현재 지구 표면 환경은 대기에서 해양의 깊은 곳까지 산소가 풍부하게 공급되어 활성화된 광합성 생물권의 특징을 나타내고 있다. 생명이 지구 전체 환경에 큰 영향을 주고 있음을 보여주고 있는 것이다. 이처럼 산소가 풍부한 환경은 지구 이외의 행성에서 생명의 존재 여부를 나타내는 신호의 하나로 주목받고 있다.

현재와 같은 수준의 지구 대기 산소 농도는 약 4억 년 전 고생대 오르도비스에서 실루리아기 사이에 형성된 것으로 알려져 있지만 이 대기 상태가 과연 미래까지 지속될 수 있을 것인가는 불확실하다고 한다. 일본 도호대와 미국 조지아 공대 연구원은 최근 산소가 풍부한 지구의 대기 수명은 약 10억 년이라는 사실을 밝혀냈다.

지구 생물권의 수명은 오래 전부터 태양이 꾸준히 빛을 발하는 것은 과학적 지식을 기반으로 논의되어 왔다. 이러한 이론적 틀에 따른 귀결 중 하나는 대기 이산화탄소 수준이 지속해서 감소하는 것과 지질학적 기간에서의 지구 온난화라고 한다. 실제로 지구 생물권은 과열과 광합성에 필요한 이산화탄소 부족이 결합해 향후 20억 년 안에 종말을 한다는 것이 일반적인 예측이다.

이에 일본 도호대 교수는 “이게 사실이라면 대기 중 산소 수준도 먼 미래에는 결국 감소한다는 것”이라고 말했다.

산소는 주로 조류와 육상 식물에 의한 광합성에 의해 생성된다. 하지만 지질학적 시간 규모에 대기와 바다의 산소량은 광합성 이외의 다양한 생물지구화학적 작용을 한다. 이는 수중 및 토양에서 유기물 분해와 철 황화물의 침전, 암석의 풍화 작용과 화산 환원 가스의 유입의 영향을 받는 것이다.

연구진은 미래의 지구 진화를 모델링하는 데에는 본질적으로 지질학, 생물학적 진화의 불확실성이 존재함으로 산소 생성 대기 수명의 평가를 얻기 위해 ‘확률론적’ 방법을 채택했다. 모델 매개변수를 변경해 40만 번 이상 모델링을 수행한 결과, 지구의 산소가 풍부한 대기는 향후 10억 년 동안 지속되고, 이후 급속한 탈 산소화가 진행되면서 약 25억 년 전 대기 중에 산소가 급격하게 증가한 대산소화 사건이전의 상태로 되돌아갈 것이라는 사실이 발견됐다.

수치 모델링에 따르면 급격한 산소 농도 저하가 일어나는 시기는 지구 표층 즉 지구 내부 맨틀사이에 물질 순환을 통한 상호 작용에 의해 영향을 받을 수 있고, 장기적인 산소 감소는 궁극적으로 태양진화에 의해 구동되는 것으로 밝혀졌다.

일본 도호대 교수는 “대규모 탈 산소화 이후 대기는 메탄 상승, 낮은 수준의 이산화탄소, 오존층 소멸이 특징적으로 나타나고 있다”며 “아마 지구는 산소 없이 살아갈 수 있는 혐기성 생명체의 세계가 될 수 있다”고 보고 있다.

지구의 산소가 풍부한 대기는 원격으로 생명체가 존재한다는 사실을 탐지할 수 있는 중요한 신호인 것이다. 하지만 이번 연구결과가 산소가 풍부한 지구 대기는 영구적이 아닌, 지구 전체 역사에서 20~30%의 기간 동안만 산소가 풍부하게 공급되어 생명체가 거주할 수 있다 행성이 됐다는 것으로 볼 수 있다.