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지구는 어떻게 생겨났고, 생명은 어떻게 나타났는가?
근본적인 답을 찾기 위한 지성의 집합 그리고 과학적 사고의 결정체.
21세기 지구과학이 밝혀낸 지구와 생명에 대한 가장 새로운 이야기!

인간은 왜 우주로 나가고 싶어할까? 왜 다른 지성체의 존재를 궁금해할까? 인간이라는 존재는 끊임없이 무언가를 탐구해왔다. 심해를 보기 위해 잠수함을 만들기도 했고, 지하의 층상구조와 지구의 진화를 살피기 위해 땅속을 파기도 했다. 그리고 이제는 외계에 인간과 같은 지성체가 존재하는지, 인간이 지구가 아닌 다른 행성에서 살 수 있는지를 본격적으로 탐구하고 있다.
현재 인간이 알고 있는, 생명과 지성체가 사는 유일한 행성인 지구는 이런 질문들에 대해 답을 품은 유일한 탐구 대상이다. 최근에 지구과학의 중요성이 커지고 있는 이유이다. 『지오포이트리』는 평생을 지구과학 연구에 매진해온 과학자 좌용주 교수(경상대학교 지질과학과)가 최신의 지구과학을 소개한 책이다. 지구의 탄생과 변화 과정, 그리고 그 안에서의 생명의 출현과 진화를 살펴보면서 외계 행성에서 생명이 살 수 있는지, 외계생명체는 존재하는지에 대한 잠정적인 답을 제시하기도 한다.

합리적인 추측이 만든 지구과학의 역사
그리고 독자를 압도하는 지구의 대서사시!

지구의 역사를 12시간으로 가정하면, 대륙을 움직인 ‘판의 이동’은 0시 31분 3초부터 일어났다. 인류가 11시 58분 58초에 출현한 점을 감안하면 지표의 변화는 아득하게 오래전부터 시작된 것이다. 그리고 지금으로부터 0.0009초 전, 지난 11시간 30분 정도의 시간을 설명하는 판구조론이 등장했다. 이 과정은 물론 순탄하진 않았다.
판구조론이 탄생하기 전인 20세기 초, 기상학자 알프레드 베게너는 ‘대륙이동설’을 통해 땅덩어리가 분리되어 지금과 같은 분포를 만들었다고 설명했고, 지질학자 해리 헤스가 해저확장설을 통해 해저의 지각이 확장해서 대륙을 분리시켰다고 설명했다. 둘의 설명은 지금 들어도 직관적인 이해가 어려울 정도로 얼토당토않다. 이는 해저확장설을 주장한 헤스도 마찬가지였는지, 본인의 가설을 ‘지오포이트리’, 즉 과학적 사실을 바탕으로 둔 지질학 이야기라고 표현했다. 하지만 이후 고지자기학의 발전으로 이야기에 불과했던 가설들은 판구조론이라는 이론으로 자리잡게 된다.
대부분의 학문이 마찬가지겠지만, 특히 지구과학은 그 방대한 시공간적 규모 때문에 실험으로 증거를 찾거나 반론을 제시하기 어려운 학문이다. 그래서 어떤 설명들은 허무맹랑한 소리로 그치지만 어떤 주장들은 과학기술의 발전과 새로운 해석방법의 등장으로 더 오래 살아남기도 하고, 나아가 이론으로 자리잡기도 한다. 지금의 지구과학도 마찬가지이다. 21세기가 되어 이전과는 비교도 하지 못할 만큼 과학기술이 발전하고 다양해졌음에도 불구하고 증명해내기 어려운 문제들이 쌓여있다. 이 책 『지오포이트리』는 현대 과학의 틀 위에서의 지구와 생명, 그리고 인류의 미래를 보여주는 가설들을 상세히 소개한다.

잡동사니의 세상에서 태어난 생명과
판구조론이 보여주는 인류의 미래

지구상의 생명체는 탄소를 기반으로 하며, 단백질이 주 구성원이다. 단백질은 아미노산으로 구성된다. 아미노산은 실험을 통해 그리 어렵지 않게 만들어지며, 우주에도 고분자 화합물을 쉽게 발견할 수 있다. 따라서 원시지구에선 아미노산을 발견하는 게 그리 어려운 일은 아니었지만, 아미노산이 흔하다고 하여 생명 탄생이 쉬웠다는 말은 아니다. 그렇다면 생명은 어떻게 탄생했을까?
생명의 탄생 조건에는 ‘자기복제 기능’과 ‘효소로서의 능력’이 필요하다. 자기복제를 해야 유전 정보를 옮길 수 있고, 효소 작용이 가능해야 에너지 소모를 줄일 수 있기 때문이다. 과거 단백질 월드 가설과 DNA 월드 가설은 두 가지 조건을 동시에 충족시키지 못해 폐기되었다. 최근에는 여러 물질이 섞인 잡동사니 월드에서 무작위로 생긴 고분자 물질 중 일부가 해당 조건 중 한 가지를 충족하게 되고, 다른 기능을 가진 분자를 이용해 RNA 월드를 만들었다는 가설이 등장한 상태이다. 비록 가설의 타당성을 위해서는 더 조사해야겠지만 모든 조건을 만족한 가장 큰 가능성을 지닌 설명임은 분명하다.
한편 기후변화가 급격한 오늘날, 인류의 미래는 어디로 향하고 있는 것일까? 11시 58분 58초에 태어난 인류가 단기간에 지구에 미친 영향은 지대하지만, 넓게 봤을 때는 찰나의 변화에 불과하다. 인류가 수천만 년을 살지 않는 이상 인류의 영향은 무시될 것이며, 짧게는 4억 년 후 태양의 변화로 야기되는 이산화탄소의 감소, 산소의 감소와 온도 상승으로 인해 지구 생태계는 없어질 운명이다. 결국 인류의 지속적인 생존을 위해서는 지구가 아닌 다른 행성을 찾아야 한다. 이를 위해 외계생명체 탐색과 행성의 생존 적합성 조사가 선행되어야 하며, 바로 이것이 과학의 한 분야로서 지구과학이 시간이 갈수록 각광받는 이유이기도 하다.

지표를 구성하는 흔한 돌멩이 하나에서
방대한 시를 읽어내는 지구과학의 매혹

길거리를 지나가다 보면 우리에겐 흔한 돌이 지질학자들에겐 소중한 자료가 되기도 한다. 발에 채는 돌이 수천만 년~수십억 년의 기록을 품은 귀중한 자료로 변하는 것이다. 이런 돌로부터 지구의 조성을 알 수 있고, 과거에 어떤 과정을 거쳤는지도 알 수 있다. 달에서 가져온 돌인 월석도 이와 크게 다르지 않다.
달은 위성이라고 하기에는 유독 큰 크기 때문에 한때 쌍둥이 천체다, 태평양에서 빠져나왔다 등의 소리를 많이 들었던 위성이다. 지구는 어떻게 달을 위성으로 갖게 되었을까? 달의 형성에 대해서는 예로부터 많은 가설이 존재했다. 크게 세 가지로, 분열설, 쌍둥이설, 포획설이다. 그러나 이 세 가지 가설은 현재 지구와 달의 공전궤도의 기울기나, 지구 암석 분석을 통한 구성 물질의 유사성과 물리적인 특징을 설명하지 못하여 폐기됐다. 달의 형성에 대한 새로운 이야기가 필요한 것이다.
이런 상황에서 거대충돌설이 나왔다. 기술이 발달하고 아폴로계획을 통해 달의 암석 시료를 가져와 분석하게 되면서 달과 지구 맨틀의 화학 조성이 유사함을 알게 되었고, 이로부터 과거 원시행성 간의 충돌로 인해 지구로부터 달이 형성됐다는 설명이 등장한 것이다. 물론 이 설명도 순탄하진 않았으나, 최근에 마그마 바다(magma ocean) 상태에서 충돌 후 지구의 물질로부터 달이 형성되었다는 설명을 시뮬레이션으로 보여줌으로써 거의 정설로 받아들여지고 있다. 과학과 기술이 발전하면서 달과 지구의 암석을 분석한 결과를 바탕으로 합리적인 설명이 만들어진 것이다.
생명의 탄생과 달의 형성처럼, 이 책은 지구에 새겨진 가장 오래된 기록들을 토대로 지구의 과거와 현재를 밝히고 미래를 예측하는, 지구과학의 종횡무진 활약상을 엿볼 수 있게 해주는 과학 교양서이다. 지구과학의 역사에서 나왔던 여러 가지 가능성을 한 번에 보여주고, 그중에서도 최근 과학의 성과에 부합하는 가장 새로운 이야기를 주로 설명한다. 독자들은 이 책을 통해 지구라는 행성의 역사에 대해 알 수 있을 뿐만 아니라 과학 교양서로서 가능성부터 시작하는 이론의 발달 과정과 과학 전 분야의 통합적인 사고를 경험할 수 있을 것이다.

프롤로그

제1부 과거를 보는 현재의 시선

제1장 지구의 시간과 공간
시간과 지질시대
공간과 시스템
제2장 우리은하와 태양
우리은하
가스구름과 스타 탄생

제2부 지구의 탄생을 설명하는 새로운 이야기

제3장 태양계의 형성과 지구-달 시스템
원시태양계의 형성
지구를 만든 재료들
거대충돌과 달의 탄생
전통적인 태양계 초기 격변설
태양계 행성의 재배열 : 니스 모델과 그랜드택 모델
제4장 지구에 대기와 해양이 만들어지기까지
대기와 물의 근원
동위원소가 들려주는 물의 기원
물의 기원에 대한 다른 주장들
원시지구의 환경
원시대기의 진화와 바다의 탄생
제5장 지각의 형성과 판구조 운동의 시작
잃어버린 지구의 시간과 초기의 암석권
지구 최초의 판구조 운동과 원초대륙의 소멸
지구 표층의 수직 변화
맨틀의 자리 바꾸기
핵과 지구자기장의 형성

제3부 훨씬 오래전부터 나타난 생명

제6장 생명, 그 신비함의 출발
생명이란 무엇인가?
생명의 기원
생명을 이루는 물질
생명 탄생의 과정
생명 탄생에 필요한 지표 환경과 생명 탄생의 장소
제7장 아주 오랜 생명의 흔적
아직도 희미한 명왕누대와 생명의 흔적
시생누대의 흔적들
어두운 젊은 태양의 역설과 원시 미생물 생태계
제8장 눈덩이 지구와 생물의 진화
원생누대의 특징
지구 전체가 얼어붙었다
지구동결과 생명의 생존
지구동결 이후의 대산화 사건
원생누대 초기 진핵생물의 출현
원생누대 후기 다세포 동물의 출편

제4부 대륙과 생명의 얽힘과 단속적인 변화

제9장 초대륙의 전설
원초대륙에서 초대륙으로의 변화
대륙지각의 성장
저어콘이 밝혀주는 대륙의 성장
초대륙의 형성과 주기성
제10장 해수면 변동과 고생대의 생물 대폭발
생물 대폭발을 위한 지표환경의 변화
생물 대폭발과 진화
새로 밝혀진 사상 최대의 멸종 사건
제11장 중생대 이후의 대륙이동과 생물의 진화
중생대 생물 진화의 배경
곤드와나-판게아의 형성과 분리
중생대~신생대의 생물 진화
중생대~신생대의 기후 환경의 변화
공룡에서 유인원까지

제5부 인류의 역사 그리고 미래

제12장 제4기와 인류의 시대
인간만의 특징
제4기의 지구
제4기의 기후변동
인류의 출현과 진화
제13장 지구의 미래 그리고 인류의 미래
지구 생태계에서 인류의 위치
생물의 미래
판구조 운동의 정지와 해양의 소멸
지구와 태양계의 소멸

에필로그

감사의 글
용어정리
참고문헌

… 엄프로브는 지질학자를 역사가에 비유하였고, 불완전한 사료로부터 역사를 재구성하는 어려움 속에서 상상력의 필요성을 강조한다. 비록 나중에 모순적인 사실이 드러나자마자 폐기할지언정 과학적 산문의 잃어버린 행간에 대해서는 서사적 영감이 필요하다는 것이다. … (p.13)

별의 탄생에서 우리는 많은 별이 위치한 주변의 상황을 보고 그 탄생의 과정을 과학적으로 유추할 뿐이며 그로부터 진화의 과정을 그려내고 별이 가야 할 마지막 길을 살펴볼 뿐이다. … 우리는 이런 별의 죽음을 통해 생성된 원소들로 이루어진 생명들이다. … (pp.50~51)

이런 문제에 대한 하나의 해결책이 최근에 제시되었는데, 지구-달 물질의 유사성을 설명하는 새로운 거대충돌 모델이 발표된 것이다. … 거대충돌설에 의한 달의 형성을 요약하자면 다음과 같다. … 몇 차례의 거대충돌을 거치면서 발생한 엄청난 충돌에너지로 말미암아 원시지구의 상당 부분이 녹아 마그마 바다를 이루었을 것이며, … 이 무렵에 다시 지구 질량의 10분의 1 정도의 천체, 즉 테이아가 지구와 충돌한다. … (pp. 75~77)

그랜드택 모델에 따르면 원시목성은 니스 모델에서의 조건과 같이 약 3.5AU 거리에서 형성된다. … 원시목성은 가스의 흐름에 붙잡혀 태양 쪽으로 이동하기 시작했다. … 원시토성 역시 목성과 함께 태양을 향해 이동했고 … 두 행성 사이의 궤도 공명은 그들을 반대 방향으로 움직이게 했다. … 목성이 소행성대에 근접할 때 그것은 격렬한 충돌이 아니라 서로의 위치를 바꾸는 자리 바꾸기와 같다. … (pp.89~90)

물이 상온에서는 액체, 고온이 되면 기체인 수증기, 저온에서는 얼음이 되는 사실은 상식이다. 그런데 약 218기압에 374℃가 되면 상황이 물의 임계점이 되고, 그 온도와 압력을 넘게 되는 초임계 상태에서는 액체와 기체의 구별이 없어진다. … 그런 대기의 상태로 오래 머물게 되면 지구에 바다를 만들 수 없다. 기적이 필요한 순간이었다. … 따라서 광분해에 의한 수증기의 막대한 손실이 있기 전에 지구가 냉각되어 수증기가 물이 되어야만 했다. … 아주 최적의 타이밍에, 기적이 일어난 것이다. (pp.112~113)

… 하지만 암석권이 조각난다고 해서 바로 판구조 운동이 일어난다기엔 곤란한 문제가 남아있다. … 껍질에 다른 종류의 암석으로 된 지각이 필요하다.
여기서 나온 아이디어가 또 다른 거대충돌이다. … 지금은 상당히 굳어진 상태다. 그러면 지구의 표층은 파괴되고 엄청난 구덩이와 깨진 틈이 만들어진다. … 어마어마한 저지대가 지구 표면에 만들어진다. 결과적으로 이 구덩이야말로 지구 최초의 해양지각이 만들어진 장소다. … 무거운 지각이 주위보다 높다 보니 자연스레 양쪽의 낮은 지역으로 미끄러져 이동한다. 지각이 이동하는 순간이다. … (pp.127~128)

약 40억 년 전의 명왕누대 지구의 어디서 어떻게 생명이 탄생했을까에 대한 답은 현재 두 가지 시나리오로 집약되는 듯하다. 하나는 지구의 깊은 바닷속 열수 환경을 대상으로 한다. … 다른 하나는 … 생명의 재료 물질들이 육상 온천환경, 즉 간헐천에 집적되고 거기서 화학진화가 일어나게 되면 주변의 유기물을 이용하여 살아가는 종속영양생물이 탄생한다는 시나리오다. … (pp. 167~168)

… 캐나다 동부 퀘벡주 북부의 누부아기툭(Nuvvuagittuq) 표성암대에서 채집한 암석으로부터 생물이 활동하고 있던 흔적이 발견되었다. … 생명 활동의 흔적에 2차적인 영향이 나타나고, 결국 실제 연대가 약 37억 7,000만 년 전일 가능성이 제기되었다. … 누부아기툭 표성암대의 생물 구조 화석의 발견으로부터 화석 자체의 연대측정과 더불어 생물의 형태와 화학조성을 조합한 연구가 가능해졌다. 따라서 앞으로 더 신뢰할 수 있는 초기 시생누대의 생명체가 확인될 것으로 기대되고 있다. … (pp.182~183)

원생누대에 들어서면서 지구에는 한랭기가 찾아왔다. … 조지프 커슈빙크(Joseph Kirschvink, 1953~)는 … 1992년에 ‘눈덩이 지구(Snowball Earth)’ 가설을 제창했다. 커슈빙크는 고지자기학 검증을 통해 그 퇴적물이 틀림없이 적도 지역에서 형성된 것임을 입증하였으며, 저위도 지역에 널리 빙상이 발달했다면 당시의 지구 표면은 거의 얼음으로 덮여있었을 것이라는 결론에 이르렀던 것이다. … (pp. 205~206)

저어콘은 지구 초창기의 정보를 간직한 유일한 광물이라 할 수 있다. … 세계 각지의 하천에서 모래를 채취하여 그 속에 포함된 저어콘의 양과 저어콘이 간직하고 있는 마지막 마그마 활동의 시기를 측정한다. 그러면 언제 마그마가 지표 또는 지각에 관입하여 대륙이 증가했는지 그리고 그 양적 성장이 어떠했는지를 추정할 수 있다. … 약 18억 년 전부터 대륙지각의 양이 증가하기 시작했고, 약 6억 년 전 무렵에 급격하게 증가하여 그때까지보다 2~2.5배나 많아졌다는 것을 보여준다. … (pp.250~252)

캄브리아기 폭발(Cambrian Explosion)은 고생대 캄브리아기에 들어서자마자 갑자기 생물의 다양성이 폭발적으로 증가한 사건을 말한다. 이 캄브리아기 폭발로 … 동물의 조상이 거의 대부분 나타났다. 그리고 최근에는 폭발적인 생물의 등장이 … 2,000만 년 정도 지속되었던 것으로 알려졌는데, 40억 년이라는 긴 생명의 역사에서 보면 너무나도 짧은 시간에 벌어진 사건으로 명실상부하게 캄브리아기 ‘폭발’이었다. … (p.286)

지구의 기후가 온난해지면서 바다의 표층에서는 1차 생산(독립영양생물에 의한 유기물 생산)이 늘어나게 된다. … 그리고 플랑크톤의 배설물과 사체 같은 유기물의 양 또한 증가하고, 바닷속을 떠다니다 서서히 가라앉게 되는데 그 모습이 마치 눈 내리는 것 같다 하여 마린 스노우라 부른다. 이런 유기물들이 박테리아에 의해 분해되는 과정에 용존산소가 소비되는 것이고, … 이런 결과가 바로 해양무산소 사건이다. … (p.336)

… 제4기에 일어난 기후변동의 주된 요인은 행성 지구의 궤도운동에 있으며, 지구가 태양으로부터 받는 에너지에 주기적인 변화가 일어났기 때문이다. … 일사량에 영향을 주는 궤도 요소로서는 공전궤도의 이심률, 자전축의 기울기, 자전축의 세차운동(근일점 위치의 변화) 등이다. … 이를 밀란코비치 주기(Milankovitch cycles)라고 부른다. … (pp.362~365)

태양은 앞으로 더 뜨거워지고 더 많은 에너지를 방출할 것이다. … 첫 번째로 위에서 살펴본 것처럼 일사량이 증가하고 이산화탄소 농도가 낮아진다. 그리고 이 결과는 두 번째 변화인 산소농도의 급격한 감소로 이어진다. … 지금으로부터 약 15억 년 정도 후에 지표면의 온도는 100℃를 넘게 된다. 지구에서 생명이 사라진다. (p.390)