지구 진화 작업 모델 및 원시지구의 대기 조성

1950년대 중반에 캐나다의 건플린트 줄무늬철광상에 속한 검은색을 띤 처트 층에서 미생물 화석이 발견되었다. 이들 화석의 중요성을 처음으로 지적한 사람은 미국의 고생물학자 프레스턴 클라우드이다. 클라우드는 1960년대에 원시지구의 생물 진화와 지구 표층 환경의 변화를 바탕으로 지구의 역사를 구분하는 모델을 제시했다. 클라우드는 1960년대 중반에 건플린트 줄무늬 철광상의 검은색 처트 층에 함유된 미화석을 분석해 다양한 미생물로 이루어진 생태계의 존재를 알아냈다. 19억 년 전에 지구의 생물은 이미 많이 진화한 상태라는 것이다. 그는 그 후 바로 지구와 생물의 역사를 밝히려는 시도를 '원시지구의 작업모델'이라는 논문으로 정리했다. 클라우드는 지구의 역사에서 생물 진화의 단계를 화학진화의 단계, 원핵생물의 단계, 진핵생물의 단계, 다세포 동물의 네 단계로 나누었다. 원시지구의 작업 모델은 이들 단계가 언제 성립했는지를 지질학적 증거를 바탕으로 특징을 구분하려는 것이다. 지구의 역사는 생물 진화의 단계에 따라 시생대, 원생대 초기, 원생대 후기, 현생누대로 나눈다. 시생대는 화학진화가 진행하여 생명이 탄생하기까지의 단계, 원생대 초기는 광합성을 하는 시아노박테리아가 출현하여 대기와 해양 속에 산소가 늘어나기 시작하는 단계, 원생대 후기는 대기나 해양이 산화되고 다세포동물이 출현하기 전까지의 단계, 현생누대는 다세포동물이 출현하여 대형 화석이 산출되는 단계이다. 클라우드는 화석이나 줄무늬철광상, 적색사암의 형성 연대를 바탕으로 이들 시대의 경계를 정하려고 했다. 클라우드가 나타낸 그림에 보이는 이들 시기는 당시의 지질학적 데이터에 바탕을 둔 것이므로 현재의 지식과는 어긋나는 부분도 있지만 사고 방법은 현재도 통용된다. 화학진화는 약 32억 년 전에 시작된 것으로 규정하고 있으나, 오늘날에는 40억 년 전에 시작됐을 것으로 본다. 클라우드 모델에서 중요한 부분은 원핵생물에 속하는 시아노박테리아가 광합성을 시작해 지구의 산소 농도가 풍부해졌다는 부분이다. 시아노박테리아 매트의 흔적이 스트로마톨라이트이며, 지구 산소 농도의 변천을 보여주는 지층이 줄무늬철광상이나 적색사암이라는 것이다. 클라우드는 이러한 지층이 형성된 연대를 그래프로 나타내고, 줄무늬철광상이라는 지층이 시생대에서 원생대 초기에만 형성된 특이한 지층임을 명확히 하였다. 또한 지구환경의 변천에서는 산소 농도의 증가나 빙하시대 도래와 같은 사건이 있었고, 진핵생물과 다세포동물이 출현했다는 견해를 표현하고 있다. 1960년대부터 오늘날에 이르는 연구는 클라우드가 지질학적 증거로 제시한 지층을 상세히 분석하거나 새로운 증거를 탐색하고, 단계가 바뀌는 시기를 단축하는 등 대체로 클라우드의 모델을 뒷받침하려는 것이다. 46억 년 전, 지구는 다수의 미행성이 충돌해 합체를 되풀이하면서 형성되었다. 원시지구는 성장할수록 중력이 커져 주위의 작은 미행성을 끌어모아 성장했다. 성장과 더불어 미행성이 충돌해 오는 속도는 빨라지고, 충돌점과 가까운 물질은 충격파로 고온 고압 상태가 될 뿐만 아니라, 격심한 충격파에 의해 기계적으로도 파괴된다. 이러한 물질은 지표에 크레이터가 형성될 때 흩날려 광범위하게 흩어진다. 천체 충돌이 일어난 장소는 서서히 열을 뿜으며 냉각되지만, 다 식기 전에 미행성이 또다시 충돌하면 지표의 온도는 그대로 높은 상태가 된다. 이리하여 지표의 온도는 올라가고, 마침내 마그마의 바다로 덮이게 되었다. 동시에 충돌로 고온 고압 상태에 놓인 물질에서 휘발성 물질이 증발해 대기를 형성했다. 이것이 바로 원시대기이다. 미행성에 함유된 휘발성 물질은 대체로 물이나 이산화탄소이므로, 원시지구를 덮은 대기는 주로 수증기와 이산화탄소일 것으로 추측한다. 이러한 원시대기의 모습은 지구 이외의 행성, 즉 화성이나 금성에서 볼 수 있다. 이렇게 생긴 행성 대기의 주성분은 이산화탄소이며, 이는 옛날에 물이 풍부했음을 시사한다. 그림 5-3에 금성, 지구, 화성의 대기 조성이 나타나 있다. 원시지구의 대기 조성도 이들 행성과 비슷했으리라는 상상은 그리 어려운 일이 아니다. 그러면 원시대기 중에는 산소가 전혀 없었을까? 답은 '그렇지 않다'이다. 현재 지구에서 산소 분자는 광합성 반응의 부산물로 식물이 만들고 있다. 이러한 광합성 생물이 존재하지 않았을 때도 지구에는 산소를 만드는 화학반응이 있었다. 그것은 대기 상층에서 일어난 일련의 광화학반응에 의한 물의 분해 반응이다. 대기 상층에서 광화학반응은 거의 확고한 상태에 있기 때문에 생성된 산소는 대부분 다시 수소와 반응하여 물 분자로 돌아간다. 즉 대기 상층에서 산소 분자는 생성과 소멸을 반복한 셈이다. 이러한 반응으로 생성된 산소 분자의 순생성률은 광분해로 생성된 수소 가운데 우주 공간으로 날아가버린 양이 어느 정도인지에 따라 결정된다. 그 양은 대기압이나 온도, 대기 조성에 따라 달라지나, 제임스 캐스팅이 계산한 표준 모델에 따르면 1년 동안에 생성되는 산소 분자의 생성률은 단위면적당 매초 약 7천만 개다. 이렇게 만들어진 산소는 그대로 대기 중에 축적되지 않고 지하에서 공급되는 화산가스인 수소, 메탄, 황화수소 등의 환원 물질과 반응하여 사라진다. 이들 환원 물질의 공급량은 1년 동안 생성되는 산소의 양보다 훨씬 많으므로 물의 광분해로 생성된 산소가 유지하는 산소 분압은 매우 작은 값에 머물렀을 것이다. 그림 5-4는 대기를 이루는 주요 구성 성분의 존재도를 지표 고도 함수로 나타낸 것이다. 이 그림에 나타나 있는 것처럼 원시지구의 지표 부근에서는 산소 분자의 존재도가 매우 낮았다.