네안데르탈인(26) : 연대측정(1)

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〈살아있던 흔적 측정〉

고인류에 대해 다루려면 몇 백 만년은 보통으로 나오는데 많은 사람들이 궁금하게 생각하는 것은 발표되는 연대가 정말로 맞느냐이다.

사실 인간의 역사는 고문서나 유물 유적과 같은 자료들을 연구함으로써 밝혀진다. 그러나 인간이 글자를 사용한 것은 그 절대 연도가 겨우 몇 천 년에 지나지 않는다. 더불어 제작 연대를 정확하게 알려주는 표시를 해둔 것도 많지 않아 그 자료들이 언제 제작된 것인지를 결정하는 것은 매우 중요한 연구가 된다.

고대 유물이 언제 제작되었는지 정확하게 파악하는 일은 기록이 남아있지 않아 베일에 가려져 있는 고대사를 규명하는데 매우 중요한 요건이 된다. 학자들은 고대에 살던 생명체이든 이들이 만든 유물의 정확한 연대를 측정할 수 있는 방법을 찾기 위해 총력을 기울여왔다.

현재까지 알려진 절대 연대 측정방법에는 C14 탄소연대측정법, 열형광법, 아미노산정량법, 핵분열비적법, 전자상자성공명법 등 10여 가지가 있다.

세계를 놀라게 했던 예수의 수의로 불려지던 토리노 수의가 가짜임을 증명한 것은 유명한 C14 탄소연대측정법에 의해서다. 이 방법을 개발한 사람은 1960년도 노벨화학상을 수상한 리비(Willard Frank Libby)다. 그는 제2차 세계대전 동안 원자폭탄을 제조하는 ‘맨해튼 계획’에도 참가했는데 그의 임무는 원자폭탄을 제조하는데 필요한 우라늄 동위원소를 분리하는 방법을 개발하는 것이었다.

불안정한 방사능 물질을 안정된 정상적인 물질로 변화시키는 핵의 자연 붕괴를 이용하여 각종 연대를 측정할 수 있다는 사실이 알려진 것은 방사성 물질이 발견된 지 얼마 지나지 않았을 때부터였다. 러더퍼드(Ernest Rutherford)는 1904년에 방사성 원소인 토륨이 어떻게 정해진 비율로 붕괴하여 시간이 지남에 따라 일련의 다른 원소들로 바뀌고 결국 납 형태로 안정화되는지를 설명했다. 이것이 '반감기'로 러더퍼드는 방사능 물질을 통해 지구의 나이를 측정할 수 있다고 예견했다. 이 당시 대부분의 학자들은 원자는 결코 파괴될 수 없다고 생각했기 때문에 이 같은 원소의 변환을 주장한 러더퍼드는 많은 학자들로부터 비난을 받았다. 그럼에도 불구하고 1905년에 미국의 B. 볼트우드는 방사성을 사용하는 측정법을 개발하여 지구의 나이는 적어도 22억 년, 태양계의 나이는 50억 년이라는 결론을 얻었다.

리비는 이들의 가설을 한 차원 높게 발전시켰다.

탄소에는 C12, C13, C14가 있다. 이 세 가지 탄소는 서로 무게가 다른 탄소로 동위원소라고 부르며 12, 13, 14는 무게를 나타낸다는 것을 모르는 사람은 없을 것이다. 처음에 있었던 C14를 1000개라고 하면, 5730년 후에는 원래의 반인 500개로 되고 다시 5730년이 지나면 다시 반인 250개, 1만7190년 후에는 125개로 줄어든다. 이러한 성질을 갖는 동위원소를 방사성동위원소라고 하는데 C14의 경우 반감기는 5730년이다.

대기 중의 이산화탄소는 탄소를 함유하고 있는데 그 대부분이 C12과 C13이고 C14는 지극히 미세한 정도밖에 함유되어 있지 않다. 대기 중의 이산화탄소에 함유되어 있는 C12의 양을 1이라고 하면 C13의 양은 0.01, C14의 양은

10^-12에 지나지 않는데 이 비율은 항상 일정하다.

리비가 착안한 원리는 간단하다. 생물이 죽으면 더 이상 대기 중의 이산화탄소를 흡수하지 못한다. 따라서 죽은 동물, 식물, 박테리아 안의 방사성 탄소인 C14는 붕괴되어 그 양이 점점 줄어든다. 반면 C12 또는 C13은 비방사성이므로 유기체가 죽어도 그대로 남아 있다. 다시 말하면 C14 대 C12, C13 비율은 유기체가 죽은 뒤 시간이 지남에 따라 감소하므로 일단 한번 살아 있던 물질이라면 이 비율을 측정하여 생명체가 언제 죽었는지를 알 수 있는 것이다.

리비는 생물체 안에서 C14 활동량을 감지하면 생물체가 살아 있던 시기를 측정할 수 있다고 생각하고 대단히 민감한 가이거 계수관(방사능 측정기)을 제작했다. 리비가 가장 신경을 쓴 것은 정상적인 방사능의 영향으로 그는 이것을 배제하기 위해 8인치 두께의 납으로 이 계수관을 둘러쌌다.

리비는 처음에 연대가 알려진 세콰이어 나무와 같은 자연물을 먼저 실험하여 기초 자료를 쌓았다. 그 후 연대가 잘 알려진 이집트의 세소스트리스 파라오의 무덤에 부장되어 있던 장례용 배의 갑판 나무를 실험했다. 실험 결과와 역사적으로 알려진 연대는 정확히 일치했다. C14를 이용한 탄소연대측정법으로 고대 유물의 연대를 측정한 자료들이 신뢰할 만한 것이라는 것이 증명된 것이다.

리비에게는 수많은 연대 측정 의뢰가 들어왔다. 영국의 스톤헨지에서 발견된 숯, 멕시코의 거대한 태양 피라미드뿐만 아니라 칠레에서 발견된 고대 나무늘보의 배설물까지 있었다. 그는 마지막 빙하기가 과거에 학계로부터 인정받았던 연대보다 훨씬 뒤인 약 1만 년 전에 끝났다고 발표했다.

C14 탄소연대측정법은 고고학과 지질학에서 광범위하게 쓰이고 있다. 나무, 석탄, 천, 뼈, 조개껍질, 동식물의 조직 등 일단 한 번 살아 있었던 물질이라면 무엇이든 이 기술에 의해 처리될 수 있다. 고대 인류의 주거지나 이집트의 무덤, 지질학적 암석층, 그리고 다른 많은 역사적, 고고학적, 지질학적 가치를 가진 항목들의 연대도 결정될 수 있다. 이와 같은 방법은 발달한 핵물리학, 우주학과 신기술이 고고학과 인류학, 지질학에도 이용될 수 있다는 것을 단적으로 보여주었다.

그러나 시료를 그대로 측정기에 넣는다고 곧바로 연대가 계산되어 나오는 것은 물론 아니다. 측정시료는 대부분 많은 불순물을 포함하고 있기 때문이다. 땅속에서 출토된 유물 등에는 토양에 함유되어 있는 탄소가 스며들어 있기도 하고 고문서에는 얼룩이나 손때 등이 묻어 있다. 불순물에 새로운 탄소가 포함된 시료를 그대로 측정하면 그 연대치의 오차가 커지는 것은 당연한 일이다.

결론적으로 정확한 연대측정을 하려면 다양한 시료로부터 순수한 탄소를 끄집어내는 고도의 정밀 작업을 먼저 해야만 한다.

C14 탄소연대측정법은 고고학 분야에서 발견되는 중요한 유물들의 연대를 측정할 수 있으므로 매우 유효한 방법이지만 이 방법의 결정적인 단점은 1회 측정에 수 그램의 탄소 시료를 요구한다는 점이다. 그런데 연대를 구하고자 하는 문화재인 경우 매우 귀중한 것이 많아서 측정을 위해 수 그램이나 되는 탄소 시료를 떼어 낸다는 것은 간단한 일이 아니다. 앞에서 설명한 토리노의 수의 경우도 귀중한 수의를 상당 부분 잘라내야 하는 것이 가장 큰 걸림돌이었다.

이런 문제를 해결한 것이 1970년대 후반에 등장한 가속기질량분석법이다. 가속기질량분석법을 사용하면 불과 0.001그램의 탄소 시료로도 정확한 연대측정을 할 수 있다. 즉 귀중한 문화재로부터 떼어내야 하는 양이 이전까지의 약 1000분의 1로도 가능해진 것이다.

C14 탄소연대측정법으로도 연대 측정에 다소 오차가 생기기 마련이다. 특히 시료에 오염물질이 포함되어 있을 경우 더욱 더 오차가 커질 수 있다. 그리하여 C14 탄소연대측정법을 보완하는 방법이 강구되었는데 그것은 나무의 나이테를 세어보는 것이다. 사실 정밀도 측면에서만 본다면 나무의 나이테의 변화를 보고 연대를 측정하는 것을 따를 수 없다.

나무의 나이는 나무껍질과 그 안쪽 나이테 사이에 있는 분열기능을 갖는 형성층의 작용에 의해 매년 1개 층 씩 늘어난다. 미국의 천문학자인 A. E. 더글러스 박사가 20세기 초에 나이테를 이용하면 연대측정을 정확하게 할 수 있다고 제안했는데 이를 연륜연대측정법(Dendrochronology)이라고 부른다.

이것은 C14 탄소연대측정법과 같이 복잡한 조건을 필요로 하지 않으면서도 오차가 적은 고정밀도의 연대측정을 가능하게 한다는 장점이 있다. 특히 동양에서는 건축물을 비롯하여 많은 유물들이 나무로 만들어졌으므로 더욱 유용한 방법이다. 일본의 경우 기원전 1000년 경 이후의 일부 목재로 만든 유물은 몇 년의 오차가 없을 정도로 정확한 연대를 측정하고 있다. 물론 학자들은 유물의 정확한 연대를 산정하기 위해 C14 탄소연대측정법과 연륜연대측정법을 상호 보완적으로 사용하고 있지만 이 경우 목재가 발견되어야 한다는 제한 조건이 있는 것은 어쩔 수 없는 일이다.

한편 C14 탄소연대측정법의 또 다른 약점은 측정할 수 있는 연대가 제한되어 있다는 점이다. C14 탄소연대측정법은 대략 5백 년부터 7만 년까지의 대상물을 적용할 수 있다고 알려져 있지만 일반적으로는 3만5천 년 전까지가 한계라고 인정된다. 그렇다면 그 이전의 유물들은 어떻게 측정할 수 있을까?

이런 문제의 해결에 화학반응을 이용한 연대측정법이 사용된다. 원리는 화학반응률을 먼저 가정한 다음 새로 생긴 화학물질의 양을 측정해 그 비율에 따라 연대를 측정하는 것이다.

최근 이 분야의 연구가 활발한데 그 이유는 상대적으로 손쉽고, 신속하고 값싼 방법이기 때문이다. 특히 이 방법은 인류학자, 고생물학자, 그리고 고지형학자들이 선호하는데 연대측정의 대상이 생물체의 유해를 선정한다는 점은 앞에서 설명한 C14탄소연대측정법과 유사하나 전자는 방사성동위원소의 붕괴원리에, 후자는 화학물질의 반응률에 기초를 둔다는 것이 다르다.

그런데 이 방법을 사용하는 데는 일반적으로 타조 알이 등장한다. 오늘날에는 타조가 살고 있는 지역이 한정되어 있지만 선사 시대에는 세계 각지에서 살았었다. 그래서 타조 알은 아프리카는 물론 중국에서도 발견된다. 타조 알 껍질은 비교적 흔하게 발견되는데, 알의 크기가 달걀의 20배에 달해 선사시대 사람들이 매우 유용한 식량으로 여겼기 때문이다.

게다가 타조 알은 두께가 1.5밀리미터나 되어 사람이 올라서도 깨지지 않을 정도로 단단하므로 토기가 발명되기 이전에 물을 담아 다니기에 가장 이상적인 그릇이었다. 타조 알을 병처럼 꼭대기를 깨뜨리면 1리터 정도의 물을 넣을 수 있다.

타조 알로 연대 측정하는 것은 비교적 간단하다. 화석 속의 해골에는 10여 가지 아미노산이 있다. 아미노산의 구조는 탄소원자를 축으로 한 쪽은 수소, 다른 쪽은 4～5개의 분자그룹이 서로 비대칭으로 마주보고 있다. 분자그룹이 놓이는 위치가 서로 다른 아미노산의 이성체가 연대측정의 수단이 되는 것이다.

이것을 간단하게 설명하면 타조 알의 껍질에 있는 단백질의 아미노산에는 L형(왼쪽)과 D(오른쪽)형 두 가지가 있다. 그런데 생명체 안에서 합성되는 아미노산은 L형 하나뿐이다. 두 가지 다 상당히 안정적이지만 수천 년 동안 그대로 내버려두면 L형이 D형으로 조금씩 변한다.

이것은 생물체가 죽은 시간의 길이에 비해 D형 아미노산이 많아진다는 것을 뜻하는데 이를 '라세미아' 반응이라고 부른다. 이 비율을 측정해 보면 그 알이 타조의 몸에서 빠져 나온 후 얼마나 지났는지를 알 수 있다. 칼라하리 사막에서 발견된 타조 알의 껍질은 6만 5천년에서 8만 5천년이 되었음을 확인되었다. 타조 알 껍질은 앞으로 더욱 정확한 인류의 변천사를 알 수 있을 것으로 추정하고 있다. 타조 알을 사용하면 3만 5천년에서 20만 년 사이의 연대를 측정할 수 있다.