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

“ 1987년 워싱턴대학으로 자리를 옮긴 네이먼은 미국 산림청에서 받은 소액의 연구비로 싯카가문비나무, 붉은오리나무, 양치류 등 하천가에 자라는 식물의 잎에서 동위원소 정보를 수집했다. 동위원소 가운데는 방사능을 띠지 않는 안정 동위원소라는 것이 있다. 이 책의 주연 중 하나인 질소에도 안정 동위원소가 두 가지 있는데, 경질소인 N14와 중질소인 N15가 그것이다. 이 중N14는 지구상에 가장 흔하게 존재하는 질소지만, 연어와 곰의 배설물, 식물의 잎 등에 포함된 N15의 비율은 그 질소가 어디에서 유래했는지를 알려 주는 일종의 화학적 지문 역할을 한다. 여기에 탄소 동위원소 C12와 C13도 보조적인 정보를 더한다. 그래서 과학자들은 동물, 먹이, 영양소의 근원을 알아볼 때 보통 질소와 탄소의 동위원소를 함께 분석한다. ”

“ 심해의 거대한 사체와 뼈에서만 서식하는 고래 낙하지 특화 생물은 지금까지 100종이 넘게 발견되었다. 이들 가운데 상당수는 고래의 살점이 거의 분해된 뒤, 영양분이 주로 뼈에서 흘러나오는 황화합물화 단계sulfophilie stage에 나타난다. 실제로 죽은 지 70년이 지난 고래 사체 한 구에서 심해의 등각류, 다모류 벌레, 작은 반투명 조개류 등 200여 종에 이르는 생물체 3만 개체 이상이 발견된 바 있다. 이 중에는 고래에만 특화된 종도 있었고 심해 전반에 일반적으로 분포하는 종도 있었다. 그러나 수십 년에 걸친 상업포경으로 이러한 서식지가 사라지자, 고래낙하지 생태계도 하나둘 무너져갔다. 먼저 개체 수가 줄고, 이어 집단이 사라졌으며 마침내 종 자체가 자취를 감추었다. 바다에서 일어난 가장 이른 멸종 사례 중 일부는 아마도 고래낙하지에 특화된 생물이었을 것이다. 수백만 년 동안 거대한 고래 사체에 의존해 살아오던 그들은 거처를 잃고 점차 생명력을 상실하며, 결국 영원히 사라졌다. ”

“ 고래의 수가 줄어들면서 심해 생물의 다양성이 감소했고 해저에서 수면으로, 고위도에서 저위도로 향하는 양분 이동에도 차질이 생겼다. 포경은 기후에도 영향을 미쳤다. 고래 사체가 심해로 가라앉으면 그 몸 속에 포집된 탄소가 수백 년, 심지어 수천 년에 걸쳐 격리된다. 그런데 상업 포경으로 인해 이 순환고리가 끊어졌다. 고래 뼈는 해체되었고 비계 속 기름은 연료로 타서 대기 중으로 방출되었다. 포경 전에는 고래 낙하로 인한 탄소격리량이 2700톤이 넘었는데 이제는 3분의 1로 줄어들었다. 오늘날에는 고래들이 바다에 먹이가 부족해 굶주리거나, 낚싯줄에 걸리거나, 선박에 충돌해 비극적으로 죽어가고, 그 사체는 종종 해안으로 밀려 올라온다. 예전처럼 자연적으로 죽어 심해로 가라앉는 일은 매우 드물다. ”

“ 양은 실험 중에 시료의 냄새와 부력도 기록했다. 육식동물은 대체로 잘 가라앉고 냄새나는 똥을 싸는데, 밀도가 높고 악취가 심하다. 반려동물의 배변 봉투나 신발에 묻은 개똥 냄새, 쓰레기통에 배는 냄새를 떠올려 보자. 이들은 고기를 쉽게 소화하기 때문에 똥의 양이 적다. 그런가 하면 채식 동물의 똥은 물에 잘 뜨고 은은한 흙 내음이 나는 편이다. 환기가 잘되는 마구간이나 소 방목지를 떠올려 보자. 내가 옐로스톤에서 주운 들소 똥에서는 기름진 흙냄새가 났는데, 실제로 비옥한 흙과 다름없었다. ”

“ 분변이 액체인지 고체인지 논쟁하던 연구진은 측정치를 확인하고 새로운 깨달음을 얻었다. "우리가 엉뚱한 방향으로 가고 있다는 걸 알게 됐어요." 똥은 고형 물체처럼 움직이지만, 그보다 더 중요한 것은 똥을 감싸고 있는 얇은 막, 바로 '점액mucus'이다. 이 점액이 장내 이동을 유도하는 윤활제 역할을 한다. 점액층의 두께는 동물의 크기에 따라 달라진다. 몸집이 클수록 분변의 양이 많고 점액층도 두꺼워지기 때문에 고양이, 인간, 코끼리 모두가 비슷한 시간 안에 똥을 쌀 수 있다. 이 점액이 없으면 엄청난 힘을 들여 튜브에서 치약을 짜내듯 분변을 밀어내야 할 것이다. "그렇게 되면 분변이 일그러질 테고, 제대로 배설이 되지 않겠죠." 후가 설명했다. 나는 브리스톨 대변 차트 한가운데 자리한 '소시지형'을 떠올렸다. "우리 몸은 대변을 말끔히 내보내고 싶어 하기 때문에, 결국 외부에서 윤활유를 넣어줘야 할 겁니다." 후와 양은 이 배변의 역학을 예인선tugboat이 바지를 밀어내는 원리에 비유했다. 뉴턴의 운동 제1법칙에 따라 정지한 물체는 계속 정지해 있으려 하지만, 직장 근육의 압력이 가해지면 분변이 몸 밖으로 밀려 나와 숲 바닥이나 고양이 화장실, 변기 속으로 떨어진다. 이때 점액이 분비되어 분변이 매끄럽게 미끄러지도록 돕는다. 말하자면 배변은 바나나가 껍질에서 빠져나오는 과정과도 비슷하다. 혹은 워터슬라이드를 타는 것과도 같다. 배변의 유체역학은 분변의 폭과 길이, 대장의 지름, 대장 벽에서 분비되어 분변의 이동을 돕는 정액의 양에 좌우된다. 몸에서 빠져나온 점액은 곧 증발하기 때문에, 양은 생쥐만큼 작은 동물부터 인간만큼 큰 동물까지, 배변 직후 분변의 무게를 잰 뒤 경과 시간에 따른 무게 감소를 추적했다. 예를 들어 토끼 똥에서는 대략 30초 사이에 45밀리그램의 점액이 증발했다. 외형에도 변화가 있었다. 처음엔 반들반들하던 분변이 점차 광택을 잃었다. 동물이 클수록 똥도 크고 점액층도 두꺼웠다. 후와 양은 훗날 이 연구를 통합된 배변 이론a unified theory of peeping이라고 명명했다. ”

“ 오늘날 육지 식물은 4,500억 톤의 탄소를 저장하고 있는, 지구에 가장 흔한 생명체다. 식물이 없는 지구는 상상하기 어렵다. 이들은 토양을 만들고 형성하며 영양을 공급하는 토양의 청지기이다. 하지만 수중에서 육상 환경으로의 진화적 도약은 쉽지 않았다. 일부 강인한 생존자들이 산산이 부서진 암석에서 자라기 시작함에 따라 생태계는 여러 생물들이 기여하면서 발달했다. 박테리아는 질소를 비롯한 다양한 영양소를 식물이 사용할 수 있는 형태로 바꾸었고 식물은 암석질 토양 환경에서 살아가는 미생물과 동물 등이 섭취할 수 있도록 탄소를 고정했다. 식물 뿌리는 광합성으로 고정한 탄소의 20~40%를 토양으로 방출하여 토양에 탄소를 공급하는 1차 공급자가 되었다. 그 결과 토양은 지구에서 가장 다양한 생물이 서식하는 곳이 되었다. ”

“ 늦어도 4억 7,000만 년 전 바다에서 육지로 처음 올라왔던 식물은 토양을 변화시켰고 이 변화는 식물이 새로운 암석을 만날 때마다 일어났다. 1985년, 오리건 코밸리스(Corvallis)에서 열린 질소 고정 박테리아에 관한 학술발표에 참석했을 때 운이 좋게도 나는 이 과정을 직접 볼 수 있었다. 학회를 개최한 단체는 학회장 근처에서 화산폭발이 있었던 세인트헬렌스산을 등반하는 프로그램을 구상했다. 1980년 5월 18일, 지구 깊은 내부의 압력으로 마그마가 지표로 올라와 산의 측면을 팽창시켰다. 그리고 히로시마에 떨어졌던 원자폭탄 1,600개와 맞먹는 힘으로 폭발했다. 나는 뉴스에서 세인트헬렌스산의 폭발로 5억 2,000만 톤의 재가 24km 이상 분출하여 성층권까지 닿는 바람에 태양을 완전히 가려, 화산을 중심으로 수백 km 근방은 한낮에도 으스스하고 밤 같았다고 한다. 유독한 화산 가스가 대기로 분출되는 바람에 57명의 사람과 수천 마리의 동물이 목숨을 잃었다. 화산재는 미국 북서부의 항공 운송을 마비시키고 수로를 막고 농기계가 움직이지 못하게 만들었으며 호흡하는 간단한 행동도 위협했다. 그 후 2주 동안 화산재는 지구를 둘러쌌고 전 세계적으로 충격적인 일몰을 만들어 냈다. 지표 아래를 서성이는 폭발적인 에너지를 상기시키는 강렬함이었다. ”

“ 1985년 내가 화산을 찾았을 때 용암은 이미 굳어 마치 밑바닥이 없는 것처럼 보이는 분화구까지 광범위하고 황량하게 펼쳐져 있었다. 우리가 분화구 가장자리를 에워싸자 가이드는 용암이 만들어 낸 암석에서 자라나는 자그마한 식물 하나를 가리켰다. 샌님 같은 세균학자들은 우리가 에워싸고 있는 거대하고 황량한 분화구 끝이 아니라 식물 주변으로 모여들었고, 우리는 과학이 실제로 작동하는 모습을 보고 있다는 사실을 깨달았다. 이 자그마한 개척자는 콩과 식물이었다. 이 씩씩한 식물은 뿌리혹에 질소 고정 박테리아를 지니고 있다. 질소 고정 박테리아가 없다면 식물은 질소가 부족해 화산암에서 자랄 수 없다. 이 식물이 자라면서 화산암은 풍화돼 부서질 테고, 그 결과 더 많은 박테리아가 서식하고 다양한 식물과 미소 동물이 함께 참여할 것이다. 이 식물, 동물 그리고 박테리아가 죽으면 남은 유기물을 분해하기 위해 다른 미생물이 찾아와 천천히 그리고 반복적으로 우리가 토양이라 부르는 생태계를 만들어 낼 것이다. 남은 여정 동안 우리는 대부분 조용히 생명의 회복력과 화산 폭발, 죽음, 그리고 새로운 군집의 탄생이라는 끝없는 순환에 경외심을 느꼈다. 산에서 내려가려고 돌아설 때 우리는 얼룩다람쥐가 분화구 가장자리를 날쌔게 돌아다니는 모습을 목격했다. ”

“ 현미경을 통해서나 볼 수 있는 작은 벌레부터 굴 파는 오소리까지, 다양한 크기의 동물들이 토양을 만드는 데 중요한 역할을 한다. 지표 아래의 무수히 많은 토양 서식지는 오늘날 밝혀진 생명체의 25%가 서식하는 생물다양성의 중요한 보고이며, 그렇기에 생태계가 작동한다. 토양 1㎡에는 지렁이만 150마리가 넘게 살 수 있는데 이 생물량(biomass)은 모두 합쳐 1헥타르당 1,500kg을 넘는다. 이는 대략 소 두 마리와 맞먹는 무게다. 작은 곤충도 땅속에 서식하는데 평생은 아니더라도 잠깐 머무른다. 무당벌레는 겨울잠을 잘 때만 토양 호텔에 체크인하는 단기 체류 손님이다. 어떤 나방 애벌레는 낮에는 토양 호텔에 머무르고 달이 뜨면 음식을 섭취하기 위해 땅 위 식물로 이동한다. 땅속에 굴을 파 먹이를 찾고 대피소를 만드는 포유동물 혈통의 더 거대한 거주민도 있다. 토양에 서식하는 모든 거주민은 단단한 토양입자를 만들거나 공기와 물이 흐를 수 있는 길을 구축하는 데 기여한다. ”

“ 토양은 살아있든 그렇지 않은 모든 소비자가 영양분을 교환하는 번잡한 시장이다. 이 시장에서 전 세계 탄소와 질소 경제의 많은 부분이 관리된다. 미생물이 흔히 그런 것처럼 전 세계적 영향을 미치는 일들은 매우 작은 공간에서 일어나는 일에 의해 좌지우지된다. 탄소와 질소는 순환을 통해 관리된다. 원소는 하나의 상태에서 다른 분자들로 변했다 원래의 상태로 돌아오는 것을 반복한다. 지구가 45억 년 전에 축적한 원소를 계속해서 재활용해 왔음에도 지구 밖으로의 유출 혹은 방사성 붕괴로 극미량만 유실됐다는 사실은 정말 놀랍다. 지구의 물자 상당량이 결국 토양이라는 시장을 거치면서 원래대로 분해될 것이다. 탄소 순환에서 토양의 복잡한 역할은 기후와 농경에 미치는 영향 때문에 오늘날 특히 관심을 받고 있다. 탄소를 포집하는 과정은 식물에서 시작된다. 식물은 광합성으로 고정한 탄소를 사용해 에너지 생산과 번식에 필요한 세포조직을 만들어 낸다. 어떤 탄소는 셀룰로오스와 리그닌같이 길고 딱딱한 중합체로 만들어져 침입자로부터 식물을 보호하고 높이 서 있을 수 있게 하는 방어 시설을 만든다. 게다가 식물에겐 놀라운 습관이 있다. 식물은 광합성이라는 매우 값비싼 과정을 수행하여 고정한 탄소 중 3분의 1을 뿌리 근처의 토양으로 배출한다. 뿌리를 둘러싼 공간인 근권(rhizosphere)은 미생물을 위한 스모가스보드(smorgasbord)다. 뿌리에서 폭포처럼 쏟아지는 다양한 화학물질은 근권을 상대적으로 화학물질이 부족한 다른 토양과 구별 짓는다. 박테리아는 뿌리 주변을 돌아다니며 맛있는 음식을 집어삼킨다. 어떤 박테리아는 식물이 분비하는 별미를 맛보기 위해 줄지어 달라붙어 뿌리가 울퉁불퉁한 중세시대 철퇴 같아 보이게 만든다. 한편 박테리아가 먹고 난 식물 분비물은 접착제가 되어 작은 토양 입자를 뭉쳐 건강한 토양 구조의 특징인 토양 입단과 흙덩이를 만들어 낸다. 또한 근권의 미생물은 뿌리 주변에 밀집대형을 이루며 풍부한 음식에 이끌려 다가오는 환영받지 못하는 침입자와 병원균으로부터 뿌리를 보호한다. 즉 식물이 미생물 입주민에게 꾸준히 영양분을 공급하는 것에 대한 대가로 미생물은 적절한 토양 구조를 만들어 주고 약탈자들에 대항해 식물을 보호하는 것이다. ”

“ 식물이 광합성한 탄소를 다른 영양분으로 교환하는 일을 박테리아만 하는 것은 아니다. 예를 들어, 균근균(mycorrhizal fungi)은 4억 년 동안 식물과 공생했다. 오늘날 식물 과(family)의 92%는 토양 속에 사는 수천 종의 균근균 중 하나와 밀접한 관계를 맺고 있다. 곰팡이는 먼저 뿌리를 감염시키고 영양분을 포집하는 뿌리 주변에 느슨한 균사 망을 만든다. 곰팡이 균사는 길고 좁은 세포로 이루어진 관으로 주변의 토양으로 뻗어 나가 식물이 사용할 수 없는 인을 포함한 여러 영양소를 수용액 상태로 만든다. 이 공생적인 관계는 인산질 비료의 필요성을 줄인다. 인산질 비료는 토양 개량제로 전 세계의 인광석 공급이 줄어들면서 향후 수십 년 안에 보기 힘들어질 것으로 보인다. 토양 군집을 이루는 식물, 동물, 미생물 구성원은 질병, 계절 순환, 제한된 영양분 혹은 노화로 하나씩 죽어 간다. 그러고 나면 미생물이 사체를 분해하여 새로운 생명체가 사용할 수 있도록 복잡한 분자를 간단한 분자로 만든다. 어떤 곰팡이는 셀룰로오스와 리그닌을 분해하는 능력을 포함해 어마어마한 분해 능력을 지니고 있다. 굉장히 질긴 고분자라 분해할 수 있는 생명체가 거의 없어 사람이 소화할 수 없는 섬유질로 여겨지는 셀룰로오스와 리그닌을 말이다. ”

“ 이제 이 시추 퇴적물의 특징이 눈덩어리 지구 사건과 어떻게 대조될 수 있는지 생각해보자. 눈덩어리 지구 사건이 일어난 과거 퇴적상에서 라슨 C 빙붕 해역의 다이아믹톤 층과 엽층리 층의 조합과 대조할 수 있는 대상은 호상 철광층이다. 선캄브리아 시대에 시아노박테리아가 출현하는데, 이 생물이 광합성을 하면서 많은 양의 산소를 대기 중에 발생시킨다. 이 산소와 해양의 철이 결합하여 침전된 결과가 호상 철광층의 기원으로 알려져 있다. 또한 눈덩어리 지구에서 산소가 없고 철 성분이 풍부한 심해의 물이 용승하여 일부 제한된 지역(예를 들어, 열곡 분지, 빙하 피오로드와 움푹 들어간 분지)으로 들어가서 산화철이 침전되어 호상 철광층이 만들어질 수 있다(그림3-26). 그리고 최근 위의 기작과 다른 철광층의 생성 원인을 밝힌 연구 결과도 발표되었다. 이 연구 결과(Lechte and Wallace, 2016)는 우리의 연구와 매우 유사한 결과를 보여 준다. 이 연구 결과는 약 7억 200만 년 전 스터티안 빙하기의 호상 철광층(아프리카 나미비아와 오스트레일리아 남부)을 대상으로 연구하였는데, 빙하기 당시 산성화된 해수와 철 이온이 결합해 침전하면서 빙붕 아래로 스며들어 지형적으로 낮은 분지가 존재하는 곳에 호상 철광층이 집적되었다는 것이다(그림 3-27). ”