수백만 년 전, 지금의 터키와 페루에서 발생한 거대한 화산 폭발로 주변 땅에 각각 수백만 미터톤의 질산염이 퇴적되었습니다. 그 영양소는 화산 번개에서 나왔을지도 모른다고 연구원들은 4월 24일 비엔나에서 열린 유럽 지구과학 연합 회의에서 보고했습니다.
이번 발견은 지구 역사 초기에 화산이 생명체 출현을 가능하게 한 일부 물질을 제공할 수 있었다는 생각에 증거를 추가했다고 파리 소르본 대학의 화산학자 에르완 마틴(Erwan Martin)은 말했다.
질소는 단백질 및 DNA와 같은 생물학적 분자의 필수 성분입니다. 대기의 약 78%를 차지합니다. 그러나 공기 중의 질소 분자는 단단히 결합된 두 개의 질소 원자로 구성됩니다. 이러한 원자가 분리될 때만 다른 원소와 반응하여 질산염과 같은 생명체에 유용한 질소 형태를 생성합니다.
일부 미생물은 질소 분자를 분해하여 식물과 균류에 “고정 질소”를 제공할 수 있습니다. 인간 화학자들도 비료를 만들 수 있습니다. 그러나 생명이 시작되기 전에 어떤 비생물학적 과정이 작용했음에 틀림없다.
Lightning이 확실한 후보라고 Martin은 말합니다. 이러한 극도로 강력한 전기 방전은 질소 원자를 분해할 수 있으며, 이는 산소와 결합하여 질소 산화물과 결국 질산염을 형성합니다.
얼음 입자가 충돌하고 충전되어 발생하는 뇌우의 번개는 매일 질소 분자를 분리하지만 낮은 속도로 넓은 지역에 퍼집니다. 먼지 입자가 충돌하고 충전되는 화산 기둥은 엄청난 강도의 국지적 번개를 제공할 수 있습니다. 예를 들어 2022년 인도네시아 훙가통가-헝가하파이 화산 폭발 당시 하루 동안 약 40만 건의 분출이 있었다.
그 많은 양의 번개조차도 상대적으로 적은 양의 질산염을 생성합니다. 그러나 100,000년에 한 번 정도만 발생하는 희귀하고 거대한 폭발은 훨씬 더 많은 것을 만들 수 있습니다. 그러한 사건이 많은 양의 질산염을 생성하고 퇴적시킬 수 있다는 생각은 새로운 것이 아니지만 지금까지 아무도 이러한 폭발로 인한 화산 퇴적물의 질소 함량을 실제로 조사한 적이 없다고 Martin은 말합니다.
그의 그룹은 2000만년에서 100만년 전에 발생한 10개의 폭발적인 폭발과 관련된 터키와 페루의 노두를 샘플링했습니다. 그들의 위치의 상대적으로 건조한 기후는 물에 용해되는 오래 전에 형성된 질산염이 지금까지 모두 침출되지 않도록 하는 데 도움이 됩니다.
연구원들이 발견한 질산염은 공기 중의 각 오존 분자를 구성하는 3개의 산소 원자와 유사한 비율로 서로 다른 질량을 가진 산소 원자를 포함하는 것으로 밝혀졌습니다. 이것은 질산염이 지상의 어떤 과정에 의해서가 아니라 대기 중에 형성되었음을 보여줍니다.
샘플링을 기반으로 연구원들은 각 분출이 평균적으로 약 6천만 톤의 질산염을 퇴적시킨 것으로 추정합니다.
생명체는 마틴과 동료들이 연구한 폭발보다 훨씬 전인 약 37억년 전에 시작되었을 수 있습니다. 그러나 지구의 초기에는 그러한 극심한 화산 활동이 가득했습니다. 일부 연구자들은 특히 화산섬 위의 번개가 대륙이 완전히 형성되기 전에 생명체가 출현하는 데 중요한 역할을 했다고 생각합니다. 젊은 지구에서는 새로운 연구에서 추정된 것과 비슷한 양의 질산염이 물에 잠긴 지 오래 된 그러한 섬에서 생성되었을 수 있다고 Martin은 말합니다.
이 연구의 개념은 흥미롭다고 캘리포니아 주 라호야에 있는 스크립스 해양학 연구소의 해양 화학자 Jeffrey Bada는 말합니다. 그러나 그는 연구원들이 생명체가 처음 등장했을 때 대기의 다른 구성을 다루어야 했다고 생각합니다.
“오늘날 화산섬의 번개는 엄청난 양의 질소 산화물을 생성합니다.”라고 Bada는 말합니다. “그러나 초기 지구에서 대기에 산소가 거의 없었을 때 생성물은 아마도 암모니아였을 것입니다.” 질산염과 마찬가지로 암모니아는 생물학적으로 사용할 수 있는 질소의 한 형태입니다.
그러나 Martin은 화산 기둥에는 마그마에서 나오는 많은 물과 다른 산소 화합물이 있으며, 그 산소의 일부를 공급할 수 있다고 말했습니다. 그리고 그 초창기에는 “질산염이 아니라 암모니아였을 수도 있습니다. 여전히 생명체가 사용할 수 있는 질소입니다.” 아직 연구해야 할 것들이다.