성된 탄화암석을 분석했으며 이를 통해서 이 패턴이 다른 얕은 수면환경에서 형성되었는지 여부를 조사하고 있다. 만일 그렇다면 그 결과는 지구의 가장 초기 생물학적 과정에 대한 이해를 변화시킬 수 있다. 파쿠아는 “황산-감소 박테리아가 증가하는 시기와 어떻게 지구의 생명체 진화와 알맞은가에 대한 논쟁이 계속되고 있다. 이러한 암석은 박테리아가 25억년 전에 존재했으며 매우 중요하다는 점을 보여주고 있다”고 말했다.

출처: 2014년 11월 9일
원문참조:
I. Zhelezinskaia, A. J. Kaufman, J. Farquhar, J. Cliff. Large sulfur isotope fractionations associated with Neoarchean microbial sulfate reduction. Science, 2014; 346 (6210): 742 DOI: 10.1126/science.1256211


출처 KISTI 미리안 글로벌동향브리핑


담당자 : 시험연구팀 우정희 선임연구원
TEL : 054-780-3454 E-mail : jhwoo@gimb.or.kr


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