태곳적 암석에서 발견된 다이아몬드를 분석한 결과, 다양한 지구 생명체가 번성할 수 있는 대기의 기초 화학적 구성이 늦어도 27억 년 전에 갖춰졌다는 연구가 나왔다.

이 다이아몬드에 보존된 휘발성 가스는 오늘날의 맨틀에서 발견되는 것과 비슷한 비율로 존재하는 것으로 확인됐다. 이는 지난 수십 억 년 동안 대기 중 휘발성 물질의 비율에 근본적인 변화가 없었음을 나타낸다.

이 같은 사실로 미루어 볼 때 생명이 유지되는데 필요한 기본 조건 중 하나인 ‘충분한 양의 생명을 주는 요소’들은 지구가 형성된 직후에 나타났고, 그 이후 매우 일정하게 유지돼 왔음을 보여준다는 것이다.

이 연구는 유럽 지구화학협회(EAG)와 미국 지구화학회(the Geochemical Society)가 번갈아 개최하는 세계 유수의 지구화학 학술회의인 골드슈미트 컨퍼런스(7월 4~9일, 하와이)에서 프랑스 로렌대 연구팀이 발표했다.

연구를 이끈 로렌대 마이클 브로들리(Michael Broadly) 박사는 “대기 중 휘발성 물질의 비율과 구성은 맨틀에서 발견된 것을 반영하며, 이들 다이아몬드가 27억 년 전 형성된 이래 그 구성에 변화가 있었다는 증거는 없다”고 말했다.

이번 연구에 사용된 27억 년 이상 된 다이아몬드 중 하나. ⓒ Michael Broadley

휘발성 물질 풍부하면 생명 존재 가능성 높아

수소와 질소, 네온 및 탄소 등을 함유한 휘발성 물질은 가벼운 화학 원소이자 화합물로서 열 또는 압력 변화에 따라 손쉽게 증발할 수 있다. 이 가운데 특히 탄소와 질소는 생명에 필요하다.

그러나 모든 행성에 휘발성 물질이 풍부한 것은 아니다. 지구와 금성은 휘발성 물질이 많지만, 화성과 달은 대부분의 휘발성 물질들이 우주 공간으로 소실됐다.

일반적으로 휘발성 물질이 풍부한 행성은 생명이 살 수 있는 가능성이 높기 때문에 멀리 떨어진 외계 행성에서 생명체를 찾으려는 작업의 상당수가 휘발성 물질을 찾는 데 집중돼 왔다.

지구에서 휘발성 물질들은 대부분 땅속에서 솟아 올라와 화산 폭발과 같은 지각운동을 통해 지표로 이동된다. 따라서 휘발성 물질들이 언제 지구 대기에 도달했는지를 아는 것은 지구상의 조건들이 언제쯤 생명이 기원하고 발생하는데 적합하게 됐는지를 이해하는 핵심 요소다. 그러나 지금까지는 아주 오랜 과거에 이런 조건들이 어떠했는지를 이해할 수 있는 방법이 없었다.

지구 상부 맨틀에서 다이아몬드가 형성된 위치를 보여주는 지구의 층별 도해. ⓒ Michael Broadley

다이아몬드를 타임캡슐로 활용

연구팀은 이번 연구에서 아주 오랜 옛날에 형성된 다이아몬드를 타임캡슐로 사용해 당시 지구 맨틀 심부 상태를 조사했다. 다이아몬드 속에 갇힌 가스를 분석한 결과, 맨틀의 휘발성 구성 성분은 지난 27억 년 동안 거의 변하지 않은 것으로 파악됐다.

맨틀은 지구의 지각과 코어 사이 부분으로 지구 전체 부피의 약 84%를 차지한다.

브로들리 박사는 “현대 지구의 맨틀 구성을 연구하는 것은 비교적 간단한데, 평균적으로 맨틀 층은 지표 아래 약 30km쯤부터 시작하므로 화산에 의해 분출된 표본들을 모아 맨틀 안에 갇힌 유체와 가스를 연구할 수 있다”라고 설명했다.

그러나 판 구조론에 따라 지구 지각은 계속해서 휘저어지므로 오래된 표본들은 대부분 파괴됐을 수 있다. 이에 비해 다이아몬드는 상대적으로 파괴되기가 쉽지 않아 이상적인 타임캡슐이라는 것이다.

그는 “우리는 캐나다 슈피리어호에 있는 와와(Wawa)에서 27억 년 된 암석에 들어있던 다이아몬드를 연구했다”며, “이는 그 다이어몬드가 최소한 발견된 암석만큼 혹은 그 이상 오래됐다는 것을 의미한다”라고 말했다.

연구팀은 다이아몬드의 연대를 측정하기가 어렵기 때문에 암석을 통해 최소한의 연대를 확인할 수 있는 행운을 얻을 수 있었다. 매우 희귀한 이 다이아몬드는 일반적으로 생각하는 보석 같은 아름다움과는 거리가 있다.

지구가 생성된 뒤 생명이 나타난 연대표. ⓒ WikiCommons

“오늘날과 같은 휘발성 가스 환경, 27억 년 이전에 설정돼”

연구팀은 이 다이아몬드들을 섭씨 2,000도 이상으로 가열해 흑연으로 변환한 다음 방출된 소량의 가스를 측정했다. 헬륨과 네온, 아르곤 동위원소를 측정한 결과, 이 원소들이 오늘날의 상부 맨틀에서 발견된 것들과 같은 비율로 존재한다는 사실을 발견했다.

이것은 휘발성 물질의 비율에 거의 변화가 없었으며, 맨틀과 대기 사이의 필수 휘발성 성분의 분포가 지구 생명체 대부분이 번성하는 동안 상당히 안정적으로 유지됐을 가능성이 있음을 의미한다는 것이다.

브로들리 박사는 “우리 연구에 따르면 지금 우리 주변에서 볼 수 있는 휘발성 가스가 풍부한 환경과 조건은 다이아몬드의 연대로 미루어 적어도 27억 년 전보다 훨씬 이전에 설정됐을 가능성이 높다”고 강조했다.

이번 연구에 참여하지 않은 앨버타대 수제트 팀머맨(Suzette Timmerman) 박사는 “다이아몬드는 형성 과정에서 구성이 고정되기 때문에 독특한 표본이 된다”라며, “이번 와와의 섬유성 다이아몬드는 특히 27억 년 이상 된 연구하기에 매우 좋은 대상으로서 신시생대(Neoarchean) 시기 휘발성 성분 구성에 대한 중요한 단서를 제공한다”고 평했다.

그는 “상부 맨틀에서 27억 년 이상 전에 이미 가스가 방출된 것처럼 보인다는 사실이 흥미롭다”고 말하고, “이번 연구는 지구 역사 전반기의 맨틀과 대기를 이해하기 위한 중요한 단계로서 더 많은 질문과 연구가 이어질 것”이라고 전망했다.