[ Andrew H. Knol (2015), Life on a Young Planet: The First Three Billion Years of Evolution on Earth, Updated Edition (Princeton Science Library).
앤드류 H. 놀, 『생명 최초의 30억 년: 지구에 새겨진 진화의 발자취』, 김명주 옮김 (뿌리와이파리, 2007). ]
앤드류 H.놀
“생명에게 찾아오는 기회도, 위기도, 지구와 환경 역사와 떼려야 뗄 수 없는 관계를 맺고 있다.”
“소진화 과정과 지구의 역동적인 환경 역사를 결합해야만 비로소 대진화를 이해할 수 있다.”
초기의 동물 진화를 위한 기틀을 다진 대표적인 물리적 사건들
- 지구 전체에 걸친 빙하 작용
- 산소로 충만한 바다의 출현
- 탄소 순환의 갑작스러운 변동
새로운 생물계가 나타나고 생존하기 위한 조건들
- 발생의 도구 상자 (유전자의 중복, 변이, 재배열에 의한)
- 너그러운 생태계 (특이한 유전자 변이가 살아남을 수 있는)
무엇을 탐구할 것인가?
(캠브리아기 대폭발이 있기 전에 틀림없이 오랜 생명의 역사가 존재)
- 시생 이언 초기의 암석에 존재하는 생명의 흔적
- 산소 혁명 (24~22억 년 전)
- 진핵 세포 (내부 공생설 받아들임)
- 에디아카라와 버제스 사이에는 무슨 일이?
- 버제스 동물군과 좌우대칭 동물 사이에는 무슨 일이?
몇 가지 제이콥 말리적 사실들
- 원핵 미생물들이 보여주는 물질대사의 놀라운 다양성
: 호흡, 발효, 광합성, 화학합성
- 동위원소의 분별 효과
: 광합성은 ¹³C보다 ¹²C를 선호 / 황산염환원 세균도 ³⁴S보다 ³²S를 선호
- ¹³C/¹²C의 절대값
: 퇴적물이 형성될 때 매몰된 유기물의 비율이 높으면 값이 커짐.
- 꼭대기 집단과 줄기 집단(진화의 중간 형태)
와라우나 층군 (35억 년 전(3500Ma)) - 생명 시작의 흔적
- 미생물 작용에 의한 것으로 보이는 스트로마톨라이트 발견
(미세구조: 오늘날의 시아노박테리아와 유사)
- 와라우나의 바다에 어떤 종류든 광합성 세균이 있었음을 의미
<- 그 앞에 이미 엄청난 분량의 진화가 일어났음을 의미. (최소한 27억 년 전)
- 시생이언 초기 생태계에도 미생물이 탄소, 황, 질소를 순환.
- 35억 년 전 지구 대기: 질소, 이산화탄소, 수증기 포함. 유리산소는 거의 없었음.
- 35억 년 전의 바다: 산소는 더 적고 철은 더 많음. 표층수 온도는 74도 이하.
: 고세균과 모순?
No. 초기의 호열성 미생물은 (지금처럼) 열수 환경에서 주로 살았기 때문.
건플린트 층군 (20~19억 년 전) - 산소 혁명?
- 스트로마톨라이트에서 미화석 대량 발견 - 철세균
(매트 형성자가 아니라 매트 표면에 떨어진 개체들로 보임)
- 전 세계의 21억~ 18억 년 전의 지층에서 보편적으로 발견
: 심해에서 올라온 철이 풍부한 물이 표층수(산소 용해)와 섞이는 지점에서 건플린트 타입 세균이 번성.
- 건플린트 시대 끝나자마자 사라짐 (약 18억 년 전)
: 시아노박테리아 때문이라기보다는 서식지를 잃었기 때문.
- 건플린트 시대 끝나면 황산염환원 세균이 더 중요해짐
: 원생이언 초기에 산소 농도가 높아져 바다에 황산염이 풍부해졌음.
원생 이언 초기의 산소 혁명
: 생물학과 지질학이 만나는 부분
- 시아노박테리아의 광합성 진화로 산소 생성
- 유기물이 퇴적물 속에 매몰되면서 산소 소비 못 함
- 메탄가스(메탄생성 고세균이 만든)의 일부가 상층 대기에 도달
: 자외선이 메탄가스 분해 -> 수소가스 발생 -> 수소 도주 -> 산소가 지표면에 정착
- 지구 내부 식으며 화산활동 감소
: 산소를 소비하는 가스가 대기에 덜 방출됨
빌랴흐 층군(그레이트 월, 약 15억 년 전)의 시아노 박테리아
- 시아노 박테리아는 원생대에서 지금까지 크게 변화하지 않음.
: 시아노박테리아는 새로운 환경에 빠르게 적응했고, 그 환경이 유지되는 한 변화하지 않음.
<리처드 렌스키의 실험>
대장균의 개체군은 1만 세대까지 번식 (약 5년) : 약 2,000세대까지는 빠르게 진화하며 새로운 환경에 더 잘 적응했으나, 그 후에는 진화 속도가 느려지면서 멈춤.
- 박테리아 진화의 속도는 환경 변화의 속도에 따라 결정됨.
- 시아노 박테리아의 혁명은 15억 년 전에 완결. 제2의 혁명(진핵생물의 부상)은 아직 일어나지 않음.
진핵 생물의 기원
- 린 마굴리스의 공생설 지지
- 진핵생물의 공생이 되풀이하여 일어나면서 광합성이 진핵생물 영역에 여러 번 생겼음을 주장
- 아카데미케르브린 층군(약 8억 년 전)에서는 다양한 종류의 진핵세포 화석 발견됨.
진핵 생물의 다양한 진화는 어떻게 가능했나?
- 짝짓기로 인해 유전자 다양성 보장
- 세포벽 대신 세포 골격 가짐으로써 다양한 물질을 흡수
- 유전자 조절
- 환경의 변화 : 대기와 바다에 산소가 풍부해짐.
더우산퉈 층군(약 6억 년 전)
- 화려한 장식(가시, 플랜지, 손잡이 등)이 달린 미화석들 발견
: 박테리아는 불가능. 진핵생물만 가능.
- 초기 동물의 수정란 화석 발견.
- 버제스 셰일(더우산퉈보다 5,000~8,000만 년 정도 후에 형성)에는 내부 구조와 모양이 복잡한 동물 흔적 많으나, 더우샨퉈에서는 발견되지 않음.
: 이 사이에 많은 일들이 있었다는 증거.
- 더우산퉈 화석은 동물의 진화가 막 시작되려고 하나, 아직 진화적 폭발은 되지 않은 시대.
에디아카라 동물군(에디아카라, 나마 층군, 550Ma~540Ma)
- 캠브리아기 화석군에서 발견되는 화석은 없음
- 자포 동물과 유사한 동물 화석 발견
- 자포 동물과 좌우대칭 동물이 막 갈라지기 시작한 것으로 보임.
- 현생 생물과 유사한 것은 없음.
: 캄브리아기의 생태계가 원생 이언의 기나긴 세월에 걸쳐 서서히 생성되었다는 다윈의 생각은 틀린 듯. 캄브리아기 바다에 출현한 생물군은 그 때 나타난 것처럼 보임.
- 원생대와 고생대 사이에는 무슨 일이 있었나?
버제스 셰일 동물군 (캠브리아기)
- 캠브리아기 동물의 보물 창고
- 이 시대에 좌우대칭 동물 내에 여러 가지 몸 설계가 진화했음.
- 지금은 절멸한 문의 화석
- 이들은 현대의 절지동물에 이르는 과정을 보여 주는 줄기 생물군인가?
- 이들이 사라지고 현생종의 조상이 나타날 수 있었던 이유는?
빙하기와 너그러운 생태계
원생이언 후기의 빙하기 : 탄소 순환 패턴이 크게 변화
- 하나 이상의 대륙이 갈라져 떨어지는 것과 시기가 일치.
: 대륙들이 갈라질 때 좁은 바다가 열리고, 빠르게 쌓이는 퇴적물 속에 유기물이 쉽게 매몰됨.
-> 유기탄소 매몰비가 높아지자, 대기 중의 이산화탄소는 비교적 낮은 수준
-> 기후가 전반적으로 한랭. 빙하에 뒤덮이기 쉬운 상태가 됨.
-> 빙하에 뒤덮이고 알베도 임계치 넘으면 <눈덩이 지구>될 수 있음.
-저자는 <질퍽질퍽한 눈덩이 지구> 가설 채택.
: 시작과 끝이 덜 파격적. 바다에 빙하로 덮이지 않는 열린 곳이 약간 존재.
빙하기 이후에 다양한 진핵생물 살아남을 수 있음.
- 꼭대기 생물군이 절멸하면, 남은 생물에게는 너그러운 생태계가 펼쳐짐
(2026.03.30.)
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