스트로마톨라이트의 발견

원시지구에서는 산소가 부족했으나 현재는 산소가 대기 성분의 20퍼센트를 차지한다. 즉 지구 대기에 산소를 만든 광합성 생물은 지구사의 어느 한 시점에 나타나 활발하게 광합성반응을 시작했다. 광합성 생물의 탄생은 식물이 땅 위로 진출하는 4억 년 전보다도 오래되었으며, 다양한 동물 화석이 갑자기 출현하는 약 5억 4000만 년 전의 캄브리아기 대폭발보다도 훨씬 더 과거로 거슬러 올라간다. 지질학자는 초기 생명의 흔적을 찾아 세계 각지의 선캄브리아대 지층을 조사해왔다. 이러한 연구에서 연구자들의 주목을 받은 지층으로 스트로마톨라이트(층상 구조를 가진 퇴적암의 일종)가 있다. 스트로마톨라이트에는 지질학자가 엽층(lamina)이라고 부르는 가느다란 줄무늬 모양이 있는데, 삼각뿔 모양, 돔 모양 등 여러 가지 형태가 있다. 그러한 지층은 20세기 초에 발견되었으나 그 구조가 어떤지는 오래도록 수수께끼였다. 1960년에 웨스턴오스트레일리아의 샤크 만(Shark Bay) 안쪽 해안인 해멀린 풀(Hamelin pool)에서 선캄브리아대 스트로마톨라이트와 똑같은 구조가 다수 발견되어, 스트로마톨라이트가 무엇인지 정확하게 이해하게 되었다. 해멀린풀의 스트로마톨라이트는 모래땅의 얕은 여울에 마치 거대한 버섯처럼 해면에 줄지어 서 있다. 그 표면은 치밀한 암석질이고, 주위의 흰 모래땅 해변과 달리 새까만 색이다. 그리고 대기에 노출된 끝부분만 오렌지색으로 변색되어 있다. 이 검은 착색물을 조사한 결과, 광합성을 하는 원핵생물인 시아노박테리아라는 것이 밝혀졌다. 시아노박테리아는 광합성을 하므로 옛날에는 식물의 무리로 분류되었다. 그러나 시아노박테리아에는 핵이 없기 때문에 지금은 조류나 식물과는 명확하게 다른 생물종으로 분류된다. 이러한 분류 기준에 따라 시아노박테리아는 원핵생물인 세균의 무리에 속한다. 생물의 계통 관계를 조사한 연구에 따르면, 광합성을 하여 산소를 만드는 생물 가운데 가장 계통이 오래된 그룹에 속한다고 한다. 즉 지구에서 처음으로 광합성을 하여 산소를 만든 생물이 바로 시아노박테리아라는 것이다. 선캄브리아대 스트로마톨라이트의 표면에는 시아노박테리아의 매트가 있으며, 이 발견으로 광합성 반응이 활발했음을 알게 됐다. 그러면 선캄브리아대 스트로마톨라이트의 단면에 보이는 줄무늬 모양은 어떻게 해서 생겼을까? 이것도 오랫동안 수수께끼였지만, 현재 생성되는 스트로마톨라이트를 관찰한 결과 생성 과정을 밝혀냈다. 그림 5-7은 스트로마톨라이트의 생성 과정을 보여주는 모델이다. 스트로마톨라이트의 표면에 붙어사는 시아토박테리아는 광합성을 한다. 스트로마톨라이트는 현재 지구에 약 5000종이 있으며, 그들은 종에 따라 약간씩 형태가 다르다. 그림에는 스키조트릭스(Schizothrix)라는 그룹과 오스킬라토리아(Oscillatoria)라는 그룹을 소개했다. 스키조트릭스 그룹은 햇빛을 찾아 표면에 돋아나듯 부착되지만, 밀물 때 자잘한 모래가 흘러오면 이러한 종이 만드는 매트에 모래알갱이가 달라붙어 스트로마톨라이트는 조금씩 성장한다. 그 후 표면에 가로놓이듯 서식하고 있는 오스킬라토리아 그룹이 태양광을 찾아 모래 표면으로 나와 모래 층을 고정시킨다. 마침내 모래는 석회질 침전물에 의해 단단해지고, 버섯 모양의 형태로 성장해간다. 이 모델에 따르면 스트로마톨라이트의 줄무늬 모양은 하루에 하나씩 형성되는 셈이다. 이러한 견해와 달리, 하루에 하나씩 생기는 얇은 줄무늬 모양은 속성작용으로 사라지고, 홍수나 태풍으로 모래가 대량으로 운반될 때 형성된 층만 줄무늬 모양으로 남을 것이라는 견해도 있다. 스트로마톨라이트가 생물에서 기원했는지 여부를 인정하는 조건으로 줄무늬 모양이 있는 것, 줄무늬 모양이 위로 볼록하고 정상부에서 두껍고 측면으로 얇아지는 것 등이 있다. 그러나 선캄브리아대 초기 지층에서 발견된 스트로마톨라이트는 가장 오래된 것일 가능성이 있기 때문에 그 해석을 둘러싸고 논쟁이 끊이지 않고 있다. 그림 5-8은 웨스턴오스트레일리아의 필바라에서 발견된 약 35억 년 전의 스트로마톨라이트의 스케치이다. 주변 지역에서 시아노 박테리아 모양의 생명 화석도 발견되었기 때문에 1980년대에는 이것이 가장 오래된 스트로마톨라이트로 주목을 받았다. 만약 그렇다면, 광합성을 하여 산소를 만드는 미생물은 35억 년 전에 이미 지구에 출현한 셈이다. 그러나 1990년대가 되자 이것이 정말 생물에서 기원했는지를 둘러싸고 논쟁이 시작되었다. 어떤 지질학자는 이 구조가 위로 불록하지만, 가로 방향으로 압축되어 생긴 습곡 구조라고 해석하여 생물에서 기원한 것이 아니라고 주장했다. 또한 이 지층이 발견된 지역의 지질을 조사한 일본 도쿄 공업대학 연구 그룹은 이것들이 당시의 해령 부근에 생긴 열수분출구의 침전물이라고 주장했다. 그리고 주변에 분포하는 현무암의 변성도는 그곳이 당시 수심 1500미터의 해저에 있었음을 시사했다. 그렇다면 스트로마톨라이트 지층의 표면에 광합성을 하는 시아노박테리아의 매트가 있었다고는 생각하기 어렵다. 이러한 수정에 따라 이제까지 발견, 보고된 스트로마톨라이트 가운데 27억 년 전보다 오래된 것들을 과연 시아노박테리아가 구축한 것인지가 의문으로 남게 되었다. 이제 35억 년 전에 시아노박테리아가 이미 출현했다는 견해는 크게 흔들리고 있다. 그러면 시아노박테리아가 출현한 확고한 증거를 찾으려면 어디까지 거슬러 올가야 할까? 시생대의 스트로마톨라이트는 남아프리카, 캐나다 등지에서 몇 가지가 발견되었다. 그것들을 검토한 결과, 단지 가느다란 줄무늬 모양이 확인된다거나 규모가 작아서 안정 대륙의 얕은 해역에서 발달한 것으로 보기에는 어려운 점이 있었다. 그에 비해 27억 년 전 이후에 생긴 안정 대륙 가장자리의 얕은 해역에서는 대규모의 스트로마톨라이트 구조가 발달한 탄산염암이 형성된다. 특히 캐나다 북부의 그레이트슬레이브 호 주변에 노출된 탄산염암 속의 스트로마톨라이트는 웨스턴오스트레일리아의 해멀린풀에서 발견된 현생 스트로마톨라이트와 그 형태가 아주 비슷하며, 해안 일대에 널리 시아노박테리아가 번식한 것이 확인되었다. 그것들이 형성된 연대는 19억 년 전이다. 시아노박테리아가 언제 출현했든지, 그들의 흔적이 지층이나 화석으로 남은 것은 안정 대륙의 가장자리 부분에 대규모 스트로마톨라이트가 형성된 27억 년 전 무렵일 것으로 추측하고 있다.