차시명: 11주차 제2강

주제: 제 5장 화석연료, 2부 – 지구상의 생물 – 과거와 현재 1

동기 유발:  지구에 처음 생명체가 탄생하고 그 이후 40억년이 흘렀습니다.  이 긴 세월 동안 생명체는 어떤 발전을 이루었을까요? 이 발전, 즉 우리가 생물의 진화라고 부르는 것의 증거를 어디서 찾을 수 있을까요? 그것은 바로 지층 중에 남아 있는 화석으로부터 찾을 수 있습니다. 이 단원에서는 35-40억년 전 초기 생명체의 흔적부터 약 4억 7천만년 전 육상 식물의 흔적에 이르기까지 이들의 화석을 통해 공부해 봅시다

학습 목표: 화석을 통해 초기 원시 생명체로부터 육상 식물에 이르기까지 과거 약 4억 7천만년 전까지의 기록을 화석을 통해 배워보자

강의 타이틀: 5-1. 지구상의 생물 – 과거와 현재 1

안녕하십니까? 이번 시간에는 우리 지구 상에 생명체가 과거부터 현재에 이르기까지 어떻게 변화하고 발전해왔는지 얘기해보도록 하겠습니다.

[slide #1]

현재 지구상의 생명체들은 놀라울 만큼 서로 유사한 유전자를 가지고 있음이 알려져 있으며, 이로부터 지구상의 모든 생물은 공통의 조상으로부터 진화를 통해 분화 발전하였을 것으로 생각됩니다.

이 그림은 게놈 서열을 바탕으로 현재 지구상의 생물들의 계보를 보여주는 것으로, 빨간색은 진핵생물, 연두색은 고세균, 파란색은 박테리아를 나타냅니다.이들 중 어떤 것은 핵도 제대로 갖추지 못한 단세포 생물인 반면, 또 다른 것은 수많은 세포가 한데 모여 유기적으로 작용하는 매우 진보된 형태의 생물이기도 합니다.

[slide #2]

이 모든 생물들이 한꺼번에 지구상에 나타난 것은 아닙니다.  화석적 증거를 통해서도 살펴보면, 지질 시대를 따라 매우 간단한 단세포 생물체로부터 점점 복잡한 다세포 생물체로 진화해 갔음을 볼 수 있다.

(설명에 따라 해당 부분 확대)

이 그림은 생명체가 지질 시대를 따라 어떻게 진화해 왔는가를 보여주는 지질학적 시간표입니다.  이 시간표에 많은 내용이 내용이 감겨 있습니다만, 여기서는 간단히 굵직한 사건들 위주로만 설명하겠습니다.

지구는 45억 5천만년 전에 만들어졌습니다.  그 2천 3백만년 후 지구의 유일한 위성인 달이 만들어졌습니다.  지구 생성 초기에 지구로 쏟아지던 행성 조각 및 운석 조각들에 의한 충돌은 약 40억년 전에 끝났습니다.  아마도 이때쯤이면 지구에 생명체가 나타났을 것입니다. 그리고 그로부터 5억년이 지나서 지금으로부터 약 35억년 전인 시생누대 초기에 광합성을 하는 생물이 출현하였을 것으로 생각됩니다. 광합성으로 산소가 만들어지고, 이 산소가 대기에 풍부해진건 광합성을 시작하고 12억년이나 지난 다음입니다. 지구상의 생물은 고생대에 들어서 크게 번성하였습니다. 그것이 지금으로부터 약 5억 3천만년전입니다. 생물의 진화가 계속되서 지금으로부터 3억 8천만년전에는 최초의 육상 척추 동물이 나타납니다.  육상 식물은 그 전에 이미 번성하고 있었습니다.  지금으로부터 2억 3천만년 전에 여러분들이 이미 잘 알고 계시는 공룡이 지구상에 출현합니다.  이 공룡은 중생대 말, 지금으로부터 6천 5백만년 전에 모두 멸망합니다.  지구의 나이를 생각할 때 매우 짧은 시간 공룡이 지구를 지배한 시간이 매우 짧았다고 생각할 수도 있습니다만, 우리 인류가 겨우 200만년 전에 출현한 것을 생각하면, 약 1억 6천만년 동안 존속했던 공룡은 오래 살았다고도 생각할 수 있습니다.

[slide #3]

많은 분들이 원시 시대에 공룡이 사람과 함께 살았다고 생각하시는데, 이번에 그것이 불가능했다는 걸 아시겠지요? 또 공룡이 살았던 때에는 아직 포유류가 탄생하지 않았다고 생각하시는 분들도 있는데, 그것도 사실이 아닙니다.  포유류는 이미 공룡이 나타나기 이전부터 있었습니다.  다만, 공룡에 비해 몸체가 작고 힘이 없었을 뿐이지요.

지금까지 생명의 역사에 대해 매우 커다란 줄거리를 말씀드렸는데, 이제부터는 화석을 기반으로 조금 더 자세히 살펴보도록 하겠습니다.

지구를 향한 대규모의 운석 충돌이 끝난 시점을 최초 생명체의 탄생 시점으로 생각하면, 그 시기는 39 내지 40억년 전쯤 될 것이라는 점은 이미 말씀 드렸습니다.  이 최초의 생물은 가장 원시적인 단세포의 원핵생물(prokaryotes)이었을 것입니다. 현재 생물체의 흔적 진위 여부를 놓고 논쟁이 있기는 하지만, 이미 설명한 아펙스 처트 화석을 인정한다면 최초의 사이아노박테리아와 같은 광합성 생물의 출현은 35억년 이전에 이루어진 것이 됩니다.

[slide #4]

진핵 생물의 출현은 최초의 생명체 출현 이후 약 13억년 정도가 지난 27억년 전쯤 이루어진 것으로 추정된다.

이 사진은 가장 오래된 진핵생물 화석으로, 원생생물(protist)인 나선형 그라이파니아(Grypania) 화석입니다.  이 화석은 미국 미시간에서 산출되는 21억년 전의 호상철광층과 협재하는 셰일에서 관찰한 것입니다. 이 화석의 발견으로 한 때 진핵생물이 21억년쯤에 만들어진 것으로 생각되었으나, 나중에 26 내지 27억년 전에 형성된 호주 북서부의 마라맘바층에 속하는 로이힐 셰일(에서 진핵 생물에 의해 만들어지는 것으로 알려진 스테롤이 발견되면서 진핵 생물의 출현 시기가 훨씬 앞당겨지게 되었습니다. 현재 우리가 알고 있는 식물, 동물, 및 균류 등의 모든 다세포 생물들이 진핵생물입니다. 현재 대부분의 진핵생물은 호기성이지만, 초기의 진핵생물은 혐기성이었을 것으로 추측됩니다. 대기에 자유 산소가 집적되기 시작한 것이 진핵 생물의 출현 후인 24억년 전 쯤이기 때문입니다.

[slide #5]

이 사진은 진핵생물 중 다세포 생물의 화석으로 가장 오래되었다고 주장되는 것들 중의 하나인 아프리카 가봉(Gabong)의 고원생대(Paleoproterozoic) 프란세빌리안층( Francevillian B Formation)에서 발견되는 일군의 흔적 화석들입니다.  이 지층은 대략 21억년 정도 된 것으로 알려져있는데, 이로부터 이미 이 시기에 다세포 진핵 생물들이 왕성하게 활동하고 있었음을 짐작할 수 있다.

[slide #6]

동물에 대한 화석 기록은 6억년 전 선캠브리아기 지층에서 다량 발견됩니다. 따라서 동물의 출현은 이보다 전에 이루어졌다고 볼 수 있습니다.

이 사진은 러시아 북동 해안에 위치한 소위 화이트시(whitesea) 지역의 6억년 내지 5억5천만년 전의 벤디안기 퇴적암에서 발견된 환형동물 화석입니다.

캠브리아기에 들어서면서, 화석의 수가 급증하게 되고, 초기에는 이들 화석의 상당수가 현재 동물과는 상당히 다르다고 생각했었기 때문에, 캠브리아기에 생물의 종과 수가 급격히 팽창하였다고 생각하였습니다. 하지만, 최근에 이들 화석들이 현재 생물들과 비슷하다는 것이 밝혀졌으며, 또한 캠브리아기 이전에는 생물들이 화석화되기 어려워 많은 수가 발견되지 않았을 거라는 점이 지적되면서, 캠브리아기에 정말로 생물의 종과 수가 폭발적으로 증가했는지에 대해서는 많은 논란이 있습니다.

[slide #7]

한편 이때쯤 최초로 척추 동물이 나타났습니다.

이 사진은 중국 운남성 쿤밍 하코우 지역에서 발견된 최초 어류 화석 하이코우이키티스와

[slide #8]

그리고 마일로쿤밍지아입니다. 캠브리아 초기 이와 같은 턱없는 물고기가 주를 이뤘는데, 지금은 대부분이 멸종되고 없습니다. 현재와 비슷한 턱뼈를 가진 어류들은 실루리아기에 나타나는데, 이들은 이후 데본기에 종류와 수 양면에서 크게 번성하여, 오늘날 이 시대를 어류의 시대라고 부르게 됩니다.

육상 생물의 출현은 오존층의 형성으로 (초)자외선이 차단되면서 가능했을 것입니다. 하지만, 실제로 생물이 수중에서 육상으로 이주하기 위해서는, 이 것 이외에 많은 부분에서 적응이 필요했을 것입니다. 예를 들면, 물이 없는 마른 환경에서도 견딜 수 있어야하고, 중력에 대한 저항력도 키워야 하며, 호흡하는 방식도 바꿔야 합니다. 생물이 육지를 점령하려는 시도는 매우 오래 전에 시작되었을 수 있으나, 약 5억 3천만년 전인 고생대 캠브리아기에 이르러서야 뚜렷한 화석적인 증거가 나타나기 시작하였습니다. 이 당시의 화석은 절지동물이 기어 다닌 흔적 화석인데, 아마도 한 웅덩이에서 다른 웅덩이로 건너 다닌 흔적으로 보입니다. 보다 본격적인 육상 생물의 화석은 약 4억 3천만년전인 고생대 실루리아기(Silurian)에 발견됩니다. 이 화석들은 대부분 이끼류(mosses and lichens)화석입니다.

[slide #9]

최근 오레곤 대학의 레탈락(Gregory Retallack)은 약 6억 3천만년 전의 에디아카라기(Ediacaran period)의 화석이 최초의 육상 생물이었다고 주장했지만, 이는 확실하지 않습니다.

사진은 레탈락이 주장한 화석 Dickinsonia입니다. 바다 지렁이인가, 최초의 육상 생물인 선태류인지가 논란거리입니다.

지금까지의 지식으로 판단할 때, 육상 생물의 출현은 캠브리아기 이후에 시작된 것으로 보면 타당할 것입니다.

[slide #10]

육상 식물의 최초 화석은 아르헨티나의 약 4억 7천만년 전에 형성된 오르도비스기의 지층에서 발견되었습니다.

여기 이 사진은 그 지층에서 발견된 식물 포자 화석입니다.

이후 식물은 빠르게 번성하여 데본기(약 4억년 전)에는 지구의 환경과 지형에 큰 영향을 줄 정도가 되었으며, 이로 인한 산소 및 기타 환경의 변화로 그 당시 존재하던 많은 생물들이 멸종의 길을 가게 되었습니다 . 현재 우리가 사용하는 석탄은 이런 식물들이 지층중에 묻혀 형성된 것입니다.

지금까지 최초의 생명의 기록부터 고생대 오르도비스기의 육상 식물 기록까지 지층에서 발견된 화석을 증거로 얘기하였습니다.  다음 시간에는 오늘 언급된 부분 이후의 생명의 기록들과 생물의 멸종 기록에 대해 알아보겠습니다.

안녕히 계십시오

[끝]

심화토론:

우리 나라에서 발견되는 가장 오래된 화석은 무엇인지 조사해 봅시다.  이 화석의 이름, 발견 지층명, 지질시대 등을 조사하고, 이 화석을 남긴 생물은 어떤 종류이며 지금으로부터 몇 년 전에 살았는지도 알아봅시다.