지구의 진화 과정(대기, 대양, 생명 탄생 과정)
지구의 진화 과정(대기, 대양, 생명 탄생 과정)
지구가 핵과 맨틀 그리고 지각으로 이루어진 동심원상 내부 구조를 갖고 있고, 그에 더해 지표 위에 대양과 대기 그리고 생물이 존재함을 알고 있습니다. 이들 각 부분은 물리적으로도 매우 다르지만 화학적을도 뚜렷한 특징을 갖고 있습니다. 지구가 처음 만들어질 때부터 우연하고도 절묘하게 이런 특징을 가지게 되는 것은 불가능한 일이고, 지구가 처음 만들어진 후 어떤 일련의 과정을 거쳐 지금과 같은 모습으로 진화하였다고 생각할 수밖에 없습니다. 우리는 이 단원에서 지구의 진화가 어떤 방식으로 진행되었는지 그리고 거기에 필요한 에너지는 어떻게 얻었는지에 대해 알아봅니다. 지구의 탄생과 진화가 어떻게 진행되었는지 알아보도록 하겠습니다.
지구의 진화 과정
지구는 당연히 태양과 다른 행성들이 만들어질 때 같은 성운으로부터 만들어졌습니다. 초기에는 먼지와 암석 조각들이 모여 점점 커다란 덩어리를 만들고, 이 덩어리들이 모여 행성 조각이라 부를 만한 것들이 생겨났을 것입니다. 이것들이 점점 커지면 더욱 큰 중력을 작용하여 주변 것들을 끌어 모으고, 그리하여 행성고리를 만들고, 이 고리 내 미소 행성 및 운석들이 모여 원시 지구를 만들었을 것입니다. 원시 지구를 만드는 과정에서 물질의 응집이 어떠한 식으로 이루어졌는가에 대해서는 약간의 의견 차이가 있을 수 있습니다. 이에 대한 첫 번째 견해는 미소 행성 및 운석 조각들이 무작위로 뭉쳤다고 보는 것입니다. 또 다른 견해는 더 무거운 금속 성분, 특히 철 물질들이 먼저 응집되고 비교적 가벼운 물질들이 나중에 순차적으로 집적되었다는 견해입니다. 첫 번째 방식으로 원시 지구가 형성되었다면 지구 보이는 지구의 내부 구조를 만들기 위해 물질들의 이동 및 재분배가 매우 활발하게 이루어져야 합니다. 두 번째 방식으로 원시 지구가 만들어졌다면 전격적인 분화가 필요 없을 수도 있습니다. 과학적인 견지에서 생각해보면 초기에 무거운 것들이 먼저 응집됐을 수도 있지만, 밀도별로 완전 분리돼 순차적으로 응집되어 원래 처음부터 지금과 같은 내부 구조를 갖도록 응집되는 것은 불가능합니다. 따라서 지구가 형성되고 전 지구적인 물질의 분화가 수반되는 과정은 반드시 있었으리라고 생각됩니다. 지구가 만들어지고 진화하는 동안 지구 전체에 걸친 물질의 분화가 진행되었다면, 즉 물질의 밀도와 친화력 같은 물리화학적 성질에 따라 전체적인 이동이 있었다면, 그 정도의 이동이 가능하도록 물질의 유동성이 확보되어야 합니다. 이를 위해서 지구는 충분히 높은 온도에 도달하여야 하는데, 그러자면 온도를 높이기 위한 열에너지가 필요합니다. 지구 전체를 덮자면 막대한 양의 열에너지가 필요했을 텐데, 지구는 어떻게 그렇게 많은 열에너지를 얻었을까요? 현재 지질학자들이 생각하는 열에너지원은 세 가지가 있습니다. 그것은 바로 주변의 운석 및 행성 조각들이 지구의 중력에 끌려오다 부딪히면서 집적된 충돌에너지, 이렇게 모인 물질들이 서로 좀 더 단단히 뭉치도록 한 중력에너지 그리고 지구 탄생 초기에 구성 물질에 잔뜩 포함되었던 방사능 원소의 분기로부터 발생한 방사선 에너지입니다. 원시 지구 생성 초기에는 지구 주변으로부터 수많은 운석과 행성조각들이 있었을 것으로 생각됩니다. 그 중에는 이미 행성으로의 모습을 갖추고 태양 주위를 운동하던 것도 있었을 것이고 그렇지 않은 것도 있었을 것으로 생각합니다. 이런 것들이 지구와 충돌하면서 그 에너지를 상당 부분 열에너지로 집적하였을 것으로 추측하고 있습니다. 보시는 그림은 과거 지구 생성 초기에 테이아(Theia)라고 불리는 화성만한 크기의 천체가 지구와 충돌하는 모습을 그린 상상도입니다. 이러한 충돌은 지구에게는 그야말로 전 지구적인 재앙이 되었을 것이며, 과학자들은 이와 같은 충돌 결과로 지구의 유일한 위성인 달이 만들어졌다고 믿습니다. 앞서 언급하였던 세 가지 열에너지의 집적에 따라 지구의 내부 온도는 점점 상승하게 됩니다. 그러다가 온도가 충분히 상승하면 몇몇 물질의 용융점에 도달하여 지구 내부에서 부분 용융이 시작되었을 것입니다. 아마도 용융은 용융점이 낮은 물질부터 시작되었을 것입니다. 이미 잘 알려진 것처럼 대개 철과 같은 금속 물질이 암석과 같은 비금속 물질보다 더 낮은 온도에서 녹습니다. 그래서 지구의 내부 온도가 올라가면서 먼저 이곳저곳에서 철 성분의 용융이 시작되는 시기가 도래하게 되었을 것입니다. 녹은 철은 친화도 때문에 같이 모이게 되고, 이 철 덩어리들은 밀도가 높아 지구 중심부를 향해 중력의 힘으로 모여 지구의 핵을 형성하게 됩니다. 이 사건을 지구에서 일어난 철격변, Iron catastrophe라고 합니다. 철격변 기에 용융된 철이 지구 중심 방향으로 모인 건 중력이 일을 한 것입니다. 지구 내부에서 이 중력이 한 일이 다시 열에너지로 전환되어 지구 내부 온도는 더욱 상승하게 되고, 이로 인해 비교적 용융점이 높았던 암석질의 부분 용융이 일어나게 됩니다. 이렇게 용융된 암석 성분, 우리는 마그마라고 부릅니다. 이 마그마는 상대적으로 밀도가 낮기 때문에 지구 표면 쪽으로 이동하게 되고, 결국 이러한 용융 암석 성분이 굳어 지각을 형성하게 됩니다. 지구 생성 초기에는 부분 용융에 의한 마그마의 분출이 지구 전체에 걸쳐 활발하게 일어났을 것이고, 여기 이 그림에서 보는 바와 같이 지구 표면에 마그마의 바다를 이루었을 수도 있습니다. 지금까지 원시 지구가 어떻게 응집되어 형성되었는지 그리고 열에너지의 집적과 내부 온도 상승에 따라 어떻게 부분 용융이 일어났는지, 용융된 물질의 밀도에 따라 어떻게 핵이 형성되고 지각이 형성되었으며, 그리하여 결국에는 동심원상 내부 구조를 갖게 되었는지를 살펴보았습니다.
대기와 대양이 만드렁진 과정
이제 지구 바깥으로 눈을 돌려 지구의 대기와 대양이 어떻게 만들어지게 되었는지 또 어떻게 생물이 출현하고 그로 인해 지구 환경의 변화가 일어났는지를 살펴보도록 하겠습니다. 지구가 만들어질 때부터 대기가 있었습니다. 이를 '최초의 대기'라고 하는데, 아마도 태양계를 만든 성운 구성 물질이 지구의 중력에 붙잡혀 지구 대기를 구성하게 되었을 것입니다. 이때 이 대기는 주로 수소가 대부분이었을 것이고, 이 밖에 헬륨과 약간의 물, 메탄 및 암모니아 등이 있었을 것입니다. 하지만 이 대기는 태양풍 등에 의해 날려지거나 지구 중력권 밖으로 흩어져 금방 사라지게 되었을 것입니다. 앞서 살펴본 것처럼 원시 지구가 응집하고 진화하는 동안 지구 전반에 걸쳐 마그마 분출이 활발하게 일어났으며, 이 마그마의 분출 때 다양한 가스 성분이 함께 분출하여 지구의 대기로 편입되었습니다. 또한 이 당시 수많은 운석과 행성 조각, 심지어는 소행성 크기의 것들까지도 끊임없이 지구와 충돌하였는데, 이 충돌 시 발생한 가스도 대기를 구성하는 데 크게 기여하였을 것입니다. 이렇게 만들어진 대기를 '두 번째 대기'라고 하는데, 질소와 이산화탄소가 주를 이루었을 것이고 이 밖에도 불활성기체가 더해졌을 것으로 짐작합니다. 이 중 이산화탄소는 바로 물에 녹아 암석에 고정되면서 대기로부터 빠르게 제거되었습니다. 만일 이산화탄소가 제거되지 않았다면 지구 기온은 말할 수 없이 높았을 것이고, 이로 인해 생명체의 탄생이 이루어지지 않았을 수도 있었습니다.
생명의 탄생
지구 대기 조성은 지구에 생명체가 탄생되면서 또 한 번 큰 변화를 맞이하게 됩니다. 이 큰 변화는 바로 생물의 동화작용에 의해 발생하는 산소 때문에 일어났습니다. 처음에 산소가 만들어졌을 때에는 지구 환경 온 사방에 존재하는 환원 상태의 물질들을 산화시키는 데 산소가 소모되었습니다. 시간이 지나 어느 정도 산화될 만한 것들이 모두 산화된 다음에 자유 산소가 대기에 집적되기 시작했습니다. 한편으로는 판구조 운동을 통해 대기를 포함한 지구 구성 물질들이 순환하고, 이산화탄소는 암석에 계속 고정되며, 자유 산소의 양은 점점 늘어났습니다. 선캄브리아기 이전까지는 대기 중 자유 산소 양의 변화 폭이 상당히 컸습니다만, 그 이후에 어느 정도 일정한 수준을 유지하기 시작했습니다. 이 대기가 지구의 '세 번째 대기'이며, 현재 대기의 모태라고 할 수 있습니다. 현재 대기는 질소가 80% 정도, 산소가 20% 정도이고, 이 두 기체에 비해 다른 기체의 양은 매우 적습니다. 과거 지질시대를 통해 대기 중에 산소가 얼마나 되었는지 이 그림을 통해 살펴볼 수 있습니다. 산소가 점점 증가해서 현재와 같은 20% 수준에 이른 것을 볼 수 있습니다. 여기서 한 가지 우리가 생각해보아야 할 점이 있습니다. 대기에 자유 산소가 집적되고 나서야 육상생물이 출현할 수 있었습니다. 그 이유가 무엇일까요? 여러분이 곰곰이 한번 생각해보시기 바랍니다. 자유 산소가 존재하는 지구 대기는 다른 어떤 행성에서도 찾아볼 수 없는 지구만의 독특한 특징입니다. 다른 행성들과 구분되는 지구의 특징 중 하나는 바로 대양의 존재입니다. 지구상의 물은 지구 대기에 존재하던 수증기가 지구가 식어감에 따라 응결되면서 화산 분출 등에 의해 지구 내부의 물이 방출되어서 그리고 운석, 행성 조각 및 혜성 등에 포함되어 있는 물이 지구와 충돌할 때 지구 중력에 붙잡히면서 모인 것들입니다. 이 물은 지구 진화와 환경 조절에 있어 매우 중요한 역할을 하였습니다. 앞서 이미 대기 중의 이산화탄소가 물에 녹은 후 탄산염암에 고정되면서 제거되었음을 설명 드렸습니다. 이 외에도 물은 많은 역할을 하였는데, 이에 대해서는 나중에 수자원에 대해 공부할 때 좀 더 자세히 설명 드릴 것입니다. 무엇보다 지구를 지구답게 하는 가장 큰 특징은 아무래도 생명체의 존재일 것입니다. 지구상에 어떻게 생명체가 생겨났는지에 대해서는 많은 가설들이 있는데, 그 중에서 현재 가장 널리 받아들이는 가설이 무생물 기원설입니다. 이 가설은 생명체가 무기물의 화학적인 반응으로부터 탄생하였다는 가설입니다. 많은 분들이 이 무생물 기원설을 자연발생설과 혼동하시는데, 자연발생설은 생명체가 부모 없이 자연적으로 생겨난다는 가설로 이미 사실이 아님이 증명된 가설입니다. 또 하나의 주목할 만한 가설은 생명의 외래기원설인데, 이는 외부로부터의 운석이나 우주선이 채취한 시료에서 유기물을 발견하면서 더 큰 힘을 얻게 된 가설입니다. 아직까지 과학자들은 무생물 기원설을 좀 더 가능성이 큰 가설로 받아들이고 있습니다. 이미 앞서 살펴보았듯이 생명체의 존재 이전과 이후의 지구는 완전히 다릅니다. 최초의 생명체를 탄생시킨 후보 중 하나로 꼽히는 심해 열수 분출 모습이며, 그 옆에는 초기 생명체 중의 하나일 것으로 생각되는 시안박테리아가 만든 스트로마토라이트 사진입니다. 지금까지 지구의 탄생과 진화 과정을 살펴보았습니다. 최초의 응집, 핵과 맨틀과 지각의 분화, 대기 및 대양의 생성 그리고 생명의 탄생까지 여러분은 이 과정을 간략하게 요약해서 설명하실 수 있기 바랍니다.