지구는 정말 인상적인 특성을 가지고 있다. (부정적인 리뷰는 주로 직원과 고객에 초점을 맞춘다고 해야겠다.) 그중 최고는 풍부한 산소 대기지만, 이는 하룻밤 사이에 일어난 일이 아니다. 우리 같은 동물 생명체가 살기 좋은 세상을 만드는 데 수십억 년의 진화가 필요했다.
과학자들은 산소 증가 원인에 대해 많은 아이디어를 가지고 있으며, 그중 몇 가지가 아마도 맞을 것이다. 생명체도 한몫했는데, 광합성 생명체가 산소를 뿜어냈다. 고체 지구의 화학 작용도 역할을 했는데, 광합성 생명체를 지원하고 대기와 지구 내부 깊은 곳의 암석 사이에서 산소를 이동시키는 반응을 통해 그랬다.
청두이공대학의 웨이 시(Wei Shi)가 이끄는 새로운 연구는 섭입(지각판이 지구 내부로 사라지는 과정)의 변화 증거가 산소 증가 시기와 일치한다고 제안한다. 지구는 시간이 지나면서 점차 냉각되었고, 초기 역사의 희미한 잔재는 주요 지질 과정이 그 결과 상당히 진화했음을 보여준다. 초기에는 차갑고 밀도가 높은 표면 암석이 뜨거운 맨틀 암석을 통해 가라앉았을 텐데, 이는 현대 판 구조론과 거의 닮지 않았다. 우리 주변의 대륙은 45억 년에 걸친 건설 프로젝트이므로, 초기에 무엇이 있었는지 상상하려면 상상력이 필요하다.
매끄럽고 선형적인 진화는 아니었다. 지질 역사에는 전환점이 있는 것 같다. 지구 대기의 산소화도 선형적이지 않았다. 약 24억~20억 년 전 대산소 사건(Great Oxygenation Event) 동안 급증하기 시작했고, 8억~5억 년 전 사이에 재개될 때까지 정체되었다. 4억 5천만~2억 5천만 년 전 사이의 세 번째 증가로 현대 산소 수준에 도달했다.
연구팀의 생각은 섭입의 변화가 대기 산소에 영향을 미쳤을 수 있다는 것이다. 탄소와 황(둘 다 산소와 결합하기 좋아함)이 얼마나 깊이 내부로 운반되는지를 제어함으로써 그랬다. 맨틀이 더 뜨거울 때, 탄소와 황은 섭입된 암석과 함께 멀리 내려가지 못한다. 얕은 맨틀로 방출되어 곧 화산을 통해 다시 돌아와 산소 분자를 잡아먹을 준비를 한다. 반대로, 더 차가운 맨틀로 뛰어드는 판은 더 많은 황과 탄소를 붙잡는다.
섭입된 암석이 다시 표면으로 나오는 곳에서, 그 안의 광물과 미묘한 화학 작용은 그들이 경험한 온도와 압력을 알려준다. 이 데이터를 비교함으로써 팀은 섭입 역사의 광범위한 그림을 종합했다. 가설이 맞다면, 대기 산소가 증가할 때 낮은 온도의 섭입이 일어날 것으로 예상된다.
데이터는 실제로 일치하는 것 같다. 낮은 온도의 섭입은 22억~18억 년 전 사이에 나타나고, 그 후 휴지기를 거쳐 지난 8억 년 동안 지배적이었다. 초기 시기는 초기 대산소 사건과 일치한다. 더 최근 시기는 두 번째와 세 번째 산소 증가를 포함한다. (그 사이의 시간은 지질학에서 '지루한 10억 년(Boring Billion)'으로 알려져 있는데, 그 이유는... 별로 일어난 일이 없기 때문이다.) 이 역사를 기본 화학 모델에 적용한 결과, 연구자들은 산소화의 시간대를 대략 재현할 수 있었다.
그들은 이야기의 시작이 초기 초대륙인 컬럼비아(Columbia)의 집합일 수 있다고 말한다. 해수면 위의 땅이 있으면 침식이 바다에 충분한 영양분을 공급하여 많은 양의 광합성 시아노박테리아를 지원할 수 있다. 이는 유기 탄소가 풍부한 해저 퇴적암에서 볼 수 있다. 컬럼비아의 분열은 낮은 온도 섭입의 첫 징후와 일치하며, 이는 더 많은 유기 탄소와 탄산염이 맨틀 깊숙이 섭입되도록 했을 것이다.
그리고 '지루한 10억 년'이 왔다. 이 기간 동안 맨틀 대류와 판 구조 운동조차 느렸던 것으로 보인다. 그러나 그 후, 곤드와나(Gondwana)와 판게아(Pangaea)의 형성과 분열은 우리를 현재의 판 구조 지도로 이끌었다.