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자연 : 대기중 산소농도의 변화

- 공기 순환
- 기체 : 이산화탄소, 산소, 질소
- 온난화의 주범은 누구인가
- 산소 농도의 변화

 



 


진화의 키, 산소 농도: 공룡, 새, 그리고 지구의 고대 대기양장
피터 워드 저/김미선 역 | 뿌리와이파리

제1장 호흡과 동물의 몸 설계
제2장 시간대별 산소 변화
제3장 진화하던 호흡계가 캄브리아기 폭발의 원인?
제4장 오르도비스기: 캄브리아기 폭발 제II부
제5장 실루리아기-데본기: 산소 급등이 최초의 육지정복을 허락하기까지
제6장 석탄기-페름기 초: 저산소, 불, 거구들
제7장 페름기 멸종과 내온성의 진화
제8장 트라이아스기
제9장 쥐라기: 저산소 세계를 제패한 공룡
제10장 백악기 멸종과 대형 포유류의 부상
제11장 우리가 산소의 미래를 두려워해야 할까?

송금한 동아일보 기자 email@donga.com

에베레스트의 정상은 희박한 공기를 뚫고 나간다. 그 위로 발을 들이는 등반가들에게 부족한 산소와 낮은 기압은 치명적이다. 창백해진 등반가들의 마지막 눈엔 그 위 수백 미터 상공을 유유히 날아가는 새들이 보인다. 새는 포유류보다 산소를 훨씬 덜 필요로 한다. 아득한 과거에 뿌리를 둔 다른 동물들은 진화 당시의 환경에 적응하며 발달했다.
새의 조상인 공룡이 오랜 기간 지구를 지배할 수 있었던 비결은, 동물들이 바다에서 육지로 올라오고 그 중 일부는 다시 바다로 돌아간 이유는 무엇일까. 실마리는 ‘산소 농도’의 역사에 있다.
저자는 지구상의 대멸종을 연구하는 고생물학자이자 지구과학자. 그는 지난 6억 년에 걸쳐 대기 중 산소의 농도가 동물에게 중요한 진화적 변화를 일으켰다고 설명한다. 그리고 동물의 진화라는 대항해를 ‘산소 농도’가 어떻게 조종해왔는지를 연대기에 따라 보여준다.
지구는 다섯 차례의 대멸종을 겪었다. 이 가운데 네 차례 멸종을 관통하는 요인이 산소 농도의 하락이다. 오늘날 대기 중 평균 산소 농도는 약 21%. 오르도비스기, 데본기, 트라이아스기에는 이 수치가 15%에도 못 미쳤다. 페름기에는 10% 수준으로 떨어졌다. 최초의 생명체가 지구에 등장한 5억4000만 년 전 이래, 산소 농도는 12∼35%를 주기적으로 오르내렸다.
대멸종으로 텅 빈 세계는 빠르게 다른 생물로 채워졌다. 저산소 시기에 등장한 종은 고산소에서도 생존하며 어떤 경우는 번성하기까지 한다. 로버트 두들리 애리조나 주립대 교수는 산소 농도를 23% 수준으로 높여 초파리를 기른 결과 세대를 거듭할수록 크기가 커진다는 사실을 발견했다. 반대로 고산소 조건에서는 불필요해진 저산소 폐 체계가 사라지기도 한다.
낮은 산소 농도에 적응한 사례 중 하나가 삼엽충이다. 캄브리아기 초기 삼엽충은 산소를 얻기 위해 분절된 몸 마디마디에 한 쌍의 아가미를 반복해서 배치하는 식으로 진화했다. 이후 산소 농도가 올라가면서 엄청나게 번성해 캄브리아기 지층 구간의 절반 이상을 차지했다.
공룡은 1억5000만 년 동안 지구를 지배했다. 이는 지구 역사상 산소 농도가 가장 낮았던 시기인 트라이아스기나 그 직전에 진화했기에 가능했다. 공기가 희박해진 트라이아스기 말에 조룡이나 포유류는 저산소 재난을 겪었다. 해수면 높이에서조차 고산병으로 죽어갔다. 고도 압박으로 거주지를 잃은 종들은 해수면을 향해 이주했다.
효율적으로 산소를 추출하는 폐를 갖고 있던 공룡은 발이 네 개여서 호흡이 어려웠던 다른 파충류를 따돌리고 살아남았다. 쥐라기와 백악기에 산소 농도가 올라가면서 공룡은 최대로 몸집을 키웠다. 오늘날 새들이 산소가 거의 없는 수천 미터 상공에서 자유롭게 날아다닐 수 있는 비결은 이 공룡의 폐를 물려받았기 때문으로 분석된다.



아마존 숲은 지구 허파가 아니다
등록 :2019-09-05 08:14수정 :2019-09-05 08:52
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[조천호의 파란하늘]

아마존에서 큰 산불이 한 달이 넘게 이어지고 있다. 아마존 숲이 산소를 만드는 지구 허파인데 산불 때문에 위기라고 한다. 나무는 이산화탄소를 흡수해 산소를 배출하지만, 허파는 산소를 흡수해 이산화탄소를 배출한다. 비유만 다른 게 아니라 과학적 사실도 알려진 것과는 다르다.
열대 우림에서 육상 광합성의 약 3분의 1이 일어나며, 그 중 가장 큰 곳이 아마존이다. 최근 아마존 산불을 다룬 내셔널 지오그래피 기사에서 나무가 광합성으로 생산하는 산소의 절반 이상을 호흡 과정에서 다시 흡수하여 소비한다고 한다. 나머지 산소는 토양에 사는 무수한 미생물이 산소를 흡입하여 죽은 유기물을 분해하는 데 사용된다. 그러므로 현재 아마존 숲은 산소 생산과 소비 사이에 균형을 이루어 산소 공급원이 될 수 없다고 한다.
식물이 광합성 과정에서 이산화탄소를 흡수해 이산화탄소 안에 포함된 산소가 대기로 배출된다. 이산화탄소는 공기 중에 약 0.04%만을 차지하므로 광합성으로 지구 공기의 21%를 차지하는 산소를 만들 수 없다. 설사 지구 모든 숲이 단 한 번에 태워지더라도 전 세계 산소의 1% 미만을 소비한다. 이미 대기 안에는 산소가 수백만 년 동안 지속할 수 있을 만큼 충분하다. 그러므로 아마존 산불이 크게 발생하더라도 지구 산소를 위협하지는 못한다.
아마존 열대 우림에서는 광합성으로 이산화탄소를 많이 흡수하기는 하지만, 식물 호흡과 축축한 토양에서 미생물이 낙엽 등을 썩히는 과정에서 이산화탄소를 많이 배출한다. 그래서 아마존은 이산화탄소의 흡수량과 배출량이 거의 같아 이산화탄소 흡수원이 되지 못한다. 식생에 의한 이산화탄소 흡수는 토양 미생물 호흡이 매우 적은 아한대 숲에서 주로 이루어진다. 그 결과 여름철에 북반구 고위도 아한대 숲 지역이 아마존보다 이산화탄소 농도가 낮다.
산불로 배출되는 이산화탄소는 인류가 배출하는 양 중 약 12%를 차지한다. 아마존 열대 우림이 파괴되면 나무가 이산화탄소를 흡수할 수 없을 뿐만 아니라 썩을 때 혹은 산불로 탈 때 나무가 저장했던 이산화탄소를 다시 배출한다. 그리고 토양에 풍부하게 저장되어 있던 탄소가 미생물에 의해 분해되어 이산화탄소로 대기 중에 배출된다.
아마존 토양에는 이산화탄소로 환산해 약 3700억톤의 탄소를 저장하고 있다. 앞으로 이산화탄소를 4200억~5800억톤 이내로 배출해야 지구 평균 기온 상승을 1.5도 이내로 막을 수 있다. 1.5도 이상 상승하면 전 세계적으로 심각한 기후 위험이 발생한다. 인간이 아마존을 파괴하면 아마존은 인간에게 큰 위협이 될 정도로 많은 이산화탄소를 스스로 배출할 수 있는 것이다. 그리고 식물의 호흡이 광합성보다 지구 온난화에 더 크게 반응하기 때문에, 기온이 상승하면 식물의 이산화탄소 배출량이 더 많아져 현재 균형을 깨뜨린다. 지구 온난화의 결과로 온난화가 더 빨라지는 것이다.
건강한 열대 우림에서 식물은 토양에서 물을 흡수한 다음 수증기로 대기 중에 배출해 비를 내리게 한다. 열대 우림이 파괴되면 수증기 배출이 줄어들고 이어 비가 줄어들어 땅이 더 건조해진다. 기후변화와 산불로 아마존이 티핑 포인트(작은 변화들이 쌓여 작은 변화가 하나만 더 일어나도 갑자기 큰 영향을 초래할 수 있는 상태)에 접근하고 있으며, 이를 넘으면 열대 우림이 건조한 사바나 지역으로 바뀌게 된다. 아마존 숲에 내리는 비는 바다에서 이동되어 오는 것보다 열대 우림의 촉촉한 토양의 물에서 더 많이 공급된다. 그러므로 아마존 열대우림이 사바나 지역으로 변하면 다시는 열대 우림으로 되돌아갈 수 없다.
아마존은 기후와 토양 수분을 안정시키며 생물 다양성을 유지하는 데 큰 역할을 한다. 그리고 이에 의존해 살아가는 원주민에게 중요한 삶의 터전이다. 아마존 숲이 산소 공급원도 이산화탄소 흡수원도 아니라 해도 인류 생존에 중요한 역할을 하는 위치는 변하지 않는다. 그러므로 아마존을 지켜내야 한다.
경희사이버대학 기후변화 특임교수 cch0704@gmail.com