식물 광합성의 시초

선캄브리아 시대의 광합성 생물: 남세균  (Cyanobacteria) 

선캄브리아 시대는 지구 역사상 가장 길고도 심오한 시기로, 약 45억 6천 7백만 년 전 지구 탄생의 격렬한 순간부터 약 5억 4천 1백만 년 전 생명의 대폭발이라 불리는 캄브리아기의 시작 직전까지 무려 40억 년이 넘는 장구한 시간을 포괄합니다. 이 길고 긴 시간 동안 지구는 격렬한 지질학적 변화를 겪었으며, 생명은 원시적인 형태에서 점차 복잡한 구조로 진화해 나갔습니다. 특히, 이 시대에 등장한 광합성 생물은 지구 환경 자체를 근본적으로 변화시키고, 이후 다세포 생물의 출현과 번성을 위한 필수적인 토대를 마련했다는 점에서 그 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다.

선캄브리아기 광합성 생물의 핵심 주역은 단연 시아노박테리아 (Cyanobacteria) 입니다. 때로는 남조류라고도 불리는 이 미세한 원핵생물은 지구 역사상 가장 혁신적인 생명체 중 하나로 평가받습니다. 그 이유는 바로 산소 발생형 광합성이라는 놀라운 능력을 최초로 획득했기 때문입니다.

1. 남세균의 출현과 초기 지구 환경

남세균의 정확한 기원은 여전히 활발한 연구 대상이지만, 현재까지 발견된 가장 오래된 확실한 화석 기록은 약 35억 년 전으로 거슬러 올라갑니다. 이는 지구 탄생 이후 약 10억 년이 지난 시점으로, 당시 지구의 대기는 현재와는 매우 다른 조성을 가지고 있었습니다. 산소는 거의 존재하지 않았으며, 메탄, 암모니아, 수증기 등이 주를 이루는 환원적인 환경이었습니다. 강렬한 자외선이 지표면에 직접 도달했으며, 생명체가 육상에서 존재하기에는 매우 가혹한 조건이었습니다.

이러한 환경 속에서 등장한 남세균은 태양 에너지를 이용하여 물과 이산화탄소로부터 유기물을 합성하고, 부산물로 산소를 방출하는 광합성 능력을 진화시켰습니다. 이 단순해 보이는 생화학적 혁명은 지구 환경의 판도를 서서히, 그러나 근본적으로 바꾸기 시작했습니다.

2. 남세균의 특징과 생존 방식

남세균은 핵막으로 둘러싸인 진정한 핵과 미토콘드리아, 엽록체와 같은 뚜렷한 세포 소기관을 가지지 않는 원핵생물입니다. 그럼에도 불구하고, 세포 내에 엽록소 a를 비롯하여 피코빌린, 카로티노이드 등 다양한 광합성 색소를 보유하고 있어 빛 에너지를 효율적으로 포획할 수 있습니다. 이들은 빛 에너지를 이용하여 물 분자를 분해하고, 그 과정에서 전자를 얻어 이산화탄소를 고정하여 유기물을 합성합니다. 이때 산소는 불가피하게 부산물로 방출됩니다.

남세균은 단세포 또는 다세포의 형태로 존재하며, 다양한 환경에 적응하여 살아갑니다. 담수, 해수, 토양, 심지어 극지방의 얼음이나 온천과 같은 극한 환경에서도 발견됩니다. 일부 남세균은 질소 고정 능력을 가지고 있어 생태계 내에서 중요한 역할을 수행하기도 합니다.

3. 스트로마톨라이트: 고대 생명의 흔적

남세균의 가장 대표적인 화석 형태는 바로 스트로마톨라이트 (Stromatolite) 입니다. 스트로마톨라이트는 남세균이 광합성 활동을 하면서 주변의 퇴적물 입자(탄산칼슘, 모래 등)를 끈적끈적한 점액으로 붙잡아 층층이 쌓아 올린 독특한 구조의 퇴적암입니다. 살아있는 스트로마톨라이트는 오늘날에도 호주 샤크 베이와 같은 특정한 환경에서 제한적으로 발견되지만, 선캄브리아 시대에는 전 세계의 얕은 바다에서 광범위하게 번성했습니다.

수십억 년에 걸쳐 형성된 스트로마톨라이트 화석은 고대 생명체의 존재를 직접적으로 보여주는 강력한 증거입니다. 이 화석의 층상 구조는 당시 남세균 군집의 성장과 퇴적 과정이 반복적으로 일어났음을 시사합니다. 스트로마톨라이트 화석의 형태와 화학적 조성을 분석함으로써 고대 지구의 환경 조건, 특히 물의 깊이, 빛의 투과 정도, 그리고 생화학적 활동 등에 대한 중요한 정보를 얻을 수 있습니다.

4. 남세균의 광합성이 지구 환경에 미친 혁명적 변화

남세균의 산소 발생형 광합성은 초기 지구 환경에 다음과 같은 심오하고 혁명적인 변화를 가져왔습니다.

• 대기 중 산소 농도 증가 (대산화 사건, Great Oxidation Event): 남세균이 수억 년에 걸쳐 방출한 산소는 초기 환원적인 대기에 점차 축적되기 시작했습니다. 처음에는 바닷물 속에 녹아있던 철 이온과 반응하여 산화철(녹)을 형성하는 데 주로 사용되었으며, 이로 인해 대규모의 띠형 철광층 (Banded Iron Formation, BIF)이 형성되었습니다. 이후, 바닷물 속의 철이 모두 산화되자, 남은 산소는 마침내 대기 중으로 방출되기 시작하여 대기 조성을 근본적으로 변화시켰습니다. 이른바 **대산화 사건 (Great Oxidation Event)**으로 불리는 이 시기는 약 24억 5천만 년 전에서 20억 5천만 년 전 사이에 일어난 것으로 추정됩니다. 대기 중 산소 농도의 증가는 이전에는 불가능했던 호기성 대사 과정을 가능하게 했고, 이는 생명체의 에너지 효율성을 크게 향상시키고 더욱 복잡한 생명체의 진화로 이어지는 중요한 발판이 되었습니다.
• 오존층 형성: 대기 중 산소 분자(O2​)가 증가하면서 태양의 강력한 자외선에 의해 오존 (O3​) 분자가 형성되기 시작했습니다. 오존층은 생명체에 치명적인 자외선의 대부분을 흡수하여 지표면으로 도달하는 것을 막아주는 보호막 역할을 수행합니다. 오존층의 형성은 이전에는 물속에서만 생존할 수 있었던 생명체가 마침내 육상으로 진출할 수 있는 필수적인 환경적 조건을 제공했습니다. 이는 이후 육상 식물과 동물의 진화와 다양화에 결정적인 영향을 미쳤습니다.
• 진핵생물과 다세포 생물 진화의 토대 마련: 산소 농도의 증가는 더 많은 에너지를 효율적으로 생산할 수 있는 호기성 호흡을 가능하게 했고, 이는 세포 내 공생을 통해 미토콘드리아를 획득한 진핵생물의 등장을 촉진했습니다. 최초의 진핵생물 화석은 약 18억 년 전의 것으로 추정됩니다. 또한, 충분한 산소 공급은 더 크고 복잡한 구조를 가진 다세포 생물의 진화를 위한 에너지 기반을 제공했습니다. 선캄브리아기 후기 (약 6억 3천 5백만 년 전 ~ 5억 4천 1백만 년 전)에는 에디아카라 동물군과 같은 초기 다세포 생물들이 출현하기 시작했으며, 이들의 진화는 대기 중 산소 농도 증가와 밀접한 관련이 있는 것으로 여겨집니다.

5. 선캄브리아기 다른 광합성 생물의 가능성

남세균이 선캄브리아 시대의 주요 광합성 생물이었던 것은 분명하지만, 초기 생명 진화 과정에서 산소 발생형이 아닌 다른 형태의 광합성을 수행했던 생물들이 존재했을 가능성도 완전히 배제할 수는 없습니다. 예를 들어, 황화수소(H2​S)와 같은 다른 무기물을 이용하여 광합성을 수행하는 혐기성 광합성 세균이 남세균 이전에 존재했을 수도 있습니다. 그러나 이러한 초기 광합성 생물의 화석 기록은 매우 희귀하거나 아직 명확하게 밝혀지지 않았습니다. 따라서 현재까지는 남세균이 선캄브리아기 지구 환경 변화를 주도한 핵심적인 광합성 생물로 인정받고 있습니다.

 

선캄브리아 시대의 광합성 생물, 특히 남세균은 단순한 미생물을 넘어 지구 역사상 가장 강력한 환경 변혁자였습니다. 그들의 혁신적인 산소 발생형 광합성 능력은 초기 환원적인 대기를 산소가 풍부한 환경으로 점진적으로 변화시켰고, 이는 오존층 형성, 호기성 생물의 진화, 그리고 궁극적으로 다세포 생물의 출현과 육상 생명체의 탄생을 위한 필수적인 토대를 마련했습니다. 스트로마톨라이트 화석은 남세균의 활발했던 과거를 생생하게 증명하며, 선캄브리아기 지구 환경과 생명 진화의 역사를 이해하는 데 없어서는 안 될 중요한 단서를 제공합니다. 남세균의 존재와 그들이 이룩한 환경적 변화는 오늘날 우리가 살고 있는 산소 기반의 복잡한 생태계가 어떻게 탄생하게 되었는지에 대한 근본적인 해답을 제시합니다.