기획·칼럼

산소 생성의 비밀이 밝혀지다

[일러스트가 있는 과학에세이] 일러스트가 있는 과학에세이 96

선형분자인 이산화탄소(왼쪽)에 자외선 레이저를 쪼여주면 구조가 불안정해지면서 양끝의 산소원자가 가까워지다(가운데) 어느 순간 탄소원자와 산소원자의 결합이 끊어지고 산소원자 사이에 이중결합이 형성되면서 산소분자가 만들어진다. 지난 2000년 이론으로 예측된 이 과정을 최근 실험으로 관찰하는데 성공했다.  ⓒ UC Davis

선형분자인 이산화탄소(왼쪽)에 자외선 레이저를 쪼여주면 구조가 불안정해지면서 양끝의 산소원자가 가까워지다(가운데) 어느 순간 탄소원자와 산소원자의 결합이 끊어지고 산소원자 사이에 이중결합이 형성되면서 산소분자가 만들어진다. 지난 2000년 이론으로 예측된 이 과정을 최근 실험으로 관찰하는데 성공했다. ⓒ UC Davis

오늘날 지구가 사람 같은 생물체가 존재하는 예외적인 행성이 된 건 별(태양)과의 적당한 거리 등 많은 물리적 요인과 함께 대기에 산소가 풍부하다는 사실이 결정적인 조건일 것이다. 대기를 이루는 기체의 무려 21%가 산소분자(O2)로, 78%인 질소분자(N2)와 함께 대부분을 차지하고 있다.

물론 지구대기에 처음부터 산소가 이처럼 많았던 건 아니다. 오히려 오늘날 금성이나 화성처럼 이산화탄소(CO2)가 많았고 산소는 거의 없었을 것이다. 이런 극적인 변화를 가져온 건 물리적인 요인이 아니라 생물적인 요인이다. 광합성을 하는, 즉 빛 에너지를 이용해 대기 중의 이산화탄소를 유기분자로 바꿀 수 있는 시아노박테리아가 등장하면서부터다. 이 과정의 부산물로 산소가 나온다.

티끌모아 태산이라고 시아노박테리아 하나가 토해내는 산소는 미미한 양이지만 수억 년에 걸쳐 쌓이면서 결국에는 이렇게 만들어진 산소를 이용해 살아가는(이 과정을 ‘호흡’이라고 부른다) 다양한 생명체들이 등장했다. 수 억 년 전부터는 식물이 등장해 육상에서도 부지런히 산소를 만들었고 오늘날 대기 조성에 이르고 있다.

이산화탄소에서 바로 만들어져

화성탐사로봇 큐리어시티에 장착된 시료분석장치(SAM)의 덮개를 뗀 모습. 화성대기를 분석한 결과 산소분자 농도가 1450ppm으로 나왔다. 아직 화성에서 생명체가 발견되지 않았기 때문에 이 산소는 대기의 이산화탄소가 분해되면서 만들어진 것으로 보인다. ⓒ사이언스

화성탐사로봇 큐리어시티에 장착된 시료분석장치(SAM)의 덮개를 뗀 모습. 화성대기를 분석한 결과 산소분자 농도가 1450ppm으로 나왔다. 아직 화성에서 생명체가 발견되지 않았기 때문에 이 산소는 대기의 이산화탄소가 분해되면서 만들어진 것으로 보인다. ⓒ사이언스

학술지 ‘사이언스’ 10월 3일자에는 시아노박테리아가 등장하기 이전에도 지구 대기에서 이산화탄소로부터 산소분자가 만들어졌음을 시사하는 실험결과가 실렸다. 물론 이렇게 만들어진 산소의 양이 전체에서 차지하는 비중은 크지 않을 것으로 보이지만(5% 내외로 보임) 아무튼 지구 대기의 산소 전부가 광합성에서 만들어진 건 아니라는 말이다.

미국 데이비스 캘리포니아대 화학자와 지구과학자들은 상층 대기처럼 고에너지 빛인 자외선이 존재하는 조건(자외선 레이저를 쪼여줌)에서 이산화탄소 분자의 상태를 정밀하게 조사했다.

그 결과 이산화탄소가 자외선을 흡수해 에너지가 높아지면서 선형 분자에서 삼각형 분자로 구조가 바뀌고 서로 가까워진 산소원자 둘이 합쳐져 산소분자가 되고 탄소원자가 떨어져 나가는 반응이 일어난다는 사실을 발견했다. 즉 복잡한 광합성 과정이 없이도 이산화탄소에서 바로 산소분자가 만들어질 수 있다는 말이다.

물론 이전에도 이산화탄소에서 산소분자가 비생물적으로 만들어지는 메커니즘이 제안된 적이 있다. 즉 이산화탄소가 자외선을 흡수해 불안정해지면서 일산화탄소와 산소원자로 쪼개지고, 이렇게 만들어진 산소원자 두 개가 합쳐져 산소분자가 된다는 것. 이번 연구는 이런 중간과정 없이도 바로 반응이 일어날 수 있음을 보여줬다.

연구자들은 논문 말미에 화성탐사로봇 큐리어시티(Curiosity)가 분석한 화성대기 조성 결과를 언급하고 있다. 큐리어시티에는 대기를 채집해 조성을 분석하는 장치(SAM)가 설치돼 있다. 지난해 ‘사이언스’에 발표된 논문에 따르면 화성대기의 96%(부피비)가 이산화탄소이고 산소분자는 0.145%(1450ppm)였다. 연구자들은 화성의 산소분자가 이번에 발견한 직접 반응으로 만들어졌을 것으로 추정했다.

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