적도까지 얼음으로 덮였던 눈덩이 지구와 그것을 끝낸 불, 그로부터 살아나온 생명 이야기

얼음과 불의 탄생, 인류는 어떻게 극악한 환경에서 살아남았는가 - 빙하와 화산을 통해 지적인 생명체의 기원을 추적한다
그레이엄 실즈 지음, 성소희 옮김, 최덕근 감수 / 웨일북 / 2025년 2월

과학은 사실을 확인하는 것이 아니라 의심을 따져보는 것이라 말하는 그레이엄 실즈의 책이다. 지질학자이자 동위원소 전문가인 저자가 바라보는 지질학은 궁극의 미해결 사건이다. 지질학 탐정은 마치 사건을 과학적으로 수사하듯 무자비한 시간에 갉아 먹히고 남은 몇 안 되는 자그마한 퍼즐 조각에서 증거를 모아 종합한다. 저자는 최초의 동물 조상은 얼음에서 태어나 불의 품에 안겨서 자랐고 암석의 풍화작용에서 에너지원을 얻었다고 말한다. 이는 눈덩이 지구 이론과 관련 있는 말이다.

약 7억 년 전 지구는 적도까지 모두 얼어붙는 빙하기인 눈덩이 지구 시절을 겪었다. 저자는 눈덩이 지구 이야기를 하며 소중한 동일과정설을 버려야 한다고 말한다. 동일과정설은 현재는 과거를 푸는 열쇠라는 말로 설명할 수 있다. 저자의 말은 동일과정설을 부정하는 것이 아니다. 저자가 동일과정설을 잠시 보류하라는 것은 현재에는 눈덩이 지구 같은 사건이 없기 때문이다. 당시에는 음(陰; 마이너스)의 피드백이 없었다. 지구는 스스로 기후를 조절하는 음의 피드백 즉 안정화 작용 시스템을 가지고 있다.

가령 지구는 더워지면 암석의 풍화작용이 활발해져 이산화탄소를 흡수해 기온을 낮추고, 추워지면 풍화작용이 느려져 이산화탄소가 다시 쌓여 따뜻해진다. 그러나 선캄브리아 시대에는 이 마이너스 피드백 시스템이 고장나 얼음이 햇빛을 반사해 지구를 얼게 했다. 이를 현재의 지구 온난화에 적용하면 어떨까? 지구가 더워지면 비가 많이 내리고 화학 반응이 빨라져 암석이 대기 중의 이산화탄소를 흡수해 바다 저편으로 격리하는 천연 에어컨 시스템이 가동한다.

하지만 현재 인간에 의해 가속화되는 온난화를 막지 못하는 근본적인 이유가 있다. 바로 시간 규모의 차이 때문이다. 천연 에어컨 시스템은 수십만 년이 걸리고 인간의 작용은 수십 년이라는 짧은 시간에 일어났다. 저자는 믿어지지 않는 상황을 상상하려면 현재는 과거를 열쇠라는 지질학의 전통적 주문을 버리고 레슬리 폴스 하틀리(1895-1972)가 1953년에 발표한 소설 [중개자; The Go-Between] 속의 유명한 대사를 받아들여야 한다고 말한다. 그것은 "과거는 외국이다. 과거에서는 사람들이 다르게 산다."라는 말이다.(92 페이지)

빙하기에는 너무도 많은 물이 얼음 속에 갇혀서 바다는 염분 함량이 높고 얼음장처럼 차갑고 밀도가 극도로 높은 성질을 보였을 것이다. 지질학자들에게 7억 년 전 지구는 얼음으로 뒤덮이고 바다에 철이 가득한, 완전히 다른 규칙으로 작동하던 외국인 셈이다. 동일과정설의 제창자가 살았던 시대는 7억 년 전 지구 상황이 밝혀지기 전이었다. 7억 년 전 지구 상황이 밝혀진 것은 1990년대 이후다.

학계는 덮개 돌로스톤이 전 지구적으로 빙하가 후퇴하던 시기에 형성되었다고 뒤늦게 합의했다. 이 합의 내용은 덮개 돌로스톤이 놀라울 만큼 정확하게 시간을 표시하는 존재이기에 층서학계의 귀중한 보물이라는 사실을 의미한다.(97 페이지) 덮개 돌로스톤은 눈덩이 지구의 얼음이 녹아내린 직후 바다 전체에 탄산염 성분이 과포화되어 수천 년에서 수만 년이라는 지질학적 시간 단위에서는 짧은 시간에 급격히 침전되어 형성되었다.

덮개 돌로스톤은 7억 년 전과 6억 3,500만 년 전 전(全) 지구의 얼음이 동시에 녹으면서 아프리카, 북미, 남미, 아시아, 호주까지 전 세계 모든 바다 밑바닥에 동시에 깔렸다. 저자는 석고를 강조한다. 석고는 지구가 얼어붙었다가 녹아내린 격변의 흔적이자 대기에 산소를 채우고 동물의 뼈를 만들어낸 타임 캡슐이다.

화산활동으로 이산화탄소가 쌓여 빙하가 순식간에 녹아내리자 지구는 엄청나게 뜨겁고 습한 기후로 변했다. 이때 격렬한 풍화작용으로 암석 속의 칼슘이 대거 바다로 흘러 들어 황산염과 결합해 거대한 석고 퇴적층을 만들었다. 석고층은 지구가 극단적인 추위에서 극단적인 더위로 급격히 변했음을 보여주는 지질학적 증거다. 7억 년 전 눈덩이 지구의 증거는 적도에서 발견된 빙하 퇴적암, 빙하가 떨어뜨린 이국적인 바위, 7억 년 전 퇴적층에서 발견된 호상철광층 등이다.

퇴적암은 층이라고 불리는 다양한 두께의 수평층으로 발견된다. 퇴적층마다 위쪽으로 갈수록 입자가 작아지는 상향 세립화(upward fining)가 나타난다. 상향 세립화는 퇴적물을 운반하던 물이나 바람의 에너지가 시간이 지나면 따라 점점 약해질 때 제한적으로 나타난다. 저자는 지질학자는 변호사처럼 정황 증거를 바탕으로 주장을 뒷받침한다고 말한다. 자백은 전혀 없고 결정적 증거는 거의 없지만 전 세계의 과학자로 구성된 배심원단은 개연성이라는 저울을 써서 증거를 숙고한다고 말한다.

더 많은 증거를 확보한다고 해서 학자들의 해석이 하나로 모이지는 않는다. 가설이 성공하느냐 실패하느냐를 결정하는 것은 통합된 상황 증거의 힘이다.(57 페이지) 지질학에서는 지질 도에 표시할 수 있을 정도로 쉽게 알아볼 수 있는 암석의 묶음을 층(formation)이라고 부른다. 보통 층의 이름은 처음 밝혀진 장소를 따서 짓는다. 덮개 돌로스톤은 돌로마이트라는 광물로 이루어진 퇴적암층이다.

전 지구적 빙하기가 끝난 후 빙하 퇴적층 바로 위에 모자처럼 얹혀서 형성된 백운암 지층을 말한다. 빙하 퇴적층은 빙하에 의해 한데 모인 돌과 진흙 등이 빙하가 녹으면서 땅에 쌓여 만들어진 규칙없이 어지러운 지층을 의미한다. 덮개 돌로스톤은 그 지층 위에 형성된 칼로 자른 듯 매끈하고 깨끗한 탄산염 바위층이다. 최근에 빙하가 녹고 있지만 우리는 여전히 빙하 시대를 살고 있다.

이탈리아 북동부에 돌로미티 산맥이 있다. 18세기 후반 프랑스의 지질학자이자 광물학자인 데오다 돌로미외가 이탈리아 산맥을 여행하던 중 일반 석회암처럼 생겼지만 산에 반응하는 속도가 다른 특이한 탄산염 바위를 발견하고 샘플을 채취했다. 마그네숨 성분으로 인해 산에 강하다는 의미다. 돌로미외가 탄산염 바위를 발견한 산맥이 돌로미티라고 명명되었다. 눈덩이 지구 가설은 얼음이 지구 전체를 뒤덮은 탓에 이산화탄소 농도가 극단적인 수준에 이르렀고 마침내 온실 효과가 완전히 얼어붙은 행성의 높은 알베도를 극복했다고 말한다.

지구가 얼음으로 덮이면 증발이 일어나지 않아 비가 내리지 않는다. 대기 중 이산화탄소가 빗물에 녹아 내리면 육지의 규산염 광물을 화학적으로 녹이게 되고 칼슘 이온과 탄산 이온이 결합해 바다로 흘러가 탄산염이 되어 갇히는데 비가 내리지 않으니 이산화탄소 농도가 계속 올라가고 화산활동으로 이산화탄소가 계속 증가해 농도가 극단에 이른 것이다. 결국 눈덩이 지구를 끝낸 요인은 눈덩이 지구 자체에 있었던 것이다.

전 지구적인 빙하 작용의 존재를 확실하게 밝히려면 마지막으로 한 번 더 지구 물리학의 도움을 빌려야 한다. 열대 지역이 얼음으로 덮였다는 정황 증거가 상당히 많이 쌓이자 크리오스진기의 빙하기를 향한 관심이 마침내 부활했다. 이 부활을 이끈 주역은 지구의 과거 자기장에 관한 연구였다. 이 연구는 저위도의 빙하 작용이 그토록 파멸적이었던 이유를 설득력 있게 설명한 눈덩이 지구 가설로 이어졌다.

눈덩이 지구 가설을 제기한 조 커쉬빙크는 행성 전체가 얼음으로 덮인 후 이전 상태로 돌아가는데 오랜 시간이 걸렸으리라고 추측했다. 증가한 알베도가 불러온 효과는 온실가스가 수백만 년 동안 점진적으로 축적되어야만 상승될 수 있었기 때문이다.(113 페이지) 저자는 요즘 우리는 이산화탄소 배출이 지구 온난화를 유발한다는 사실을 너무도 잘 알지만 온실 효과 자체는 본래 해롭지 않다고 말한다.

저자는 단어의 뜻이 너무도 명백해서 따로 설명할 필요가 없는 화석연료라는 말을 좋아한다고 말한다. 탄소 배출과 흡수를 연결하는 고리는 화학적 풍화작용이다. 탄산염 암석의 풍화도 탄산염 퇴적으로 이어지지만 규산염 암석의 풍화와 똑같은 효과를 내지는 않는다. 따뜻한 환경에서는 이산화탄소의 용해도가 낮아진다.

탄산염 퇴적은 오직 규산염 풍화와 연계될 때만 이산화탄소의 순 흡수원이 된다. 전 지구가 얼음으로 뒤덮였다는 사실을 증명할 퇴적학, 지구 물리학적 증거는 이제 압도적으로 많다. 저자는 규산염 풍화작용과 장기적 탄소 순환은 천천히 정상 상태를 회복했다고 말하며 훈훈한 해안과 얼어붙은 불모지가 정말로 나란히 존재했다고 설명한다.(126 페이지)

다이아믹타이트와 텍토닉 멜란지가 있다. 외관상 매우 흡사하지만 전자는 퇴적작용의 산물이고 후자는 지각변동의 산물이다. 아주 오래된 퇴적암의 연대를 충분히 정확하게 밝히는 일은 매우 어렵다. 여기서 충분히 정확하다는 말은 오차 정도가 100만 년이라는 뜻이다. 일반적으로 제일 나은 방법은 화석이나 동위 원소 함량을 바탕으로 상대적 연대를 구하는 것이다.

대상에 포함된 방사성 동위원소의 반감기를 정확하게 추정할 수 있다면 방사성 붕괴를 활용해서 연대를 측정할 수도 있다. 하지만 퇴적물에는 이 방법을 적용할 수 없다. 퇴적물을 이루는 성분은 훨씬 더 오래된 암석이 풍화된 후 강물에 실려 바다로 운반된 쇄설물이기 때문이다. 저자는 서로의 양을 대응 시켜볼 수 있는 독립적 붕괴 계열이 세 개 있는 덕분에 연대를 극도로 정확하게 계산할 수 있다고 말한다.

요즘에는 수억 년 전에 발생한 사건이라도 오차범위를 단 수만 년 이내로 좁혀서 연대를 측정할 수 있다고 말한다. 서로 독립적인 세 개의 붕괴 계열은 우라늄 238, 우라늄 235, 토륨 232다. 지구의 나이를 측정할 때 가장 많이 쓰이는 지르콘이라는 단단한 모래 알갱이가 있다. 이 알갱이가 처음 만들어질 때 우라늄 238, 우라늄 235, 토륨 232라는 방사성 원소가 우연히 함께 갇히게 된다. 이들은 각기 독립적이다.

영향을 받지 않는다는 의미다. 저자는 우리가 전 지구적인 빙하 작용처럼 터무니없이 혼란스러운 현상도 받아들일 수 있다면 마침내 과거를 진정으로 다른 장소로 생각할 수 있을 것이라고 말한다. 동일과정설이라는 신성한 신조를 버린다면 새롭고 흥미로운 질문을 던질 수 있다고 말한다. 대체 무엇 때문에 지구 기온이 이처럼 급락했을까? 혹시 눈덩이 지구 시기가 다시 찾아올 수 있을까?

저자는 자주 현재가 과거의 문을 여는 열쇠라는 선입견을 버려야 할 것이라고 언급한다. 선캄브리아 시대 지구 시스템을 이해하는데 현대의 탄소 순환을 적용해야 할까? 신원생대의 탄소 순환이 오늘날의 탄소 순환과 비슷하다고 확신할 수 있을까? 빙하 작용이 없던 기간이라고 해도 당시에 탄소 순환이 현재와 비슷할까? 먼 과거에도 생물권에서 탄소의 체류 시간이 고작 10만 년이었다고 굳게 믿을 수 있을까?

크리오스진기 빙하기는 생명체 진화의 중요한 전환점이었다. 물론 확실한 동물 화석은 크리오스진기 이후에 형성된 암석에서만 발견되며 초기 생명체는 대부분 미생물이었다. 그러나 오래도록 이어진 빙하기는 생명을 앗아가는 재앙이 아니라 이후에 복잡한 생명체가 출현하는 기틀이 되었다. 캐나다의 지질학자 레지널드 달리는 빈약한 암석 기록을 비난하는 대신 선캄브리아 시대의 동물이 몸에 화석이 될 만한 단단한 부분이 없어져서 아무런 흔적을 남기지 못했다고 보았다.

요즘은 캄브리아기가 가장 오래된 삼엽충보다 2천만 년 먼저 시작되었다고 본다. 대기에는 GOE(Great Oxygen Event)를 통해 23억 년 전에 처음 산소가 공급되었고 해양에는 5억 7천만 년 전 신원생대 산소 발생 사건이 일어났다. 현무암의 높은 인 함량이 해양을 비옥하게 하고 유기물 매장을 촉진해서 한랭화를 더욱 악화시켰다는 가설이 있다. 궁극적으로 인산염은 화학적 풍화작용으로 생겨난다. 그러므로 눈덩이 지구 이후처럼 풍화 속도가 높았던 시기는 인 생산이 대폭 늘어난 시기와 일치하리라고 당연히 예상할 수 있다.(275 페이지)

눈덩이 지구 이후에 풍화 속도가 빨랐던 것은 눈덩이 지구를 끝낸 초온실 효과 때문이다. 저자는 생명체의 급작스러운 확산(다윈의 딜레마)이 조산운동과 산소 모두와 연관되어 있다고 말한다.(293 페이지) 조산 운동은 대기 및 해양의 산소 농도를 급격히 높이는 기폭제가 되며 이로 인해 확보된 풍부한 산소가 생명체의 폭발적인 진화와 확산을 이끌었다. 지구 시스템은 태양 에너지와 판구조운동에 의해 변해왔다. 새로운 생태 기회에 가장 적합한 생명체는 전 세계로 퍼져나갔다.

하지만 기후변화와 해양 무산소 조건이 결합해 생물 진화를 되돌려 놓는 바람에 대량 멸종 사건이 생길 때마다 동물은 무수히 타격을 입었다. 23억 년 전 GOE 이후 지구가 변화하고 이런 재앙이 벌어지는 데에는 황 순환과 여러 피드백이 큰 영향을 미쳤을 것이다. 빙하 작용은 동물이 진화하는데 도움이 되는 환경을 마련했다. 화산활동은 지구의 온실 담요를 두껍게 만들어서 눈덩이를 녹였다. 계속되는 풍화작용 덕분에 바다에 영양소와 산소가 풍부해졌고 생명체가 이를 무기로 군비 확장 경쟁에 나선 끝에 캄브리아기 생명 대폭발이 일어났다.

저자는 우리가 탄 차를 여기까지 안내한 존재는 얼음이었을지 몰라도 그 차의 운전대를 잡은 존재는 태고의 불이었다고 말한다.(364 페이지) 저자는 의심할 여지없이 지식의 발전은 우연한 천재성과 운 좋은 발견에 달린 데다가 가끔 잘못된 길로 들어서기도 하고 뒤로 물러서 기도 하지만 지식이 나아가는 궤도는 무작위가 아니라고 말한다. 지식에는 방향이 있다. 괜히 과학 진보라는 말이 있는 게 아니다. 생물 진화는 우연과 우발적 사고에 의지하며 눈덩이 지구나 대량 멸종 같은 명백한 좌절을 겪기도 한다.

하지만 우리 지식과 마찬가지로 더 커다란 복잡성을 향한 외길을 꿋꿋하게 걸어간다. 저자는 크리오스진기의 빙하기는 동물이 더 진화하는 데 필수적이었다고 말한다. 오히려 진정한 생물 재앙은 영하의 기온이 끝없이 이어질 것 같은 환경에 적응한 생명체가 느닷없이 극단적으로 다른 기후를 만났을 때 일어났을 것이라고 말한다. 생명체는 크리오스진기의 얼어붙은 환경에서 확실히 살아남았다.

하지만 생명체의 에너지 대사가 거의 멈추는 수준으로 아주 느려졌을 테니 당시 지구가 생명체의 이상적인 환경이었다고는 볼 수 없다. 게다가 전 지구를 뒤덮은 빙하에서 벗어나려면 화산활동이 일어나야 했는데 판구조운동이 생명체가 있는 행성에서 지속될 수 있다는 극단적인 견해를 따르지 않는다면 화산활동은 생물이 절대 통제할 수 없는 일이다. 모든 길은 판구조 운동으로 이어지는 것 같다. 그런데 수많은 지질학자가 지각변동에는 액체 상태의 물이 윤활유로 작용해야 한다고 결론 내렸다.

판구조 운동이 일어난 결과 최초의 높은 산맥이 솟아오르고 오늘날과 비슷한 암석 순환이 시작되었다. 물이 암석과 상호작용해서 수소를 배출하는 과정을 사문석화 작용이라고 한다. 저자는 "대사 반응은 폭포 가장자리에서 회오리치는 소용돌이와 비슷하다. 갓 만들어져 엔트로피가 낮은 오아시스인 소용돌이는 에너지를 방출하는 부모인 폭포 없이 존재할 수 없다. 반대로 폭포는 더 정교하게 구성된 자식의 존재를 전혀 인식하지 못한다. 생명체도 마찬가지다."란 말을 한다.

동물은 얼음에서 태어나 석고 염분에서 나온 산소 덕분에 번성했을 것이다. 하지만 에너지를 점점 더 많이 생산하는 대사의 진화와 더 커지고 복잡해진 생물권을 지탱한 주인공은 펄펄 끓는 화산에서 배출된 이산화탄소의 양과 타오르는 태양에서 연료를 공급받은 산화력이 갈수록 증가한 현상이었다.