[함께 읽는 과학도서] 천천히 곱씹으며 느리게 읽기 <지구의 짧은 역사> 2부

“ 제이슨의 눈이 엘 과포를 훑었다. 내가 앉은 데이터 기록 담당자 자리에서는 10여 개의 카메라 화면을 통해서 그 모습을 볼 수 있었다. 겉으로는 연기와 다를 바 없는 검은 유체가 꼭대기에서 뿜어져 나오는 모습이 보였다. 카메라가 확대해서 보여준 열수공의 모습은 녹청색, 자홍색, 황갈색, 다갈색, 진회색, 검은색이 점점이 찍힌 인상주의 회화 같았다. 측면에는 흰색의 세균 가닥들이 늘어져 있었다. 제이슨이 가까이 접근하면서 마치 부서진 치토스 과자처럼 보이는 주황색과 노란색의 미생물 덩어리를 추진기로 휘저어놓았다. "달팽이 같은 연체동물들도 있습니다." 뒤에서는 버다로가 설명을 계속했다. "아래쪽에 수많은 바다거미들이 보일 때도 있죠." 그러자 버하인이 장난스럽게 끼어들었다. "여기에는 이상한 것투성이예요." "이곳은 산화가 잘 되어 있네요." 켈리가 화면을 가리키며 말했다. 그리고 영상 기록을 맡고 있던 학생 레이철 스콧 쪽으로 고개를 돌렸다. "먼지가 가라앉으면 4K 영상을 한번 찍어보죠." 스콧은 고개를 끄덕이며 초고해상도 4K 카메라를 작동시켰다. ... "이곳의 물은 대단히 뜨겁습니다." 버다로가 계속해서 시청자들에게 설명했다. "섭씨 300도 정도 되죠. 그런데 굴뚝에서 1밀리미터만 떨어져도 섭씨 2도로 떨어집니다." 그때 클로즈업한 화면 속에 이리저리 엉킨 관벌레 무리가 황화수소 욕조에 몸을 담근 모습으로 등장했다. "아, 좋네요. 딱 좋아요." 켈리가 말했다. "벌레들의 머리가 저렇게 빨갛다면, 아주 행복하다는 뜻이에요." 갈라파고스 제도에서 처음 발견된 후로 관벌레는 심해 열수공과 화학 합성의 마스코트가 되었다. 이들의 몸이 빨간 이유는 헤모글로빈이 풍부한 혈액 때문이다(산소뿐 아니라 황화수소도 운반할 수 있도록 적응한 결과이다). 관벌레에는 눈도, 입도, 소화관도, 항문도 없다. 어느 동물에게든 가혹한 조건처럼 보일 것이다. 그러나 이들의 생태는 주변 환경에 최적화되어 있다. 관벌레는 피부를 통해서 흡수한 세균을 영양체營養體라고 불리는 특별한 기관 안에서 살게 한다. 열수공의 유체가 관벌레의 몸을 휩쓸고 지나갈 때, 아가미 역할을 하는 깃털을 통해서 그 유체를 빨아들이면, 영양체 속의 세균이 화학 물질을 소화시켜서 에너지로 변환하고, 이것을 숙주와 공유한다. 관벌레에게 삶이란 여럿이 함께 즐기는 저녁 식사와도 같다. 나는 뒤로 기대어 앉아 그 모든 광경을 지켜보았다. 뜨거운 열기와 물어뜯는 벌레들로 가득한 엘 과포의 거친 세계를 보고 있자니 최면에 걸린 듯한 느낌이었다. 블랙 스모커를 바라보는 동안에는 마감일이나 치과 예약이나 꽉 끼는 바지에 관한 생각이 떠오르지 않는다. 일상이 끼어들 틈이 없는 그곳의 존재감에 그저 몰입하게 될 뿐이다. 인간의 사상도, 믿음도, 개입도 필요로 하지 않는 세계였다. "그저 끊임없이 돌아가고 있죠." 켈리가 말했다. "우리가 여기에 있든지 말든지 신경도 쓰지 않고요." ”

“ 수심 9,000미터 아래로 무엇이든 정기적으로 내려보내는 일은 공학적으로 매우 복잡한 과제이기 때문에 지금까지 해저에서 아무 문제 없이 작동한 로봇은 4대에 불과하다. 4,000만 달러를 들여 개발한 일본의 로봇 카이고는 2003년 연결용 줄이 끊어지면서 바닷속에서 실종되었다. 그로부터 6년 후, 우즈홀 해양 연구소는 원격제어와 자율주행이 모두 가능한, 역사상 가장 정교한 심해 로봇인 네레우스를 선보였다. 네레우스는 거의 모든 일을 할 수 있었지만, 초심해저대에서 살아남는 일만은 하지 못했다. 2014년에 네레우스는 통가 해구 남쪽에 있는 케르마데크 해구에서 내파되었다. 연구선에 탄 과학자들은 로봇의 파편이 해수면 위로 떠오르는 모습을 절망적인 심정으로 지켜보아야 했다. 초심해저대에서 실패를 거듭하던 그 시기에 예외적인 사건이 하나 있었다. 2012년 3월 26일에 영화감독이자 해양탐험가인 제임스 캐머런이 챌린저 해연에 도달한 역사상 세 번째 인물이 된 것이다. 게다가 주문 제작한 1인용 잠수정을 타고 단독으로 내려간 사람은 그가 처음이었다. 월시와 자크가 트리에스테 호를 타고 심해로 내려간 지 52년 만의 일이었다. 그 반세기 동안 약 200명이 국제 우주정거장으로 날아가고 수천 명이 에베레스트 산 정상에 올랐음을 생각하면, 인류가 지구의 가장 깊은 곳으로 두 번째 여행을 떠나기까지 그토록 오랜 시간이 걸렸다는 사실이 놀라울 따름이다. 캐머런의 잠수는 심해가 아직 탐사되지 않은 상태로 그 아래에 여전히 존재한다는 사실을 일깨워주었다. "하루 만에 다른 행성에 갔다가 돌아왔군요." 캐머런이 수면 위로 올라오면서 한 말이다(월시도 그때 해치를 열고 나오는 캐머런을 축하해주기 위해서 갑판 위에 서 있었다). 나에게는 너무도 중대한 사건이었다. 사무실에 앉아「내셔널 지오그래픽National Geographic」의 웹사이트에서 실시간으로 실시간으로 잠수 진행 상황을 지켜보며 눈물을 흘렸던 기억이 난다. 바닷속 깊은 곳에 숨겨진 오래된 신비에 관심이 있는 사람에게는 중요한 일이었다. 그것도 아주 많이. 그러나 형광 녹색 로켓처럼 생긴 캐머런의 딥 시 챌린저 호는 그후 다시 잠수하지 못했다. 해구 바닥에 내려가 있던 2시간 38분 동안 잠수함의 추진기 12개 중에 11개가 고장 나는 등 여러 기계적 문제들이 발생했기 때문이다. 딥 시 챌린저 호는 무사히 임무를 완수했지만, 초심해저대에서 큰 손상을 입었다. ”

“ 세상에는 우주 비행사보다 천문학자가 훨씬 더 많다. 심해 생물학자와 심해 탐사가의 관계에서도 마찬가지다. 운행 중인 잠수정 중에서 인간을 수심 300미터 아래로 데려갈 수 있는 것은 소수에 불과하다.* 가장 유명한 심해 유인 잠수정은 매사추세츠주 우즈홀 해양 연구소가 운영하는 앨빈호로 1960년대부터 다양한 형태로 한 번에 과학자 두 명과 조종사 한 명을 심연으로 데려갔다. 일본 해양 연구 개발 기구JAMSTEC의 심해 잠수정 신카이 6500은 연구자들을 수심 6500미터 아래로 데려간다. 중국의 유인 잠수정은 바다에 살며 홍수를 일으킨다는 용의 이름을 따서 자우룽호라고 부른다. 열악한 심해 환경에서 인간의 생명을 유지하는 일은 자동화된 원격 조종 기계를 개발하는 것보다 훨씬 비용이 많이 들기 때문에, 상대적으로 예산이 적은 심해 연구에서는 인간 대신 로봇을 내려보낸다.** 이런 상황에서도 심해 탐험가는 우주 탐험가보다 대개 몇 발 앞서 있었다. *돈만 있다면 이제 민간 잠수정을 타고 수십 미터 아래로 내려갈 수 있다. 이 잠수정은 1960년대에 상상했듯 우주선처럼 생겼고 대형 요트의 갑판에 실릴 정도로 작다. **지구의 모든 바다, 수계, 대기에 관한 과학 연구를 감독하는 미국 해양 대기청NOAA의 2019년 총예산은 54억 달러였다(전년도 대비 8퍼센트 감소). 반면 미국 항공 우주국NASA의 예산은 3.5퍼센트 증가한 215억 달러였다. ”

“ 우선 인간은 지구를 떠나기 전에 심해에 먼저 들어갔다. 1930년대에 미국 박물학자 윌리엄 비브와 미국 발명가 오티스 바턴은 소련 우주 비행사 유리 가가린이 지구 대기권을 벗어나 저궤도에 돌입하기 20년 전, 비좁은 금속 잠수구 안에 들어가 버뮤다섬의 박광층으로 800미터를 내려갔다. 1960년, 인간은 스위스 해양학자 자크 피카르와 미 해군 중위 돈 월시가 심해 잠수정 트리에스테호를 타고 마리아나 해구로 하강하면서 처음으로 바다의 가장 깊은 지점에 도달했다. 오늘날 억만장자들은 여전히 우주여행을 꿈만 꾸는 형편이지만 그중 일부는 이미 돈을 들여 심해에 다녀왔다. 2012년, 캐나다 영화감독 제임스 캐머런은 1인용 심해 잠수정 딥씨 챌린저호를 타고 마리아나 해구로 모험을 떠났고, 이어서 7년 뒤에 미국 투자가 빅터 베스코보는 다섯 개 주요 해양 분지의 가장 깊은 지점에 도달하는 개인적인 숙원을 완수했다. 하지만 우주 비행사가 우주에서 보통 수개월씩 머무는 반면에 심해 탐사자는 한 번에 24시간을 넘기지 못하는 짧은 방문만 가능하다. 아직 심해 연구 기지가 건설되지 못해 심해를 연구하려면 대형 선박을 타고 가는 방법이 유일하다. 이 선박은 이동식 연구 기지로 기능해 심해 위에 떠 있으면서 생물학, 지질학, 화학, 물리학, 공학 연구팀을 지원한다. 연구 항해는 과학자들이 야생의 외딴 바다를 연구하는 동안 몇 주에서 몇 달간 지속된다. 그동안 심해 생물학자는 자신이 찾으려 하지 않았던 것을 보고 누구도 기대하지 않은 것을 발견하며 자신이 세운 가정을 애써 버리게 된다. ”

“ 캐나다가 세계에 자랑하는 보물인 루이스 호수 바로 서쪽에 있다. 이곳의 골짜기 바닥에서 높이 올라간 산비탈에서 고생물학자들은 작은 채석장에서 납작한 검은 셰일들을 조심스럽게 캐낸다. 캐다 보면 석판 표면에 해부 구조가 놀라울 만치 상세히 보존된 동물(때로 몇몇 조류)의 짓눌린 화석이 드러나면서 노고의 보상을 얻곤 한다. ”

“ 1. 원생대 말 버제스 셰일의 동물이 매몰되기 약 15억 년 전쯤인 20억 년 전쯤부터 이야기를 시작해 보겠다. 선캄브리아 시대의 마지막 시대인 원생대의 화석은 많이 보존되지 않았다. 이 시기의 화석 산출은 처트에 보존된 하나의 세포 혹은 여러 개가 뭉친 세포덩어리로 이루어졌고 상대적으로 희귀한 군집에 국한된다. 이 화석들은 내구성이 있는 규산으로 이루어져 있어 보존이 잘 되었고, 종종 커다란 포낭이나 생흔화석이 포함되어 있기도 하다. 아크리타치라고 알려진 두꺼운 유기질 벽을 가진 포낭은 해양조류에 의해 만들어지는 것으로 여겨진다. 원핵생물은 이러한 포낭을 만들지 못하기 때문에 아크리타치는 가장 오래된 진핵생물 기록이고 어떤 아크리타치는 21억 년 전의 암석에서 나타난다. 단순한 원핵생물에 비해 세포의 나머지 부분으로부터 DNA를 분리하는 명백한 핵을 가지고 있다. 엽록체나 미토콘드리아 같은 세포기관이 있기 때문에 진핵생물의 출현은 진화상 아주 중요한 사건이다. 이유는 명백하지 않지만, 아메바와 단순한 조류에서 인간까지 포함하는 진보된 진핵생물이 이외의 다른 생물분류군에 비해 형태적인 적응방산 속도가 훨씬 빠르다. 분자생물학적 그리고 고생물학적 증거를 보면 진핵생물이 보다 복잡한 다양한 형태로 적응방산된 사건은 약 10억 년 전에 일어났고, 결국 이들이 진균류, 식물, 그리고 동물로 이어진 혈통으로 진화했다. 10억 년 정도 된 암석에서는 동물의 화석이 발견되지는 않았다. 기어간 흔적이나 생물이 뚫은 굴 같은 믿을 만한 생흔화석은 6억 5천만 년에서 7억 년 정도 된 암석에서 발견된다. 확실치 않은 증거들이 7억 년 전에서 10억 년 전에 이르는 시기의 암석에서 발견된다. 기록이 잘된 최초의 동물화석은 처음으로 발견된 호주의 화석지 지명을 따서 이름 붙여진 에디아카라 생물군으로 알려진 자국들이다. ”

“ 2. 에디아카라 생물군 1946년, 호주의 지질학자인 R.C. 스프릭은 남호주 주의 에디아카라 언덕에서 특이한 형태의 "해파리" 자국을 많이 발견했다. 그는 이 동물들이 연질부로만 이루어졌고 지금까지 발견된 가장 오래된 동물화석 중 하나라고 여겼다. 스프릭과 그 후 마틴 그래스너와 남호주 박물관, 그리고 에들레이드대의 다른 지질학자들에 의해 집중적 야외조사가 이루어졌고 이를 통해 에디아카라 동물군이라 알려진 연질부의 자국과 함께 산출되는 생흔화석의 군집이 발견되었다. 에디아카라 화석은 그 후 남극을 제외한 모든 대륙의 밴디안 암석에서 발견되었다. 이 원생대의 화석들은 네 가지 종류로 구분된다. 가장 흔하게 산출되는 것은 해파리 그리고 메두사 형태의 해파리 인상으로 추정되는 원형의 자국이다. 두 번째로 흔한 것이 생흔화석으로 벌레 같은 동물에 의해 만들어진 수평의 기어간 자국이나 굴이다. 세 번째로 캄브리아기와 그 이후의 동물들과의 유연관계가 불분명한 수많은 저서성 형태의 동물들이 있다. 마지막으로 잎처럼 생긴 수많은 고착성 생물들이 발견되었다. 에디아카라 동물들이 어떤 상위 분류군에 속하는지는 아직도 논쟁거리이다. 어떤 동물들, 특히 메두사 형태의 해파리는 아주 단순한 조직화 단계를 보여주고 아마도 체벽은 단지 2개의 층(즉, 외배엽과 내배엽만으로 이루어진 이배엽 상태)으로 이루어져 있었을 것이다. 현생의 해파리나 산호와 연관이 있는 강장동물일 수도 있는데 형태가 너무 단순해 고생물학자들은 아직 이러한 유사성이 유연관계를 나타내는지 아니면 수렴진화의 결과인지 단정하지 못하고 있다. 다른 에디아카라 동물들은 보다 복잡한 조직화를 보여주고 있어, 조직체계로 발달할 수 있는 중배엽이라는 하나의 층이 더해진 삼배엽동물이었을 것 같다. 이러한 형태들은 극피동물, 환형동물 그리고 절지동물과 유연관계가 있었을 것이다. 1983년 독일의 고생물학자인 아돌프 자일라커는 에디아카라 동물에 대한 보다 전통적인 해석에 대해 도전적인 새로운 견해를 제시했다. 그는 생흔화석을 제외한 대부분의 에디아카라 동물들이 동물 같은 생물체의 독립적인 적응방산을 나타낸다고 제안했다. 그는 몸 구조의 일반성을 알아냈다. 이 동물들은 현생 후생생물과는 아주 다르게 공기 매트리스 구조를 갖는 것 같다. 크기가 1m 가까이 되는 커다랗고 평평한 디킨소니아(Dickinsonia)는 섭식과 호흡을 위해 표면적은 최대화하는 방향으로 진화했기 때문이다. 자일라커는 에디아카라 동물들이 후생생물이 아니라 그가 벤도바이온트(vendobionts)라고 부른 별개의 진화계통에 속한다고 해석했다. 자일라커는 이 벤도바이온트가 이러한 대형 고착동물들을 먹는 포식자의 등장으로 멸종해버린 실패한 진화실험이라고 간주했다. 이러한 자일라커의 새로운 가정은 아직까지는 널리 받아들여지지 않고 있다. 대부분의 에디아카라 화석이 여전히 진정한 후생생물로 받아들여지고 있기는 하지만 많은 동물들이 캄브리아기와 그 후의 분류군과 어떤 분류학적 유연관계를 가지는지는 아직 명확하지 않다. ”

“ 에디아카라 동물들이 적응방산하기 이전에 긴 빙하기가 원생대 후기에 있었다. 처음으로 인지된 노르웨이 북부지방의 이름을 따서 바랑기안 빙하라 불리는 이 빙하기의 마지막 부분에 대한 증거는 대부분 대륙의 6억 1천만 년과 5억 9천만 년 전 사이의 암석에서 발견된다. 서부 캐나다의 매캔지 산맥의 퇴적물 층은 여러 번의 빙하기에 대한 증거를 보여주고, 가장 오래된 에디아카라 같은 화석들이 이 지역에서 산출된다. 이 중 가장 오래된 에디아카라 군집은 뉴펀들랜드 아발론 반도의 미스테이큰 포인트에서 발견된 것처럼, 에디아카라 언덕에서 발견된 시대상으로 젊은 형태들보다 덜 복잡한 동물들로 이루어져 있다. 그러므로 이러한 동물들은 빙하기 동안 적응방산하기 시작했지만 빙하기가 끝날 때까지 다양성이나 복잡성에서 최고점에 다다르지는 않았다. 바랑기안(Varangian) 빙하가 후생생물 적응방산의 시작에 영향을 미쳤는지는 고생물학자들 사이에서는 여전히 논쟁거리이다. 대부분의 에디아카라 생물들은 캄브리아기가 시작되기 훨씬 전에 화석 기록에서 사라진다. 어떤 고생물학자들은 이렇게 사라지는 것이 동물역사상 최초의 대량멸종이라 주장하기도 한다. 그러나 시대상 나중에 형성된 퇴적암에서 에디아카라 동물이 발견되지 않는다는 사실이 이 동물들이 보존되기에 좋은 환경이 사라졌다는 사실을 어느 정도까지 반영하는지는 명확하지 않다. 다양한 기어간 자국이나 움직인 자국, 생물이 뚫은 굴 등이 원생대 말에 접어들면서 증가하는 것은 부식동물과 생교란 동물의 증가를 알려준다. 실제로 원생대와 캄브리아기의 경계는 파이코데스 패둠(Phycodes paedum)이라는 독특하게 수평으로 뚫린 굴이 처음으로 산출되는 것을 기준으로 한다. 굴을 파는 행위나 부식행위는 시체의 부패를 촉진했고 보존기회를 많이 줄였을 것이다. 얼마나 갑작스럽게 에디아카라 동물군이 사라지게 됐는지는 알 수 없지만 아주 적은 수가 버제스 셰일에 살아남아 있는 것 같다[예를 들어 타우맙틸론(Thaumaptilon)(그림 40,41)]. ”

“ 3. 캄브리아기 대폭발 후생생물의 증가가 캄브리아기 생물 적응방산의 가장 눈에 띄는 특징이기는 하지만 조류藻類와 원생생물의 빠른 분화 또한 캄브리아기 적응방산의 특징이기도 하다. 다윈과 그의 동시대 학자들은 삼엽충이 많이 산출되는 것이 캄브리아기 시작을 알린다는 것을 잘 알고 있었다. 하지만 그 후의 연구에 의해 다른 많은 동물들도 이때 화석기록에 처음 나타났거나 상당히 분화되었다는 것이 밝혀졌다. 아크리타치, 방산충, 유공충, 석회질 조류, 광물화된 골격이 있거나 없는 다양한 후생동물들이 그들이다. 생흔화석의 다양성과 수가 이 기간 동안 현저하게 증가한다. 캄브리아기 초기의 체화석은 대부분의 후생생물들이 진보된 구조에 도달했다는 것을 보여주는데, 이 중에는 환형동물, 연체동물, 극피동물들처럼 중배엽 조직으로 체강이 둘러싸인 진체강동물들이 포함된다. 현생동물들의 유전물질인 리보솜RNA의 차이를 분석한 결과는 진체강동물들이 분명히 캄브리아기 초기 근처인 진화 초기에 빠르게 적응방산했다는 것을 암시한다. ”