호주 열대 다윈의 야외 창고에는 수십 개의 트레이가 놓여 있고, 그 안에는 수십 년 전 광물 탐사 회사들이 지표 아래 수백 미터를 시추해 뽑아낸 원통형 암석 코어가 들어 있다. 그 회사들은 대부분 광물을 찾고 있었지, 존재의 비밀을 찾고 있었던 건 아니었으니, 15억 년 전 이상 북호주 대부분을 덮었던 내해의 머드스톤(경화된 해저 진흙에서 형성된 퇴적암) 속에 묻힌 고대 생물의 미세 화석을 알아차리지 못한 걸 탓할 순 없다.

네이처에 발표된 새로운 연구에 따르면, 그 방치된 코어들은 지구 역사상 가장 큰 진화적 도약, 즉 진핵생물의 기원에 관한 오랜 수수께끼의 핵심이다.

지구의 모든 생명은 세포 수준에서 근본적으로 다른 두 범주 중 하나에 속한다. 원핵생물(박테리아와 고세균)은 단순한 세포 구조를 가지고 있으며 대부분 단세포다. 모든 동물, 식물, 조류, 균류를 포함하는 진핵생물은 핵과 특정 작업을 수행하는 세포소기관이라는 특수 구조를 갖춘 훨씬 더 복잡한 세포를 가지고 있다. 진핵생물 혁명은 행성을 변화시켰고, 동물의 출현으로, 그리고 결국 우리로 이어졌다. 살아있는 유기체의 유전자 관찰에 기초해, 모든 살아있는 진핵생물의 마지막 공통 조상이 적어도 두 개의 원핵생물 미생물, 즉 고세균과 박테리아의 공생 결합에서 비롯되었다는 것이 이제 널리 합의되고 있다.

진핵생물의 첫 증거는 원핵생물에서는 볼 수 없지만 진핵생물에서는 흔한 수준의 세포 복잡성을 보여주는 단세포 유기체의 화석 형태로 나타난다. 진핵생물 화석은 최소 15억 년 전으로 거슬러 올라가는 암석에서 전 세계적으로 발견될 수 있다. 노던 테리토리의 화석은 그중 가장 오래된 것이 17억 5천만 년 전으로 거슬러 올라가며, 현재 전 세계에서 알려진 가장 오래된 진핵생물 화석이다.

하지만 초기 진핵생물이 진화한 고대 세계는 여전히 수수께끼에 싸여 있으며, 그 본질의 많은 근본적인 측면은 알려지지 않았다.

많은 종류의 박테리아는 산소 없이 살고 성장할 수 있다. 그러나 오늘날 살아있는 거의 모든 진핵생물은 생존을 위해 산소를 사용한다. 왜냐하면 호기성 호흡(산소를 사용해 음식을 분해하는 것)이 복잡한 생명이 요구하는 막대한 양의 에너지를 제공하기 때문이다. 그런데 산소가 항상 모든 진핵생물에게 유익했다는 생각은 산소 없이 번성할 수 있는 수수께끼 같은 진핵생물의 놀라운 발견 이후 최근 몇 년간 공격을 받아왔다. 또한 진핵생물이 처음 진화할 당시 산소가 훨씬 더 희박했을 가능성이 높다는 지질학적 기록의 증거가 늘고 있으며, 이는 무산소 해양 서식지가 일반적이었을 것임을 의미한다. 종합적으로, 이러한 관찰들은 진핵생물이 그 시작부터 산소에 의존해왔다는 가정에 의문을 제기했다.

최초의 진핵생물 조상에 가장 가까운 것으로 여겨지는 그룹에 속하는 살아있는 미생물에 대한 유전 연구는 진핵생물 조상에 대한 핵심 통찰력을 제공할 수 있다. 그러나 오랫동안 멸종된 계통에 대해 알려줄 수 있는 것은 화석 기록뿐이며, 이 유기체들이 살았던 세계의 창을 제공할 수 있는 것은 지질학뿐이다.

새로운 연구를 위해 연구자들은 다윈에 보관된 머드스톤 코어 샘플을 분쇄한 다음 용해시켰다. 그들은 현미경으로 남은 유기 잔류물을 분석해 12,000개 이상의 화석을 확인했다. 그들은 또한 화석이 보존된 머드스톤을 연구해 퇴적물이 퇴적될 당시 환경이 어땠는지 더 잘 이해했고, 이 진핵생물이 살았던 서식지에 대한 통찰력을 제공했다. 그리고 이 머드스톤의 화학을 분석함으로써 고대 해수에 산소가 존재했는지 확인할 수 있었다.

결과는 진핵생물 화석이 해안 갯벌에서 외해에 이르기까지 다양한 환경에서 발견되었지만, 산소가 있는 환경에서 퇴적된 샘플에서만 발견되었음을 보여준다. 무산소 환경의 샘플에는 단순한 원핵생물 형태만 포함되어 있었다. 이는 알려진 가장 오래된 진핵생물조차도