날개폭 70cm짜리 잠자리가 날아다녔습니다. 곤충이 커진 게 아니라, 공기가 달랐습니다.
지금 지구에서 가장 큰 곤충도 손바닥만 합니다. 그런데 3억 년 전에는 매만 한 잠자리가 있었습니다. 곤충의 크기를 가로막는 벽은 대체 무엇일까요?
정확히 말하면 우리처럼 숨 쉬지 않습니다. 여기에 답이 있습니다.
사람은 폐로 공기를 들이마시고, 혈액이 산소를 온몸에 배달합니다. 심장이라는 펌프가 있어서 몸이 커져도 배달이 가능합니다.
곤충은 다릅니다. 몸 옆에 난 구멍(기문)에서 기관이라는 관이 갈라져 나와 세포까지 직접 이어집니다. 산소는 이 관을 따라 스스로 퍼져 들어갑니다. 펌프가 없습니다. 확산에만 의존합니다.
확산은 거리가 멀어질수록 급격히 느려집니다. 향수를 뿌리면 바로 옆 사람은 금방 알지만 옆 방 사람은 한참 걸리는 것과 같습니다.
그래서 곤충의 몸 크기는 "산소가 확산으로 도달할 수 있는 거리"에 갇힙니다. 몸이 두꺼워지면 가운데 세포가 질식합니다.
그런데 이 한계는 고정된 값이 아닙니다. 공기 중 산소 농도가 높으면 같은 시간에 더 멀리 밀려 들어갑니다. 농도가 높을수록 확산이 빨라지기 때문입니다.
즉 대기 산소 농도가 곤충 크기의 상한선을 정합니다.
그렇다면 왜 그때만 산소가 30%를 넘었을까요? 이야기는 나무에서 시작합니다.
널리 알려진 설명은 이렇습니다. "나무의 리그닌을 분해할 수 있는 균류가 아직 진화하지 않아서 썩지 않았다." 이야기로는 훌륭하지만, 지금은 이 설명만으로는 부족하다고 봅니다.
리그닌 분해 균류가 석탄기 이전부터 있었다는 유전자 분석 결과가 나왔고, 석탄이 특정 시기·특정 지역에 집중된 것은 당시의 지형과 기후 — 넓고 평평한 저지대에 물이 고여 있던 조건 — 로 설명하는 견해가 힘을 얻고 있습니다.
즉 "썩힐 수 없었다"보다 "썩을 수 없는 곳에 묻혔다"가 더 정확한 표현입니다. 학계에서 아직 정리 중인 문제입니다.
공정하게 말하면 산소는 한계를 풀어 준 조건이지 크기를 만든 원인은 아닙니다. 다른 요인도 함께 작용했습니다.
실제로 초파리를 고농도 산소에서 여러 세대 키우면 몸집이 커진다는 실험 결과가 있습니다. 산소가 크기 상한과 관련 있다는 직접적인 증거입니다.
산소가 많으면 불이 훨씬 잘 붙습니다. 산소는 연소의 조건이니까요.
석탄기 지층에서는 목탄 화석(fusain)이 유난히 많이 발견됩니다. 산불이 빈번했다는 증거입니다. 젖은 나무도 탈 만큼 산소가 풍부했습니다.
흥미롭게도 이것이 스스로를 조절하는 장치가 됩니다. 산소가 너무 높아지면 산불이 늘어 식물이 타고, 식물이 줄면 산소 생산이 줄어듭니다. 산소 농도를 무한정 올릴 수 없게 만드는 음의 되먹임입니다.
석탄기 말, 두 가지가 함께 왔습니다.
산소 농도가 떨어지자 거대 곤충은 더 이상 그 크기를 유지할 수 없었습니다. 그리고 페름기 말 대멸종(051)이 남은 것들을 정리합니다.
곤충이 실패해서 작아진 것이 아닙니다. 공기가 달라졌을 뿐입니다.
| 과목·영역 | 이 레슨과의 연결 | 성취기준 |
|---|---|---|
| 중학교 과학 — 광합성과 호흡 | 광합성과 호흡에서 출입하는 물질의 변화. 그 균형이 깨졌을 때 대기 조성이 바뀐다 | [9과12-02] |
| 통합과학1 — 지구시스템의 상호작용 | 생물권(숲)이 기권(산소)과 지권(석탄)을 동시에 바꾼 연쇄. 권역 간 물질 순환의 대표 사례 | [10통과1-03-01] |
| 통합과학2 — 산화와 환원 | 화석 연료의 기원. 지금 태우는 석탄이 3억 년 전 묻힌 탄소이며, 태우는 순간 그때 남긴 산소를 되쓴다 | [10통과2-01-03] |
| 지구시스템과학 — 탄소·산소 순환 | 유기 탄소 매몰이 대기 산소를 좌우하는 원리. 지권·기권·생물권의 장기 되먹임 | [12지시01-02] |
영상 준비 중입니다
기획안 — 「매만 한 잠자리가 가능했던 공기」
곤충은 확산으로, 사람은 혈액 순환으로 산소를 옮깁니다. 왜 곤충은 순환계를 발달시키지 않았을까요? 작은 몸에서 확산이 갖는 장점은 무엇일지 생각해 보세요.
산소가 높으면 산불이 늘고, 산불이 늘면 식물이 줄고, 식물이 줄면 산소가 줍니다. 028의 얼음–알베도 되먹임과 비교해 보세요. 두 되먹임은 무엇이 다르고, 그 차이가 지구 시스템에 어떤 의미를 가질까요?
우리는 지금 석탄기에 묻힌 탄소를 파내 태우고 있습니다. 3억 년에 걸쳐 저장된 것을 수백 년 만에 되돌리는 셈입니다. 물질 수지 관점에서 이 행위를 한 문장으로 설명해 보세요.
이 글은 위 자료들을 확인해 직접 작성한 것입니다. 특정 저작물의 문장을 옮기거나 요약하지 않았습니다. 사실 관계에 오류가 있다면 알려주세요.