지구 생명체의 진화(8). 5대멸종(I)

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<지구 생물체의 대멸종>

지구 생물 역사에서 대 멸종은 대중의 큰 인기를 끌어 수많은 책과 TV 다큐멘터리의 단골 손님이다. 1989년 <AP통신>이 대멸종을 ‘1980년대의 10대 과학발전’중 하나로 설명할 정도다.

대멸종이 큰 인기를 끈 것은 공룡의 멸종 때문이다. 공룡이라는 단어가 태어난 것은 불과 200여년도 채 안되지만 오늘날 공룡은 대중문화의 중요한 부분을 차지한다. 공룡을 소재로 제작된 스티븐 스필버그의 「쥬라기공원」의 대성공에 힘입어 매년 막대한 양의 관련 상품이 팔린다. 전 세계의 열 살 이하의 어린이들은 거의 모두 공룡에 매료되어 발음도 어려운 공룡 이름들을 줄줄 꿰고 있다.

이러한 엄청난 관심은 자연스럽게 왜 공룡이 우리와 함께 존재하지 않느냐이다. 적어도 공룡이 멸종한 이유가 흥미롭지 않을 수 없다.

학자들은 지구에서 단세포 세균까지 포함하여 약 35억 년 동안 생물체가 존재해 왔다고 추정한다. 그러나 거의 30억 년이 지나 비로소 유기체가 진화할 수 있는 지옥과 같은 조건들이 사라진 약 6억년 경 적게는 50억에서 최대 500억에 이르는 다양한 종들이 존재했다. 이들 종의 숫자는 불확실하지만 여하튼 이들 중 99.9퍼센트가 사라졌는데 이들이 점진적으로 사라진 것이 아니다.

이러한 관심은 과학자들로 하여금 생물의 멸종에 대해 연구토록 만들었는데 1982년 잭 셉코스키와 데이빗 라우프 박사는 지구상에서의 멸종은 공룡이 처음이 아니라 무려 5번이나 일어났다는 것을 발견했다. 이를 다섯 가지 대멸종(5 mass extinction) 즉 5대멸종으로 부른다.

뉴욕 반더빌트 박물관에 있는 여행비둘기 암수컷 표본

최근에 수많은 종들이 사라지므로 이에 대한 우려가 대단하지만 이들이 멸종하게 된 요인은 간단하다. 인간들이 이들을 사라지게 만든 것이다. 19세기 미국의 여행비둘기의 경우 하늘을 날면 하늘이 어두울 정도로 수가 많았다. 그러나 여행비둘기의 재난은 맛이 좋았고 깃털은 여자들의 모자 장식으로 유행하였다. 그러므로 1941년 그 종의 마지막 한 마리가 동물원에서 죽음으로 끝이 났다. 도도새도 인간들의 사냥으로 멸종되었고 털북숭이 매머드도 마지막 빙하기 이전에 원시 사냥꾼 손에 같은 운명을 받았다고 추정한다.

도도새 모형

그러나 이런 인간의 행동은 지구 역사상 있었던 5번의 대멸종을 설명해주지 못한다. 당시에는 긴 시간 동안 동물에 손상을 입힐 인간과 같은 치명적인 존재가 없었는데도 사라진 것이다.

 

① 1차 대멸종 :

1차 대멸종은 고생대 오르도비스기(5억500백만〜4억3000만 년 전) 말인 4억4,300만년 전 즉 오르도비스기와 실루리아기의 경계에서 일어났는데 이때는 바다에만 무척추동물이 번성했다.

고생대 오징어인 거대 앵무조개와 같은 두족류를 포함한 무척추동물 외에도 삼엽충, 완족류, 필석류 등 다양한 생물이 모두 풍부했다. 오르도비스기에는 지금과 달리 남반구에 곤드와나 대륙(Gondwana)이라고 불리는 대륙이 있었고 북반구는 거대한 대양이었다. 바다 깊은 곳에 있던 생물들이 산소가 부족해 대륙의 얕은 바다로 올라와 해양 생물계를 지배했다. 오르도비스기는 지구 역사상 가장 생물 다양성이 팽창한 시기였다.

 

오르도비스기의 바다

학자들은 고생대 오르도비스기 초기와 중기의 지구는 생명체가 살기 적합한 습도와 기온을 가지고 있었다고 생각한다. 그런데 오르도비스기가 끝날 무렵 갑작스런 기후변화가 발생한다. 현재의 남반구 땅 전체를 포함하고 있던 과거의 초대륙 곤드와나(Gondwana)가 남극에 도달하더니 기온은 급격히 떨어졌고 사방은 얼음으로 뒤덮였다. 이어서 해수면 수위가 낮아지자 대기와 해양의 이산화탄소 농도가 급격히 떨어지기 시작했다.

지구의 생태계가 파괴되자 식물의 수가 급감했다.

1차 대멸종은 5번의 대멸종 중 두 번째로 큰 것으로 당시 해양에 살고 있던 생물의 50% 멸종. 해양 무척추 동물의 100여 과(family) 멸종. 완족류, 이끼 벌레 등 태선류의 2/3가 멸종, 삼엽충, 필석류, 극피 동물 그리고 코노돈트의 쇠퇴 등이다. 코노돈트는 오늘날의 뱀장어와 비슷하게 생긴 해양생물이다.

코노돈트 복원도

이와 같은 대 멸종이 일어난 요인은 워낙 오래전의 사건이므로 정확한 연구조사가 이루어진 것은 아니다. 대표적인 가설로는 초대륙의 극지로 이동, 바닷물의 빠짐, 열대 지방의 냉각, 먹이 사슬의 붕괴, 담수가 해수를 침범하며 바다에 층이 생기고 그로 인해 부족해진 심해의 산소, 빙하기 기후 등을 열거한다. 또한 감마선 폭발, 약 6400만 년 주기로 우리 은하를 나갔다 돌아오는 태양계가 우리 은하 밖으로 노출된 상태에서 발생한 뱃머리 충격파로 인한 치명적 우주선(宇宙線) 직격, 애팔래치아 산맥분화 등이 거론되고 있다.

지구가 오르도비스기 대멸종 이후 완전히 회복되기까지는 500만 년이 걸렸고 완전히 속이 도려내진 생태계는 살아남은 생물군들에게 새로운 기회를 제공해 천천히 지구의 모습과 유사해지기 시작했다.

 

② 2차 대멸종

데본기는 4억2천만에서 3억 6천만 년 전까지 6천만 년 동안 지속되었는데 데본기에 이르러서야 식물이 마른 대지 위에 출현하여 빠른 속도로 퍼져나갔다. 또한 바다에서는 오르도비스기 대멸종 이후 우리의 원시 선조인 어류가 바다를 점령했다. 즉 데본기에 지구는 어류시대(Age of Fishes)였다.

데본기는 한순간의 멸종이 아니라 비교적 긴 기간을 두고 일어난 멸종 박동(extinction pulse)으로 설명되는데 데본기 후세 때 프라슨절에서 파멘절로 넘어가는 시기인 약 3억 7,250만년 전에 발생한 켈바서 사건(Kellwasser), 데본기에서 석탄기로 넘어가는 시점인 약 3억 6,000만년전에 발생한 한겐베르크(Hangenberg) 사건으로 나뉜다.

1차 대멸종 후 지구에는 드디어 오존층이 형성됐고 육상 생물이 출현했다. 고생대 데본기 말 당시 지상에는 식물과 거미, 전갈과 같은 생물체들이 존재했으며 2차 대멸종이 있기 바로 직전 최초의 양서류라고 할 수 있는 생물체가 해안에 나타났다. 엘피스토스테갈리아(elpistostegalians)라 불리는 이 생물체는 실러캔스(coelacanth)라는 대형 어류의 먼 친척이다. 실러캔스는 고생대 데본기에서 중생대 백악기까지 바다에 생존한 물고기로 5,000만 년 전 멸종됐다고 알려졌으나 현재도 생존하고 있어 '살아있는 화석'이라 불린다는 것을 앞에서 설명했다.

 

데본기의 생물 폭발

켈바서 사건으로 해양 무척추동물들이 막대한 타격을 받았다. 이어진 한겐베르크 사건은 해양 생태계와 지상 생태계 모두에 영향을 미쳤는데. 두족류, 복족류, 완족류 등이 쇠퇴하고, 갑주어와 판피어 등이 멸종했다. 고생대의 대표 화석 중 하나인 삼엽충은 프로에투스 목을 제외한 나머지 목이 전부 멸종하는 등 종의 70%가 사라졌다. 이로 인해 석탄기 때부터는 보다 현대적인 동물상이 나타나게 된다.

이후 일어난 한겐베르크 멸종으로 알려진 대량멸종은 대형 물고기들은 대부분 멸종하고 작은 물고기들이 바다를 지배하게 되었다고 인식한다. 이는 시절이 좋을 때는 큰 물고기가 더 유리하지만 재난이 일어난 후에는 작은 물고기가 살아가는데 유리하다는 것을 의미한다.

펜실베니아 대학의 로렌 살란 박사는 한겐베르크멸종 전에는 커다란 생명체가 일반적이었지만 최소한 멸종 이후 4000만 년 동안 눈에 띄게 작은 물고기들이 바다를 지배했다고 설명했다. 당시 대형 물고기들이 사라진 후 바다는 모두 정어리 정도 크기였다는 것이다.

이것은 작고 빠르게 번식하는 물고기가 멸종 이후의 불안정한 환경에서 커다란 동물들보다 진화적으로 유리했다는 것을 의미한다.

프로펜과 HBr의 반응에서 증명된 마르코브니코프의 법칙

학자들은 오랫동안 동물 몸 크기의 변화를 일으키는 원인에 대해 논쟁해 왔다. 주요 이론 중 하나는 ‘코프의 법칙’으로 알려지는데 이 이론에 따르면 어떤 종들로 이루어진 그룹에서 시간이 지남에 따라 몸 크기가 점점 커지는데 이는 몸이 클 경우 잡아먹히는 경우가 줄어들고 먹이를 더 잘 잡을 수 있게 되기 때문이라는 것이다. 또 다른 이론은 산소 농도가 높아질수록, 혹은 기후가 추워질수록 몸이 커지게 된다는 것이다.

한겐베르크 멸종을 전후한 몸크기 변화를 추적하기 위해 살란 박사는 4억 1900만 년 전부터 3억 2300만 년 전의 기간에 걸치는 1,120 종의 어류 화석에 대한 몸크기에 대한 정보를 수집했다.

우선 이들은 코프의 법칙에 따라 데본기 동안인 4억1900만 년에서 3억5900만 년 전까지 척추동물의 몸 크기는 점차적으로 증가했다는 것을 발견했다. 데본기 말에는 ‘판피어류(Placodermi) 의 일종인 절경어류(Arthrodira)는 날카롭고 거대한 턱을 가지고 있었으며 몸크기가 학교 버스만한 크기였다. 또 현생 네발동물, 즉 육상 척추동물의 친척 중에도 대형이 많았다. 물론 작은 척추동물도 있었지만 대부분의 척추동물의 몸크기는 1미터 이상이었다.

판피어류(Placodermi)

그리고 대량멸종이 일어나 척추동물 종의 97퍼센트가 사라졌고 이후 몸크기가 줄었는데 이 기간이 최소한 4000만 년 동안 지속되었다는 것이다. 흥미로운 것은 대형으로 일컬어지는 상어도 몸길이 1미터 이내로 줄어들었으며 대부분의 물고기와 네발동물의 몸길이는 10센티미터 이내로 극단적으로 작아진 것이다. 물론 이들이 그 이후 인류를 포함하여 모든 지배적인 동물들의 조상이 되었다.

 

데본기

살란 박사는 이들 이유를 조사하기 시작했다. 공기 중 산소 농도나 기온과 몸크기를 관련시키는 기존의 이론들을 포함하여 몸크기의 변화 경향을 당시의 기후 모델과 비교했는데 그들의 결론은 다소 놀랍다.

 

‘기온이나 산소 농도 어느 쪽과도 연관성이 없었다. 오늘날은 물론 과거의 척추동물들에 대해 가정해왔던 모든 것을 뒤집어 엎는 결과이다.’

 

살란 박사는 이런 경향이 순전히 생태학적인 요인 때문이라고 설명했다. 이 말은 대량멸종으로 인해 『걸리버 여행기』에 나오는 난쟁이를 뜻하는 '릴리풋 효과', 즉 작은 유기체가 생존에 유리해지는 효과가 생겨 지속되었다는 것이다. 이 말은 다음과 같이 설명된다.

 

‘멸종 이전에는 생태계가 안정적으로 번성해 예를 들면 유기체가 큰 몸집을 가질 때까지 시간을 들여 성장한 후에 번식을 해도 문제가 별로 없었다. 그러나 멸종 이후에는 그런 전략이 장기적으로 볼 때 나쁜 전략이었다. 한마디로 작고 빠른 속도로 번식하지 않으면 살아남을 수 없게 된 것이다.’

 

이런 패턴은 식물에게도 적용된다. 예를 들면 숲에 불이 난 후 빠르게 자라는 풀들이 해당 지역을 먼저 차지하고, 그 다음은 관목이 자라고 나중이 되어서야 커다란 나무가 자리를 잡게 된다. 이 과정이 작은 규모에서 일어날 때는 수십 년 정도면 되지만 수백만 년에 걸쳐 바다에서 일어난 생태계 및 전지구적 규모의 과정과도 잘 맞아들어간다는 설명이다.

여하튼 데본기 중세에서 후세로 넘어가는 시기의 지층을 보면 해저의 산소량이 감소하고, 동시에 탄소 매장이 폭증했으며 이에 따라 저서성 생물들이 막대한 타격을 받았다는 증거가 나온다.

대멸종의 요인은 기온이 급격하게 낮아졌기 때문인데 데본기 때 표면온도가 34℃에서 26℃까지 떨어졌다고 한다. 켈바서 사건때는 잦은 해수면 변화를 겪었으며, 한겐베르크 사건 때는 빙하기의 도래로 인한 해수면 하강에 뒤따른 급격한 해수면 상승과 관련이 있다. 이러한 급작스러운 기온변화로 피터 브레넌 박사는 소행성 충돌 가설을 중심으로 미국에 가스가 풍부한 검은 셰일이 있는 이유를 설명했다. 그는 데본기의 지구 생태계를 엿볼 수 있는 길보아 화석 숲(Gilboa fossil forest), 체서피크만(Chesapeake Bay), 메릴랜드 서부(Western Maryland) 등에서 데본기 대멸종의 원인으로 여겨지는 식물의 확산과 방대한 양의 이산화탄소 소비, 부영양화로 인한 적조 현상 및 산소 결핍, 종자식물의 등장과 확산, 급격한 기온 하강과 대륙적인 빙하작용, 외부 종의 침입 등을 대멸종의 요인으로 꼽았다. 그 중에는 초신성 대폭발 영향 설도 있다