[논문 리뷰] The Case for a Hot Archean Climate and its Implications to the History of the Biosphere

David Schwartzman|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 01.

Paleontology and Stratigraphy of Fossils참고 문헌 80인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 고생대 지구가 오늘날보다 현저히 따뜻한 기후를 가졌다고 주장하며, 흑연질 퇄석 내 산소 동위원소 데이터, 단백질 안정성 복원, 높은 pCO₂ 수준, 해수의 점성 추정치 등 여러 근거를 제시한다. 이와 같은 뜨거운 기후는 태양의 광도가 낮았음에도 지속되었으며, 주요 진화 전환의 시기와 속도를 결정하는 데 온도 제약이 핵심적인 역할을 했음을 시사한다. 이는 산소 광합성의 출현과 체세포의 진화를 포함한다.

ABSTRACT

The case for a much warmer climate on the early Earth than now is presented. The oxygen isotope record in sedimentary chert and the compelling case for a near constant isotopic oxygen composition of seawater over geologic time support thermophilic surface temperatures prevailing in the Archean, with some support for hot conditions lasting until about 1.5 billion years ago, aside from lower temperatures including glacial episodes at 2.1-2.4 Ga and possibly an earlier one at 2.9 Ga. Other evidence includes the following: 1) Melting temperatures of proteins resurrected from sequences inferred from robust molecular phylogenies give paleotemperatures at emergence consistent with a very warm early climate. 2) High atmospheric pCO2 levels in the Archean are consistent with high climatic temperatures near the triple point of primary iron minerals in banded iron formations, the formation of Mn-bicarbonate clusters leading to oxygenic photosynthesis and generally higher weathering intensities on land. These higher weathering intensities would not have occurred if seafloor weathering dominated the carbon sink, pulling down the temperature, hence this empirical evidence supports a hot climate and high carbon dioxide levels. 3) The inferred viscosity of seawater at 2.7 Ga is consistent with a hot Archean climate. 5) A cold Archean is hard to explain taking into account the higher outgassing rates of carbon dioxide, significantly smaller land areas and weaker biotic enhancement of weathering than present in the context of the long-term carbon cycle, taking into account the fainter Archean sun in climate modeling. This evidence points to an important conclusion regarding biological evolution, namely to the critical role of a temperature constraint holding back the emergence of major organismal groups, starting with phototrophs, culminating with metazoans in the latest Precambrian.

연구 동기 및 목표

• 다양한 지질학적 및 생화학적 증거를 통합함으로써, 기존의 고생대 기후가 차가웠거나 온난했다는 견해에 도전하는 것.
• 특히 CO₂ 농도가 높은 지속적인 온실가스 농도를 제안함으로써, 어린 태양의 역설을 해결하는 것.
• 온도 제약이 산소 광합성과 체세포 진화와 같은 주요 진화 혁신의 시기적 배치에 어떻게 영향을 미쳤는지 탐구하는 것.
• 풍화 강도가 높고, 밴드형 철산화물에서 광물 안정성이 높다는 점이 따뜻한 초기 지구와 일치함을 보여주는 것.

제안 방법

• 고생대 침전 흑연질 퇄석 내 산소 동위원소 비율 분석을 통해 표면 온도 역사 추론.
• 분자 계통수학을 이용해 고대 단백질을 복원하고 열 안정성 시험을 통해 초기 지구의 온도 추정.
• 밴드형 철산화물 내 주요 철 광물의 삼중점과 같은 광물학적 제약 조건 평가를 통해 대기 중 CO₂ 농도 추정.
• 27억 년 전 해수의 점성 추정치를 온도의 지표로 사용.
• 지속적인 탄소 순환 모델 통합을 통해 지구 내출가스, 풍화작용, 대기 중 CO₂의 균형 평가.
• 21억–24억 년 및 29억 년 사이의 빙하기 사건에 대한 실증적 자료 분석을 통해, 일반적으로 따뜻했던 고생대 내에서 냉각 기간을 식별하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어린 태양의 영향에도 불구하고 고생대 기후가 따뜻했음을 뒷받침하는 증거는 무엇인가?
• RQ2 분자 계통수학에서 복원된 고대 단백질의 안정성 분석이 초기 지구 표면 온도 추정에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 밴드형 철산화물 내 특정 광물 조합의 지속성은 왜 높은 대기 중 pCO₂가 필요로 하는가?
• RQ4 고생대 해수의 추정 점성이 어떻게 따뜻한 기후를 지지하는가?
• RQ5 온도 제약은 생물권의 주요 진화 전환의 시기 조절에 어떤 역할을 했는가?

주요 결과

• 고생대 흑연질 퇄석의 산소 동위원소 데이터는 해수의 동위원소 조성이 고생대 전반에 걸쳐 거의 일정했음을 시사하며, 이는 지속적인 열성 표면 온도를 뒷받침한다.
• 고대 계통의 단백질을 복원한 결과, 그들이 나타난 당시의 온도 추정치는 따뜻한 초기 지구와 일치하며, 일부 증거는 15억 년 전까지 연장된다.
• Mn-탄산염 클러스터의 형성과 밴드형 철산화물 내 주요 철 광물의 안정성은 높은 대기 중 pCO₂ 농도가 필요함을 시사하며, 이는 따뜻한 기후를 의미한다.
• 27억 년 전 해수의 점성 추정치는 고생대 기후가 뜨거웠음을 지지하며, 지구화학적 데이터의 열적 해석을 강화한다.
• 해저 풍화 작용이 주요 탄소 흡수원으로 작용하지 않는다는 점은 더 높은 대륙 풍화 강도를 암시하며, 이는 따뜻한 조건에서만 가능하다.
• 종합된 증거는 차가운 고생대 모델을 반박하며, 생물 진화의 속도에 영향을 미친 장기적인 따뜻한 기후를 지지한다.