산소, 질소, 탄소의 순환 - 생물지구 화학적 순환

산소가 가장 많은 저장소는 지각과 맨틀의 규산염과 산화 광물 안에 들어 있다. 극히 일부만이 자유 산소로서 생물권과 대기로 방출된다. 대기권 산소의 주 원천은 광합성이며 이산화탄소와 물로부터 당분과 산소를 만든다. 산소의 순환은 산소가 대기권, 생물권 안의 생물에 들어있는 총량, 압권 안에서 움직이는 현상을 가리키는 생물지구 화학적 순환이다. 수권 안에서 산소의 순환이 실패하면 저산소 지역이 나타날 수 있다. 산소의 순환을 일으키는 주된 요인은 현대 지구의 대기와 삶을 책임지는 광합성이다. 대기 산소는 광해리에서도 나온다. 여기서 고에너지 자외선은 대기의 물과 아산화질소를 분자 원자로 분리한다. 대기에서 산소를 잃는 주된 요인은 강수와 부패이며 여기서 짐승과 박테리아는 산소를 소비하고 이산화탄소를 내보낸다. 압권 광물이 산소로 산화되어 있으므로 노출된 암석이 풍화를 일으키면 산소를 소비할 수도 있다. 풍화 작용의 한 예로 산화철의 형성이 있다. 산소는 생물권과 암석권 사이에서 순환하기도 한다. 생물권의 해양생물은 산소가 풍부한 탄산칼슘 물질을 만들어낸다. 생물이 죽으면 껍질은 깊은 해저 위에 분해되어 오랜 시간 묻히면 암석권에서 석회암을 만들어낸다. 생물이 만들어낸 풍화 작용은 암석으로부터 산소를 가져오기도 한다. 식물과 짐승은 암석으로부터 영양물질을 가져와서 이 과정이 일어나는 가운데 산소를 내보낸다. 대기에 산소가 존재하면 성층권에 오존과 오존층을 만든다. 이 오존층은 해로운 자외선을 흡수하므로 생물에 매우 중요하다. 질소의 순환은 질소가 다양한 화학 형태로 바뀌는 과정을 가리킨다. 이러한 변화는 생물학적인 과정과 미생물학적인 과정을 둘 다 거칠 수 있다. 질소의 순환은 질소고정, 광화작용, 질화작용, 탈질소 작용이라는 중요한 과정을 거듭한다. 지구 대기권 대부분이 질소이다. 대기의 질소는 생물학적 이용에는 사용할 수 없지만 이용할 수 있는 질소의 부족분을 다양한 형태의 생태계로 끌어낸다. 질소의 순환은 생태학자에게는 특히 관심을 끄는데 질소 이용 가능성은 일차 생산과 부패를 포함한 생태계 과정의 속도에 영향을 미치기 때문이다. 화석 연료 연소, 인공 질소 비료 사용, 폐수로의 질소 방출과 같은 인간 활동은 극적으로 지구 질소의 순환을 바꾸어 놓고 있다. 탄소 순환은 지구상의 생물권, 압권, 수권, 기권 사이에서 행해지는 탄소의 생화학적인 순환이다. 탄소 순환은 지구의 화학적 진화와 열적 진화에 매우 중요한 역할을 한다. 탄소는 수권에 압도적으로 많이 존재하지만, 수권에 존재하는 탄소보다는 기권에 존재하는 탄소가 훨씬 더 중요한 의미를 가진다. 특히 지구 기후 변동과 관련하여 기권을 중심으로 한 탄소의 공급과 제거는 매우 중요한 현대 과학의 화두이다. 탄소는 기권에서 주로 이산화 탄소의 형태로 존재한다. 이산화 탄소는 탈탄소화 과정에 이은 화산 분출, 유기 탄소의 용기, 화석 연료의 연소, 침식, 그리고 생명체의 호흡 등에 의해 기권으로 공급된다. 이 중에서 지질 시대 동안 가장 중요한 역할을 한 것은 화산 분출에 의한 이산화탄소의 발생이다. 생명체의 구성 성분인 탄소는 이산화 탄소의 형태로 대기 중에 존재하거나 물에 녹아 있다. 녹색 식물과 같은 생산자는 대기나 물로부터 이산화 탄소를 흡수하여 유기물을 생산한다. 이렇게 생산된 유기물의 일부는 생산자의 호흡에 의해 분해되어 이산화 탄소 형태로 대기 중으로 돌아간다. 나머지 유기물은 생산자의 몸을 구성하는 성분으로 이용되어 먹이 사슬을 따라 소비자로 이동한다. 소비자에게 전달한 유기물 속의 탄소는 소비자의 호흡에 의해 이산화 탄소 형태로 배출되어 대기나 물로 돌아가며, 한편 식물의 낙엽, 동물의 사체와 배설물 속에 들어 있는 탄소는 곰팡이, 세균과 같은 분해자에 의해 이산화 탄소로 분해되어 대기나 물로 돌아간다. 생물의 사체 중 분해되지 않은 유기물은 땅속이나 해저 등에 쌓여 퇴적층을 이루고, 오랜 기간을 거쳐 석탄이나 석유와 같은 화석연료로 변한다. 화석연료는 인간에 의해 연소하여 이산화탄소 형태로 다시 대기 중으로 돌아간다. 탄소는 화산 분출에 의해 암석에서 제거되며, 이산화 탄소의 형태로 기권에 공급된다. 이러한 과정에 의한 탄소 순환은 주로 섭입대에서 발생한다. 해양판의 상부를 덮고 있는 석회암은 섭입대에서 지구 내부로 침강한 뒤 깊은 곳에서 높은 압력과 열에 의해 다른 규산염 광물과 반응을 일으킴으로써 이산화탄소를 배출한다. 이것은 차후에 화산 분출을 통해 기권으로 유입된다. 다음은 이 과정을 나타내는 화학 반응식이다. 과거 지질 시대에 퇴적되어 지하 깊은 곳에 매장되어 있던 유기 탄소는 조산 운동의 결과 지표로 융기하기도 한다. 이러한 유기 탄소가 기권의 산소와 반응하여 산화되면 기권으로 이산화 탄소가 유입된다.

 

이러한 사례를 통해 생물체가 지구 환경 변화에 깊숙이 개입되어 있음을 알 수 있다. 유기 탄소는 생물체의 유해이거나 부산물이기 때문이다. 탄소는 규산염 광물이 화학적으로 풍화될 때, 그리고 수권에 용해될 때, 그리고 생물의 광합성에 의해 기권에서 제거된다. 이산화 탄소는 기권과 수권의 접촉부에서 수권으로 직접 용해되기도 하지만, 빗방울에 용해된 다음 강수의 형태로 공급되기도 한다. 그보다 더 중요한 것은 규산염 광물의 풍화와 침전에 의한 이산화 탄소의 제거이다. 이산화탄소가 용해된 빗방울은 약한 산성을 띤다. 이것이 바다가 아닌 대륙에 낙하할 때 대륙의 암석과 반응하여 금속 이온을 제거함으로써 암석의 화학적 풍화를 유발한다. 이산화 탄소가 녹은 빗방울은 칼슘 및 나트륨과 같은 이온을 암석에서 제거하면서 중탄산 이온이 된다. 중탄산 이온은 바다에서 칼슘 이온과 반응하여 앙금을 만들고 침전하여 해저에서 석회암을 만든다. 화학적 풍화의 화학 반응은 다음과 같다. 이 과정에 의해 대기에서 이산화 탄소 분자 두 개가 제거된다고 할 때, 하나는 탄산염으로 침전되고, 나머지는 하나는 기체 상태의 이산화 탄소가 되어 기권으로 돌아간다. 앙금 생성의 화학 반응은 다음과 같다. 생물의 광합성은 또 다른 주요한 이산화 탄소 제거 원이지만 탄산염의 형성을 통한 제거만큼 중요하지는 않다. 생물의 광합성은 탄소를 생물체 내에 축적하는데, 이것은 생물이 죽을 때 압권으로 돌아간다. 탄산염 또한 압권의 구성 요소이므로, 탄소를 저장하는 가장 주요한 저장소는 압권이라는 사실을 알 수 있다. 황의 순환은 생물지구 화학적 순환의 일종으로서 원소로서의 유황이 다양한 화합물의 일부가 됨으로써 화학종을 바꾸면서 생태계 내를 순환하는 것이다. 유황은 대기, 토양, 수역에 존재하므로 유황은 공간적으로도 지구 전체를 순환하고 있다. 미생물에 없어서는 안 되는 역할을 하며 다양한 생화학적 물질에 유황이 존재한다. 효소, 단백질, 비타민, 호르몬 등을 만드는 데에는 유황이 중요한 원소이다.