지구에 생명체는 얼마나 오랫동안 살아 남을 수 있을까요? 영국 세인트앤드루스대학교(University of St Andrews) 지구환경과학과 연구원인 매튜 와케(Matthew Warke)가 ‘The Conversaion’에 게재한 글에 따르면 생명체에 꼭 필요한 산소가 풍부한 대기는 앞으로 10억 년 밖에 지속되지 않을 것이라고 하는데요. 이와 관련한 새로운 연구가 ‘‘Nature Geoscience’에 게재됐다고 합니다.
10억 년 후 지구는?!
태양은 점차 나이가 들게 되면서 빛이 더 밝아지고 있으며 이는 향후 지구가 더 많은 태양 에너지를 받을 것을 의미합니다. 이렇게 늘어난 에너지는 지구 표면에 영향을 미칠 것으로 예상되는데요. 화강암이나 현무암 같은 규산염 암석의 풍화를 가속화 시킬 수 있다고 합니다. 이 암석들은 풍화되면서 온실가스인 이산화탄소를 대기 중에서 제거하게 되는데요. 화학적 작용을 통해 탄산염 광물에 이산화탄소를 가두게 됩니다. 따라서 이론적으론 지구의 이산화탄소 수치는 점차 떨어지면서 지구가 시원해지기 시작해야 할텐데요. 하지만 이러한 효과는 계속해서 점점 더 강한 빛을 내게 될 태양에 의해 효과를 발휘할 수 없을 것이라고 합니다.
이산화탄소는 물과 함께 식물이 광합성 하는데 필요한 주요 성분 중 하나인데요. 이산화탄소 수치가 떨어지면 광합성 현상은 덜 발생하게 될 것이며 어떤 종류의 식물은 완전히 멸종할 수도 있습니다. 광합성이 적다는 것은 산소 생산량이 줄어든다는 걸 의미하기 때문에 지구 대기에서 산소 농도는 점차 떨어지게 될 것 입니다. 그러면 식물 외에 다른 생명체들도 생존에 큰 위협을 당하게 될 겁니다.
이러한 재앙이 언제 발생할 지 밝혀내기 위해 일본과 미국의 공동 연구진은 지구 표면의 탄소, 산소, 인, 황의 향후 어떻게 전개될 지 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 모델링을 진행했는데요. 이때 기후 발달과 지구 표면(지각, 해양, 대기)가 내부(맨틀)와 어떻게 상호작용 할지 함께 고려했는데요.
연구진은 이론상 가능한 두 개의 시나리오를 모델링 했습니다. 활동적인 생물권을 가진 지구와 비슷한 행성과 그렇지 않은 행성을 나눠서 진행했습니다. 흥미롭게도 두 시나리오는 대체적으로 유사한 결과를 낳았는데요. 산소 수치가 향후 약 10억년 동안 급격히 떨어지기 시작했습니다. 이 발견은 이산화탄소와 식물의 광합성이 산소 농도에 영향을 미치지만, 맨틀과 지표 환경 사이의 장기적인 상호작용도 영향을 미치는 부차적 요소라는 점을 시사합니다. 요컨대 지구 대기가 얼마나 오랫동안 산소가 풍부하게 유지되느냐에 영향을 미치는 것은 맨틀로 들어가는 지구화학적 성질과 화산을 통해 맨틀로부터 배출되는 가스 사이의 균형입니다.
연구진들은 대기 중 풍부한 산소는 앞으로 10억 8천 만년 밖에 더 지속될 수 없을 것이라고 결론지었습니다. 이러한 맥락에서 보자면 산소는 약 25억년 전 산소혁명사건(Great Oxidation Event)이라 불리는 시기에 대기에 축적되기 시작했습니다. 지구 역사 대부분 동안에 산소 농도는 상당히 낮았고, 약 4억년 전 육지 식물이 진화함에 따라 오늘날 대기 중 산소 수준까지 증가했을 가능성이 높습니다.
산소의 고갈은 산소를 이용해 호흡하는 지구상의 생명체의 종말을 보여줍니다. 세부적인 요소들은 여전히 논의되고 있고 다른 환경적 요인들도 작용하고 있지만, 과학자들은 복잡한 생명체의 진화와 방사선이 산소가 상대적으로 풍부한 시기와 관련 있다고 오랫동안 생각해왔습니다. 연구진은 지구에서 생명체가 거주가능한 총 수명은 지구가 지표수가 잃기 전까지인 약 72억년 정도로 추정하지만, 대기 중 풍부한 산소가 존재할 수 있는 기간은 72억년의 약 20~30% 수준에 머물 것이라고 계산합니다.
외계생명체 찾을 때 우리가 생각해야 할 점
그렇다면 이러한 사실은 왜 중요한 걸까요?
우리는 지금 외계행성의 대기에서 산소와 오존을 찾아 생명체의 흔적을 찾고 있습니다. 그런데 만약 외계행성 대기를 관측하는 기기가 지금으로부터 20억년 후 혹은 20억년 전 지구를 지난다고 가정해봅시다. 그러면 우리는 이 곳에 믿을만한 생명지표가 없다고 생각하며 생명체의 흔적은 발견되지 않았다고 해석할 겁니다. 그러곤 다른 행성을 조사하러 이동하겠죠.
오늘날 천문학자들과 행성 과학자들이 직면하고 있는 동일한 문제는 우리가 어떤 종류의 외계행성을 타깃으로 삼아야 하는지, 그리고 외계생명체의 신뢰할만한 생명 지표는 무엇인가 하는 겁니다. 거주가능성은 단지 별 주변의 장소가 아니라 행성의 진화에 있어서의 시기이며 우리가 지금 볼 수 있는 것은 매우 제한적이란 것을 자각하고 있어야 합니다.
우리 대기의 미래는 지구의 먼 옛날과 매우 흡사할 겁니다. 산소는 부족할 것이고 이산화탄소는 아닐지라도 유기체를 만들 가능성이 있는 메탄은 풍부할 겁니다. 이번 연구 저자들이 제안하듯, 지구와 유사성을 활용해 외계 행성 대기에서 어떤 기체를 찾아야 하는지, 그리고 그 기체가 무엇을 나타내는지에 대한 우리의 해석을 다시 한번 생각해 볼 필요가 있을 겁니다.
우리는 시간이 지남에 따라 지구 대기가 진화하는 역사와 어떻게 지구 표면과 내부가 함께 진화했는지 더 잘 이해할 필요가 있습니다. 그래야 우리가 다른 태양계의 눈부신 빛 속에서 생명체가 살고 있는지 여부를 판단하기에 더 유리한 위치에 설 수 있을 겁니다.
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