선캄브리아 시대

명왕누대는 지질 시대 구분에서 가장 오래된 시대로, 약 45억 4천만 년 전 지구가 형성된 시기부터 약 40억 년 전까지의 기간을 가리킨다. 이 명칭은 그리스 신화의 지하 세계 신 하데스의 로마식 이름 '플루토(Pluto)'에서 유래했으며, 지구 역사의 '지하 세계'처럼 알려지지 않은 암흑기라는 의미를 담고 있다. 이 시대는 지구의 형성과 최초의 지각이 만들어지는 과정이 포함된다.

명왕누대의 암석 기록은 극히 드물다. 이 시기의 지각 대부분은 후기의 지질 활동으로 인해 재활용되거나 변형되어 현존하지 않는다. 따라서 이 시대에 대한 지식은 주로 동위원소 연대 측정이 가능한 일부 지르콘 결정과 운석 연구, 그리고 달의 표본 분석을 통해 간접적으로 추론한다. 지구는 거대 충돌에 의해 형성되었고, 초기에는 마그마의 바다 상태였을 것으로 추정된다.

이 시대 말기에 지구는 서서히 냉각되어 최초의 고체 지각이 형성되기 시작했다. 또한, 테이아라고 불리는 천체와의 거대 충돌로 인해 달이 생성된 사건도 이 시기에 일어난 것으로 여겨진다. 대기는 주로 수증기, 이산화탄소, 질소, 황화수소 등으로 구성되어 있었으며, 산소는 거의 존재하지 않았다. 생명체의 존재 증거는 아직 이 시기에서 발견되지 않았다.

시생누대는 지질 시대 구분에서 약 40억 년 전부터 25억 년 전까지의 기간을 가리킨다. 이 시기는 명왕누대에 이어 시작되어 원생누대가 시작되기 전까지 약 15억 년 동안 지속되었다. 지구 역사상 가장 오래된 암석들이 이 시기에 형성되었으며, 생명의 최초 증거가 나타나기 시작한 시기로도 중요하다.

이 시대의 지질 기록은 매우 드물고 변형이 심하다. 가장 오래된 것으로 알려진 암석은 캐나다의 아카스타 편마암[1]과 그린란드의 이수아 편마복합체[2]이다. 이 암석들은 초기 대륙 지각의 핵심부인 대륙괴가 형성되기 시작했음을 보여준다. 또한 이 시기에는 막대한 양의 현무암이 분출하여 녹색암석대를 형성하기도 했다.

생명체와 관련하여, 시생누대에는 최초의 생명체가 출현한 것으로 추정된다. 호주의 에이펙스 처트에서 발견된 약 34억 6천만 년 된 미화석은 최초의 생물 활동 증거로 여겨진다[3]. 이 생명체들은 열수분출공 주변과 같은 극한 환경에서 서식했을 것으로 보이며, 화학합성이나 초기의 광합성을 통해 에너지를 얻었을 것이다. 이들의 출현은 이후 대산소사건을 일으키는 남세균의 등장으로 이어지는 생명 진화의 첫 장을 열었다.

시생누대의 주요 사건과 시기를 정리하면 다음과 같다.

원생누대는 약 25억 년 전부터 약 5억 4,100만 년 전까지 약 20억 년에 걸친 지질 시대이다. 이 시기는 시생누대가 끝난 후 시작되어 고생대의 캄브리아기가 시작되면서 막을 내린다. 지구 역사상 가장 긴 시간을 차지하는 이 시대는 생명의 진화와 지구 환경에 있어서 중대한 변화가 일어난 시기로 평가된다.

원생누대의 가장 중요한 사건은 대산소사건이다. 이 사건은 약 24억 년 전에서 20억 년 전 사이에 일어나며, 광합성을 하는 남세균의 번성으로 인해 대기 중 산소 농도가 급격히 증가한 사건이다. 이로 인해 지구 대기는 환원성 대기에서 산화성 대기로 근본적으로 변화했으며, 산소에 독성이 있던 많은 원핵생물은 쇠퇴했다. 반면, 산소 호흡을 할 수 있는 생물에게는 새로운 에너지원을 제공하여 진화를 촉진하는 계기가 되었다.

이 시기에 진핵생물이 처음 등장했다. 가장 오래된 진핵생물 화석은 약 21억 년 전의 것으로 추정되며, 이후 약 12억 년 전에는 다세포 진핵생물이 출현했다. 또한 원생누대 후기에는 초대륙인 로디니아가 형성되었다. 이 시기의 암석 기록은 시생누대에 비해 상대적으로 잘 보존되어 있으며, 퇴적암과 화석을 통해 당시의 해양 및 대기 조건에 대한 정보를 제공한다.

원생누대는 지질학적 사건과 생물학적 진화가 긴밀하게 연결된 시대이다. 주요 사건과 시기를 표로 정리하면 다음과 같다.

지구의 지각은 선캄브리아 시대 초기부터 분화되기 시작했다. 가장 초기의 대륙 지각은 시생누대에 형성되기 시작한 것으로 추정되며, 이는 주로 화강암질 암석으로 구성되었다. 이 암석들은 맨틀의 부분 용융을 통해 생성된 현무암질 마그마가 지각 내에서 분화 작용을 거쳐 만들어졌다[4].

초기 대륙은 작은 미대륙 또는 원시 대륙의 형태로 존재했으며, 이들은 반복적인 판 구조 운동에 의해 충돌하고 부착되면서 점차 크기가 커져갔다. 이러한 과정을 조륙 운동 또는 대륙 성장이라고 한다. 조륙 운동은 주로 판의 충돌 경계에서 일어나는 습곡 작용, 변성 작용, 그리고 화강암 관입에 의해 진행되었다.

이러한 과정을 통해 형성된 고대의 안정된 지각 덩어리를 순상지 또는 크레이톤이라고 한다. 크레이톤은 주로 시생누대와 원생누대에 형성된 변성작용을 받은 기반암과 이를 덮고 있는 비교적 평탄한 퇴적층으로 구성된다. 전 세계의 주요 크레이톤들은 이후 판게아와 같은 초대륙을 이루는 핵심 구성 요소가 되었다.

선캄브리아 시대에는 지구 역사상 최초의 초대륙이 형성되고 분열되는 주기가 여러 차례 반복되었다. 이 과정은 판 구조론적 활동의 초기 형태로, 당시의 지각 운동이 오늘날과는 상당히 다른 양상으로 진행되었음을 보여준다.

가장 잘 알려진 초대륙은 약 11억 년 전에 형성된 로디니아이다. 로디니아는 거의 모든 육지 덩어리가 하나로 뭉친 초거대 대륙이었다. 로디니아의 형성은 여러 선캄브리아 시대 크레톤(안정된 고대 대륙 지각)들이 충돌하여 발생한 광범위한 조산 운동의 결과였다. 로디니아가 존재하는 동안 대륙 내부는 매우 건조한 환경이었으며, 생명체는 주로 해안가에 제한되어 있었다.

로디니아는 약 7억 5천만 년 전부터 분열되기 시작했으며, 이 분열 과정은 지구 전체 빙하기와 깊은 연관이 있다. 대륙이 갈라지면서 새로운 해양이 열리고, 화산 활동이 증가하여 대기 중 이산화탄소 농도에 영향을 미쳤다. 로디니아의 분열로 생성된 여러 대륙 조각들은 이후 새로운 초대륙인 판노티아를 형성하기 위해 다시 모이기 시작했다. 이와 같은 초대륙의 형성과 분열 주기는 지구의 기후, 해양 순환, 생물 진화에 지대한 영향을 끼쳤다.

최초 생명체의 출현은 지구 역사에서 가장 근본적인 사건 중 하나로, 약 38억 년에서 41억 년 전 사이에 일어난 것으로 추정된다. 이 시기의 증거는 극히 드물고 변형되기 쉬우나, 호주의 아페ックス 처트와 캐나다의 누부아기티투크 대에서 발견된 미생물 화석과 생물활동의 흔적이 이를 뒷받침한다. 특히, 그린란드 남서부 이수아 지역의 37억 년 된 변성퇴적암에서 검출된 생물기원 탄소 동위원소 비율은 생명 활동의 간접적 증거로 여겨진다[6].

생명의 기원에 대한 가설은 다양하지만, 열수분출공 환경이 유력한 후보지로 꼽힌다. 깊은 해저의 이러한 열수 분출구는 무기물에서 유기물 합성이 일어나기 쉬운 에너지원과 화학적 구배를 제공했을 것이다. 최초의 생명체는 단순한 자기복제 분자 체계에서 출발하여, 원시세포를 거쳐 오늘날 모든 생명의 공통 조상인 최후공통조상으로 진화했을 것으로 추정된다. 이 최초 생명체는 원핵생물에 속하며, 고균이나 세균과 유사한 형태였을 가능성이 높다.

초기 생명체의 에너지 획득 방식은 화학합성에 의존했을 것이다. 태양 에너지를 이용하는 광합성이 출현하기 전까지, 해양 깊은 곳의 열수분출공 주변에서 수소, 황, 철과 같은 무기물질의 산화 반응을 통해 에너지를 얻는 혐기성 대사가 지배적이었다. 이 시기의 생명체는 산소가 거의 없는 원시 해양과 대기 환경에 완벽하게 적응해 있었다.

광합성은 선캄브리아 시대의 환경을 근본적으로 변화시킨 핵심 사건 중 하나이다. 최초의 광합성 생물은 시생누대 초기에 등장한 것으로 추정되며, 이들은 황세균과 같은 원핵생물이었다. 이 초기 형태의 광합성은 산소를 발생시키지 않는 방식이었다. 이후 약 27억 년 전에서 25억 년 전 사이에 남조균과 같은 시아노박테리아가 산소 발생형 광합성을 진화시켰다. 이들은 물과 이산화탄소를 이용해 유기물을 합성하면서 부산물로 산소를 대기 중으로 방출하기 시작했다.

초기에 생성된 산소는 해양과 대기 중의 환원성 물질(예: 용존 상태의 이철 등)과 즉시 반응하여 산화물을 형성했기 때문에 대기 중에 축적되지 못했다. 이 과정은 수억 년에 걸쳐 진행되었으며, 그 증거로 전 세계에 분포하는 띠를 이루는 철광층이 형성되었다. 이 철광층은 해수에 용해되어 있던 이철 이온이 새롭게 생성된 산소에 의해 산화되어 침전된 결과이다.

환원성 물질이 대부분 소모된 후, 약 24억 년 전에서 22억 년 전 사이에 산소는 본격적으로 대기와 해양에 축적되기 시작했다. 이 사건은 대산소사건으로 알려져 있으며, 지구 역사상 가장 중대한 환경 변화 중 하나이다. 대기 중 산소 농도의 증가는 기존의 혐기성 생물에게는 치명적인 환경 변화를 초래했지만, 한편으로는 더 효율적인 호흡을 가능하게 하는 진핵생물의 등장과 진화를 위한 결정적인 조건을 마련했다.

진핵생물은 세포 내에 핵과 막으로 둘러싸인 세포 소기관을 지닌 생물군이다. 이들은 원핵생물보다 크고 복잡한 구조를 가지며, 이후 다세포 생물로 진화하는 기반이 되었다. 선캄브리아 시대, 특히 원생누대에 그 등장과 초기 진화가 이루어졌다.

가장 오래된 진핵생물의 화석 증거는 약 21억 년 전의 것으로 추정되는 그리파니아와 같은 거대한 막대 모양의 화석이다. 약 18억 년 전의 호상철석층에서는 더 확실한 진핵생물 화석인 참조식물이 발견된다. 이 시기의 진핵생물은 주로 단세포 조류나 원생생물의 형태였을 것으로 여겨진다. 진핵생물의 등장에는 세포내공생설이 중요한 메커니즘으로 제안된다. 이 가설에 따르면, 큰 원핵생물이 작은 원핵생물(예: 미토콘드리아나 엽록체의 조상)을 포식하거나 포섭하여 공생 관계를 이루었고, 이들이 영구적으로 세포 내에 잔류함으로써 세포 소기관이 형성되었다[7].

진핵생물의 출현과 다양화는 지구 환경에 중대한 변화를 가져왔다. 그들은 유성생식을 가능하게 하여 유전적 다양성을 크게 증가시켰고, 결국 다세포 생물로의 진화 길을 열었다. 다음 표는 선캄브리아 시대 진핵생물 진화의 주요 사건을 정리한 것이다.

이러한 진화는 약 6억 년 전 에디아카라 생물군의 등장과, 그 이후인 고생대 캄브리아기에 일어날 캄브리아기 폭발을 위한 결정적인 생물학적 토대를 마련했다.

지구 초기 대기와 해양은 오늘날과는 근본적으로 다른 성질을 지녔다. 초기 대기는 주로 수소와 헬륨으로 구성되었으나, 이 가벼운 기체들은 지구의 중력으로 붙잡아 두기 어려워 우주 공간으로 빠르게 탈출했다. 이후 화산 활동 등 지구 내부로부터 방출된 가스들, 즉 수증기, 이산화탄소, 질소, 암모니아, 메탄, 황화수소 등이 새로운 대기를 형성했다. 이 대기는 산소가 거의 없는 환원성 대기였으며, 높은 농도의 이산화탄소로 인해 강한 온실 효과를 일으켜 태양 복사 에너지가 약했던 초기 지구의 표면을 따뜻하게 유지하는 데 기여했다.

초기 해양은 이러한 대기와의 상호작용을 통해 형성되었다. 화산에서 방출된 수증기가 대기 중에서 응결되어 비가 되어 내렸고, 이 비는 수억 년에 걸쳐 저지대를 채워 최초의 해양을 만들었다. 이 과정을 대홍수라고 부른다. 초기 해양은 뜨거웠으며, 용해된 철과 같은 광물질로 인해 산성이었을 가능성이 있다. 또한, 대기 중의 이산화탄소가 해수에 용해되어 해양은 점차 탄산을 포함하게 되었다.

시간이 지남에 따라 대기와 해양은 지질학적 및 생물학적 과정을 통해 서서히 변화했다. 해양은 용해된 이산화탄소를 탄산염 광물 형태로 퇴적시켜 대기 중 이산화탄소 농도를 낮추는 역할을 했다. 특히 원생누대에 이르러 남조류와 같은 생물에 의한 광합성 활동이 활발해지면서 대기 중 산소 농도가 서서히 증가하기 시작했다. 이는 해양 화학에도 큰 변화를 가져와 용해된 철이 산화되어 침전하게 만들었다.

이러한 초기 대기와 해양의 조건은 지구 최초의 생명체가 탄생하고 진화할 수 있는 환경적 토대를 제공했다. 산소가 없는 환경과 특정 화학 물질들은 원시 수프 가설과 같은 생명 기원 이론의 중요한 배경이 된다.

선캄브리아 시대 동안 지구는 여러 차례에 걸쳐 극심한 냉각을 경험하여 거의 전체 표면이 얼음으로 뒤덮인 시기가 존재했다. 이러한 현상을 지구 전체 빙하기 또는 '스노볼 어스'[10] 가설이라고 부른다. 이 가설에 따르면, 특히 원생누대 말기에서 신원생대에 해당하는 약 7억 2천만 년 전과 6억 3천만 년 전 경에 두 차례의 대규모 빙하기가 발생했다.

이러한 빙하기가 발생한 원인은 복합적이다. 당시 태양의 복사 에너지는 현재보다 약 6% 정도 약했으며, 대륙이 적도 부근에 집중되어 높은 알베도를 가진 육지 면적이 넓어졌다. 또한 화산 활동이 감소하여 대기 중 이산화탄소 농도가 낮아지는 등, 여러 요인이 맞물려 지구의 반사율이 증가하고 온실 효과가 약화되면서 급격한 냉각이 시작되었다. 빙하는 점점 확장되어 결국 적도 지역까지 해빙이 형성되기에 이르렀고, 이로 인해 지구 표면의 대부분이 두꺼운 얼음층으로 덮이게 되었다.

빙하기가 종료된 메커니즘은 온실 효과의 복원에 있다. 대륙이 얼음으로 덮여 풍화 작용이 거의 정지하는 동안, 화산 활동으로 방출된 이산화탄소는 대기 중에 계속 축적되었다. 얼음이 태양 빛을 반사하여 냉각을 유지하는 강력한 피드백이 작용했기 때문에, 빙하를 녹일 만큼의 온실 효과를 만들기 위해서는 극도로 높은 수준의 이산화탄소 농도(현재의 수백 배에 달할 것으로 추정)가 필요했다. 일단 임계점을 넘어 빙하가 녹기 시작하면, 어두운 바다와 육지가 노출되어 태양 에너지를 흡수하게 되고, 이는 급격한 온난화와 빙하의 후퇴를 촉진하는 또 다른 피드백을 일으켰다. 이러한 극단적인 기후 변동은 이후 에디아카라 생물군의 등장과 생물 다양성의 증가를 촉발하는 중요한 환경적 요인으로 작용했다.

선캄브리아 시대의 지질 기록은 주로 변성암과 화강암 같은 심성암으로 구성되어 있다. 이 시기의 퇴적암은 오랜 지질 활동과 변성 작용을 거쳤기 때문에 원래의 상태를 파악하기 어렵다. 그러나 지층의 연속성과 퇴적 구조를 통해 고환경을 해석할 수 있는 단서를 제공한다. 특히 원생누대 후기에는 비교적 잘 보존된 퇴적층이 나타나기 시작한다.

선캄브리아 시대의 화석은 매우 드물고 미세하며, 대부분 미화석의 형태로 발견된다. 가장 오래된 생명 증거는 시생누대의 퇴적암에서 발견되는 스트로마톨라이트이다. 이는 광합성 시아노박테리아의 군집이 만들어낸 층상 구조로, 생물 기원의 퇴적 구조로 간주된다. 또한 처치의 철광석층 같은 대규모 철 광상은 광합성 미생물의 활동과 관련이 있다[11].

이러한 암석과 화석 기록은 동위원소 연대 측정법과 결합되어 선캄브리아 시대의 지질 사건과 생명 진화의 시간적 틀을 구축하는 근간이 된다. 특히 지르콘 결정은 매우 오래된 암석의 연대를 측정하는 데 핵심적인 역할을 한다.

동위원소 연대 측정은 선캄브리아 시대 암석과 사건의 절대 연대를 결정하는 핵심적인 방법이다. 이 시대는 화석 기록이 매우 빈약하여 상대적인 지층 대비만으로는 정확한 시간 척도를 구축하기 어렵기 때문이다. 이 방법은 특정 방사성 동위원소가 안정적인 자원소로 붕괴하는 일정한 속도(반감기)를 이용한다. 암석이나 광물이 형성될 때 포획된 모원소와 시간에 따라 축적된 딸원소의 비율을 측정하여, 암석이 고체화된 이후 경과한 시간을 계산한다.

선캄브리아 시대 연구에 가장 널리 쓰이는 방법은 우라늄-납 연대 측정법이다. 특히 지르콘(저어콘) 광물은 우라늄(U)을 포함하지만 납(Pb)을 처음에는 거의 포함하지 않으며, 매우 강한 내구성을 지녀 후기의 지질 작용에도 영향을 잘 받지 않는다는 장점이 있다. 따라서 고생대나 중생대의 퇴적암에 포함된 시생누대의 지르콘 입자를 분석하여, 그 퇴적암보다 훨씬 오래된 화강암체의 형성 시기를 알아낼 수 있다.

이러한 측정을 통해 지구 최고령의 암석(캐나다 지질학적 방패 지역의 약 40억 년 전 암석)과 원생누대에 일어난 대산소사건 등의 주요 사건 시기가 규명되었다. 또한, 운석과 월석의 연대 측정 결과와 함께, 지구와 달의 형성 시기를 약 45억 6700만 년 전으로 추정하는 근거를 제공한다.

대산소사건은 약 24억 년 전에서 20억 년 전 사이에 지구 대기와 해양에 산소가 급격히 증가한 사건이다. 이 사건은 원생누대 초기에 발생하여 지구의 환경과 생명 진화에 결정적인 전환점을 마련했다. 사건 이전의 대기는 메탄, 암모니아, 수증기 등이 주를 이루는 환원성 대기였으나, 이후 산소가 포함된 산화성 대기로 변모하게 되었다.

이 사건의 주요 원인은 남세균과 같은 광합성 미생물의 번성이다. 이들은 광합성 과정을 통해 물과 이산화탄소를 이용해 유기물을 합성하면서 부산물로 산소를 대기 중에 방출했다. 방출된 산소는 초기에 해양과 대기 중의 철과 같은 환원성 물질과 결합하여 침전되었으며, 이는 전 세계에 분포하는 띠를 이루는 철광층 형성으로 이어졌다. 철광층이 포화 상태에 이르자, 산소는 더 이상 제거되지 않고 대기와 해양 상층부에 축적되기 시작했다.

대산소사건은 생명체에 대해 파괴적이면서도 기회를 제공하는 양면적 영향을 미쳤다. 당시 대부분의 생명체는 산소를 견디지 못하는 혐기성 생물이었기 때문에, 산소 축적은 이들에게 치명적인 독이 되어 많은 종의 멸종을 초래했다. 반면, 산소는 호기성 호흡이라는 훨씬 효율적인 에너지 획득 방식을 가능하게 했으며, 이는 이후 진핵생물의 등장과 복잡한 다세포 생물의 진화를 위한 필수 조건이 되었다. 또한, 대기 중에 오존층이 형성되어 지표에 도달하는 유해 자외선을 차단함으로써 생명체가 육상으로 진출할 수 있는 기반을 마련했다.

선캄브리아 시대 말기, 특히 원생누대 후기에서 신원생대에 해당하는 시기에는 캄브리아기 폭발로 알려진 생물 다양성의 급증 직전에 이미 복잡한 생명체가 등장하고 진화하고 있었다. 이 시기의 생물군은 주로 에디아카라 생물군으로 대표되며, 약 5억 7천5백만 년 전부터 5억 4천1백만 년 전 사이에 번성했다. 이 생물들은 현대 생물과는 판이하게 다른 몸체 구조를 가졌으며, 대부분 부드러운 몸체를 가져 화석으로 보존되기 어려웠다.

에디아카라 생물군의 주요 특징은 다음과 같다.

에디아카라 생물군에 더해, 이 시기에는 진핵생물의 다양화가 가속화되었고, 최초의 동물이 출현했다는 증거가 있다. 예를 들어, 트레피크누스 페두움과 같은 흔적 화석은 약 5억 5천만 년 전에 벌레와 같은 생물이 퇴적물을 파고 다녔음을 보여준다. 또한, 일부 미세화석 기록에서는 절지동물의 조상으로 추정되는 생물의 외골격 성분이 발견되기도 한다. 이 모든 증거들은 캄브리아기 초기에 일어날 격변적인 진화적 혁신을 위한 생물학적, 생태학적 토대가 선캄브리아대 말기에 마련되었음을 시사한다.