철, 생물학적 원소?

[사이언스 데일리] 철로 만들어진 물체를 생각해 보자. 아이빔(I-beam), 자동차 프레임, 못 같은 물체들이 생각날 것이다. 이번에는 그런 물체에 있는 철의 절반 정도는 25억년 전에 살던 박테리아 덕분에 지표면에 존재할 수 있었다는 것을 상상해 보라. 새로운 연구의 결론이 바로 이것이다. 이번 발견은 광업에서부터 우주 속의 생명체 탐색에 이르기까지 다양한 분야에서 의미있는 일이다.

(2015년 6월 26일 사이언스 데일리 기사 번역)

정보출처: 위스컨신 대학 매디슨

 

서부 오스트레일리아 카리지니 국립공원의 사진에서 볼 수 있는 것과 비슷한 암석의 시추 코어 시료를 조사한 위스컨신 대학 매디슨의 연구자들은 철 원자의 절반 정도가 25억년 전 얕은 바다에서 미생물들의 대사에 이용되었던 것이라고 밝혔다. Credit: Courtesy of Clark Johnson

서부 오스트레일리아 카리지니 국립공원의 사진에서 볼 수 있는 것과 비슷한 암석의 시추 코어 시료를 조사한 위스컨신 대학 매디슨의 연구자들은 철 원자의 절반 정도가 25억년 전 얕은 바다에서 미생물들의 대사에 이용되었던 것이라고 밝혔다. Credit: Courtesy of Clark Johnson

철로 만들어진 물체를 생각해 보자. 아이빔(I-beam), 자동차 프레임, 못 같은 물체들이 생각날 것이다. 이번에는 그런 물체에 있는 철의 절반정도는 25억년 전에 살던 박테리아 덕분에 존재할 수 있었다는 것을 상상해 보라.

이번주 미국 국립과학원 회보 (Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS)에 발표된 연구의 결론이 바로 이것이다. 이번 발견은 광업에서부터 우주 생명체 탐색에 이르기까지 다양한 분야에 의미있는 일이다.

존슨의 말에 의하면, 두께가 150미터에 이르는 이 고대의 철 매장층을 설명할 방법이 무언가 있어야 한다.

과학자들은 해양 한가운데의 분출구에서 나오는 뜨겁고 광물이 풍부한 물을 통해 철이 바다로 흘러들어온 후 해저에 침전되었다고 생각했다. 존슨과 중국 난징 대학의 리는 호상철광층에 존재하는 철의 절반은 대륙붕에 살던 고대 박테리아의 대사작용을 통해 쌓인 것임을 보였다.

호상철광층의 띠무늬는 일종의 계절적 변화를 나타내는 것으로 생각되었다. 위스컨신 대학 매디슨의 연구자들은 성분비에 장기적인 변동은 있지만 수십년, 혹은 수백년의 짧은 기간동안에는 변동이 없다는 것을 발견했다.

위스컨신 대학 매디슨의 지구과학과에 있는 세계에서 가장 빠른 레이저를 이용하여 철과 네오디뮴 동위원소를 정확히 측정하는 것으로 연구가 시작되었다. (동위원소란 같은 원소이면서 무게가 다른 원소를 말하며 종종 서로 다른 표본의 원천을 정확히 알아내기 위해 사용된다)

1조분의 1초도 안되는 시간동안 강한 빛을 쪼이면 표본 전체의 온도는 높아지지 않으면서 아주 얇은 일부분만이 기화된다. “아이스크림 스쿠프를 들고 전체 온도가 올라가기 전에 재빨리 아이스크림 일부를 퍼내는 것과 비슷합니다.” 존슨의 설명이다.

“전통적인 레이저로 표본을 가열하면 제대로 된 결과를 얻을 수 없습니다.”

리의 말로는 레이저 및 이와 연관된 질량분석기를 완벽하게 작동시키는 데 3년이 걸렸다고 한다.

호상철광층의 기원을 조사한 이전의 연구들은 대개 철 동위원소에 초점을 맞췄다. “철 동위원소가 호상철광층의 기원에 대해 무엇을 알려줄 수 있는지 논쟁이 있었습니다.” 리의 말이다. “네오디뮴을 추가하자 전체적인 그림이 바뀌어 어느 만큼의 광물이 생명의 흔적을 보이는 동위원소가 함유된 얕은 대륙붕 지역의 물에서 기원했는지에 대한 독립적인 측정이 가능해졌습니다.”

유기체가 철을 대사에 이용할 수 있다는 생각은 오늘날에는 이상해 보이지만 25억년 전의 지구는 지금과 매우 다른 곳이었다. 대기 중에는 산소가 거의 없었고 수많은 유기체들이 산소 대신 철을 대사에 이용하여 에너지를 얻었다.

생물학자들의 생각에 따르면  이런 프로세스는 “생명의 나무에서 매우 깊은 곳에 위치해 있지만, 지금까지 암석 기록에서는 증거를 거의 찾을 수 없는 프로세스였습니다.” 존슨의 말이다. “고대의 미생물들은 우리가 산소를 호흡하는 것처럼 철을 호흡했습니다. 솔직히 이해하기 쉽지 않은 일이긴 하죠.”

존슨의 말로는 이번 연구는 여러 측면에서 중요성을 가지고 있다고 한다. “만일 탐사지질학자라면 어디를 탐사할 것인지 결정하기 위해 광물이 어떻게 형성되었는지를 알고 싶을 겁니다.”

이번 연구는 또 25억년 전 “철이 풍부했던” 시기 우리 행성의 진화 – 그리고 생명의 진화 – 에 대해 명확하게 알 수 있게 해준다. “우리 신진대사에서 철이 풍부했던 세계의 흔적이라면 뭐가 있을까요?” 존슨의 질문이다. “철이 생명의 유지에 있어서 중요한 역할을 하는 것은 우연이 아닙니다. 초기의 생명체가 사용했던 분자들은 철에 기반한 것이었을 가능성이 있습니다.”

NASA 는 우주 생명 탐색을 주요 목표로 잡고 있으며 존슨이 책임자인 위스컨신 대학 매디슨의 우주생물학연구소를 후원하고 있다. 익숙하지 않은 형태의 생명체를 알아채는 것이 나사가 우선시하는 목표 중 하나이다.

이번 연구로 지질학에서 미생물의 중요성이 더욱 강조되게 되었다. “이건 큰 변화입니다.” 존슨의 말이다. “1980년대에 제가 배우던 지구화학 입문 교과서에는 생물학에 대한 어떤 언급도 없었습니다. 어떤 광물이 지구 표면의 어떤 조건에서 안정한지를 보여주는 도표 하나하나가 완전히 틀린 거죠.”

이러한 연구결과는 강의가 어떻게 진행되는가에도 영향을 끼친다고 존슨은 말한다. “만일 제가 그때와 똑같은 방식으로 강의한다면 완전히 틀린 것들을 가르치는 격이 될 겁니다. 대학에서 가르치는 일과 연구를 왜 같이 해야하는지 궁금했다면 지구미생물학(geomicrobiology)에 그 답이 있습니다. 지구과학을 완전히 바꿔놓은 것이지요.”

참고문헌

Weiqiang Li, Brian L. Beard, Clark M. Johnson. Biologically recycled continental iron is a major component in banded iron formations. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2015; 201505515 DOI: 10.1073/pnas.1505515112

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카테고리:번역, 기타생물, 사이언스 데일리, 생물학, 선캄브리아시대, 지질학

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