생명이 폭발적으로 증가했던 때 : 캄브리아기

생명이 폭발적으로 증가했던 때 : 캄브리아기


         수 십억 년 동안 플랑크톤, 박테리아, 조류와 같은 단순한 생물들이 지구를 지배하고 있었다. 

         그 때 갑자기 생명체가 복잡해지기 시작했다.


    한 시간이 지나도록 그는 암석에 관심을 가지지 않았기 때문에, 몸을 구부려 암석을 들어올리지 않았다. 그러나 이른 아침 남서아프리카의 나미비안 사막에 햇빛이 비스듬히 비취면서, 사암 위로 어떤 이상한 표시들이 순간적으로 빛나기 시작했다. 제일 먼저 워싱턴에 있는 스미스소니언 연구소(역자 주 : 미국 워싱톤 D.C.에 있는 국립 연구교육 시설의 조직체로 1846년 창설됨)의 고생물학자 더글라스 어윈(Douglas Erwin)이 이 이상한 표식은 선사시대의 바다 진흙이 마른 것일지도 모른다고 의심하기 시작했다. 그러나 잠시동안 그 패턴을 조사해 본 후에, 그는 그것이 아니라는 결론을 내렸다. 이것들은 이미 오래 전에 멸종된 아열대 바다에서 살던 작고 벌레같은 생명체가 만든 은신처였던 것이다. 어윈이 후에 확인해 보았는데, 이 원시생물체는 캄브리아기라고 알려진 지질학적 시대인 약 5억5천만년 전에 존재했었던 생물이었다.


그와 같이 무해하게 보이는 생명체와 흔적은 생명의 역사에 있어서 중요한 에피소드의 시작을 나타낸다. 캄브리아기는 다세포 동물들이 놀라울 정도로 갑작스럽게 나타남으로써 구별되어지는 시대이다. 이 동물들은 현재 우리가 볼 수 있는 헤엄치고, 날아다니며, 기어다니는 생명체들의 가상적인 조상들이다.


실제로 대부분의 사람들이 진화의 개념을 수억 수천만년 동안에 걸쳐 마술과 같이 일어난 개념으로 알고 있는 것에 반해, 과학자들은 생물학적 변화는 갑자기 시작된 것으로 인식하고 있다. 그리고 이들 중에서도 어윈이 발견한 벌레같은 생물체가 원시 바다에서 갑자기 일어난 일보다, 더 극적이고 더 풍부하고 더 불가사이한 갑작스런 시작은 없을 것이다. 지구 여러 지역에서 어윈이 발견한 것보다 약간 젊은 암석지층들이 발견되는데, 과학자들은 이곳에서 동물학적 분류체계상 거의 모든 중요한 부문의 출현을 나타내는 생물체들의 유해가 화석화되어 있는 것을 발견하고 있다. 이들을 살펴보면 가냘픈 다리와 단단한 껍질을 가진 게 및 바닷 가재와 비슷한 고대 생물들, 거미와 파리 등의 수많은 절지동물들을 열거하지 않더라도, 갯지렁이(bristle worms)와 회충, 조개사돈류(lamp shells), 그리고 연체동물, 해삼(sea cucumbers), 강장동물 등이 있다. 얼핏 보기엔 막대같은 등뼈를 가진 작고 띠를 가진 이들 생물체들은 어류, 양서류, 최종적으로는 인간에 이르는 척색동물(척추동물과 원색동물)의 조상들이라는 것이다.


이와 같은 이상한 이야기는 대체 어디서 유래되었는가? 왜 생물체들은 그렇게 빨리 출현하게 되었는가?


최근 몇 년 동안 진화론자들의 상상력을 자극하거나, 더 새로운 이론들을 야기시키거나, 새로운 탐험에 박차를 가하게 할 만한 논쟁은 없었다. 생명은 45억년 중에서 거의 40억년정도 존재해 왔다. 그러나 6억년 전까지 지구에는 박테리아, 다세포 조류, 그리고 단세포 플랑크톤 보다 더 복잡한 생명체는 존재하지 않았다. 생명체의 첫 번째 흔적은 출현하자마자 이유없이 사라져 버린 손바닥 모양의 (해초지의류 등의) 엽상체(葉狀體)와 비슷한 생명체들이다. 캄브리아기 초기인 5억 4300만년경쯤을 기준으로 1000만년 정도의 기간 내에 치아, 촉수, 그리고 발톱과, 턱을 가진 생물체들이 갑작스럽게 출현하여 형태를 갖추기 시작했다. 과거에는 없었던 창조성의 폭발 속에서 자연은 모든 종에 대한 청사진을 보여주기 시작했다 (모든 종이 나타나기 시작했다). 이 생물학적 다양성의 폭발은 '생물학적 빅뱅(biological Big Bang)'으로서 과학자들에 의해 묘사되고 있다.


진화론을 주장하며 연구하는 연구가들은, 수십년 동안 캄브리아기의 갑작스런 다세포 동물의 출현에 대해서 많은 논의를 해왔으며. 지질학적 기록이 빠져있을 뿐이지, 실제로는 진화에 있어서 매우 긴 시대가 이 캄브리아기 보다 앞서 존재했을 것이라고 주장해왔다. 그러나 이런 설명(어쩌면 전체의 큰 구멍을 메꾸는 식의 설명)은 이제는 점차 불만족스러운 설명이 되어 버렸다. 그린랜드(북미 북동부 세계 최대의 섬으로 덴마크 영토), 중국, 시베리아, 그리고 현재 나미비아에서 발견되고 있는 주된 화석층의 발견은 생물학적 혁신의 시대가 전 세계적으로 거의 동시에 일어났음을 보여주고 있다. (생물체들이 동시에 출현했음을 알려주고 있다).


어떻게 이런 급격한 발전이 있을 수 있는가? 유기 생명체 또는 그들이 살았던 환경은 어떤 것이었는가? 오늘날 이들 질문에 대답하기 위한 새로운 노력들이 진행 중이다. 지질학자와 지구 화학자들은 대기와 해양에서의 변화가 갑작스럽게 진화를 촉진시켰는지 알아보고 있는 중이며, 선캄브리아기의 행성을 재구성해 보고 있는 중이다. 벌레, 파리, 쥐, 물고기 등과 같은 본질적으로 다른 동물들을 종합하여 정리하는 데 필요했던 유전학적 도구들을 떼어 놓는 것은 발생학 생물학자들로서는 괴로운 일이다. 고생물학자들은 화석 기록에 대해서 깊은 탐구를 하고 있으며, 중요한 진화론적 정보를 가지고 있을 생명체를 찾고 있다. '우리는 우리가 소화할 수 있는 것보다 더 빠르게 자료들을 얻고 있는 중이다' 라고 하버드 대학의 고생물학자 앤드류 크닐(Andrew Knill)은 말한다.


매번 몇 주에 한 번씩 이런 문제들이 조금씩 해결되어가는 것처럼 보인다. 지난 달 네이쳐(Nature) 지를 통해 발표된 논문에서, 국제적인 과학자팀은 5억 2500만년 전에 캄브리아기 바다에서 번창했던 1-2인치 정도 크기의 동물의 유해를 아주 잘 보존된 상태로 발견했다고 보고했다. 유연하지만 단단한 척추를 가진 것으로 봐서, 과학자들은 이 동물을 Yunnanozoon lividum 라는 이름의 동물(이 동물은 예전에 중국에서 발견된 것으로 초기 고대의 척색동물이며 호모 사피엔스를 포함한 동물의 척추동물 아문에 속한 분류에서 현재까지 발견된 가장 오래된 조상이다)이라고 추측하고 있다.


고생물학자들은 캄브리아기 폭발에 앞서 선행된 불가사이한 시기를 알아내기 위해 애타게 자료를 모으고 있는 중이다. 지난 봄, MIT의 침전물 학자인 존 그로츠징거(John Grotzinger)가 나미비아 사막 탐험을 하면서, 어윈과 12명의 다른 과학자들을 인솔했을 때까지만 해도, 이 중요한 시기는 화석 기록과는 2천만년 정도로 애매했었다. 그러나 나미비아에서의 발견을 통해, 10월 27일 그로츠징거와 세 명의 동료들은 이 차이가 복잡한 생명체들로 갑자기 채워졌음을 사이언스(Science) 지에 발표했다.


최근의 선캄브리아기 암석층의 아래 층에서 'kopfs'(독일어로 '머리'를 의미)라고 나미비안 사람들이 부르고 있는 울퉁불퉁한 노출부를 끌어올렸고, 그로츠징거 팀은 놀랄만한 변형을 하는 생물학적 군집들의 존재에 대한 자료를 제시했다. 작은 벌레 같고 작은 껍질 같은 것을 가지고 있으며, 아마도 엽상체 정도의 크기인 이 군집은 살기 어려운 환경을 겪고 있는 중이었다.


여기서 가장 흥미로운 사실은 대륙이 나뉘어지고, 유전학적 프로그램이 유동적이 되고, 거대한 해양에 작은 생물체들이 크게 늘어났던, 지구의 역사에 있어서 가장 독특하고 역동적인 시기를, 과학자들이 하나하나 증거를 맞추어가고 있다는 점이다.

 

불가사이한 경이로움들

스미소니안 연구소의 캐비넷 안에는 아주 선명하게 찍은 돌의 스냅사진이 보관되어져 있다. 세상에서 멸종된 수많은 생물들이 (애벌레를 닮은 다리로 뛰어오르는 포동포동한 Aysheaia 로부터 코를 길게 내밀고서 굴 주변에 숨어있는 교활한 Ottoia 까지) 검은 이판암 조각들 위에 새겨져 있다. 버제스(Burgess) 이판암으로 알려진 캐나다의 록키산맥의 지질층을 1900년대 초에 조사해 보았다. 이들 지구상에 나타난 초기 동물들의 유해들은 현재 값을 매길 수 없을 정도의 보물이 되어버렸다. 그러나 이것들이 발견된지 150년이 지난 후에, 버제스 이판암 화석은 거의 과학적 관심을 끌지 못했다. 왜냐하면 연구자들은 약 3억년 전에 살았던 공룡과 같이 이해하기 쉽고 큰 생물체에 관심을 가지고 있었기 때문이다.


1960년대 말에 들어서면서 세 명의 고생물학자들 (잉글랜드에 있는 캠브리지 대학의 해리 휘팅톤(Harry Whittington)과 그의 두 명의 학생들 Derek Briggs 와 Simon Conway Morris)은 버제스 이판암 화석에 대한 조직적인 재검사에 들어갔다. 강력한 현미경을 가지고 그들은 해부학적 연구를 통해 이판암 돌의 비밀들을 알아내고 있다. 적은 유해이지만 중요한 동물들은 5억1500만년 전에 거대한 진흙물에 의해 휩쓸려 산소가 없는 깊은 물에 빠져 버렸다. 이곳에서는 이 동물들의 조직을 분해할 박테리아조차도 살 수가 없는 곳이었다. 보존된 것들은 다윈과 동시대 사람들이 말한 단단한 껍질을 가진 생명체들이 아니라, Aysheaia 와 Ottoia 와 같은 부드러운 몸체를 가진 동물들의 화석화된 유해들이었다. 게다가 더 놀라운 점은 일부분만 소화된 음식물을 가지고 있는 Ottoia의 내장과 같은 섬세한 내부 유해들이 남아 있었다는 사실이었다.


곧 캄브리아기 이야기를 재구성하고자 하는 시도가 고생물학자들의 모임에서 다시 일어나기 시작했다. 다섯 개의 눈과 소방호스같은 코를 가진 유별난 Opabinia의 비밀이 밝혀졌다는 소식에 대해 사람들은 기뻐했다. 그러나 콘웨이 모리스(Conway Morris)가 바늘처럼 가는 다리를 가지고 춤을 추는 것으로 할루시게니아(Hallucigenia)를 묘사하자 다소 의심을 받았다. 두 줄로 된 수직으로 선 비늘을 가지고 이상한 갑옷을 가진 Wiwaxia도 의심을 받았다. 아노말로카리스(Anomalocaris) 라는 무서운 포식동물은 까다로운 그들의 먹이를 잡고, 카메라의 셔터처럼 닫친 턱 사이에 그들을 짓눌렀다. '불가사이한 경이로움들', 하버드대학의 고생물학자 스테판 제이 굴드는 1989년에 출판한 그의 책 '경이로운 생명체(Wonderful Life)'에서 버제스 이판암 화석동물들의 특이함을 이와 같이 찬양했다.


'경이로운 생명체'가 발간되자 마자, Sirius Passet, 그린란드, Yunnan, 중국 등지에 묻혀있던 캄브리아기 화석들의 새 발견은 불가사이함을 조금 덜어주었다. 예를 들어 할루시게니아의 불가능하게 보이는 다리들은 선사시대의 velvet worm의 전도된 척추로 밝혀졌다. 일부 과학자들이 생각하기로는 동일하게 Wiwaxia 도 아마 살아있는 갯지렁이와 같은 계통일 것이었다. 그리고 더 많은 연구와 함께 그 급속히 팽창하는 다양성을 가진 아노말로카리디드(Anomalocaridids)는 매우 다양한 절지동물의 사촌쯤 되어 보인다.

 

콘웨이 모리스(Conway Morris)가 말하길, 실제 놀라운 것은 이들 동물들의 대부분이 매우 닮아 보인다는 점이다. 캄브리아기 동안에 (아마도 오로지 캄브리아기 동안에만) 자연은 (분류상의) 강(綱)과, 목(目)으로부터, 과(科)와, 속(屬), 그리고 종(種) 까지의 모든 것을 포함한 문(門)으로 알려진 넓은 생물학적 그룹을 정의하는 동물의 몸의 설계가 이루어졌다. 예를 들어 척색동물의 문(門)은 포유동물, 조류, 어류를 포함한다. 포유류 강(綱)은 영장류 목(目), 사람의 과(科), 속(屬), 그리고  우리가 속한 Home sapiens 종(種)을 모두 포함한다.

 

초고속의 진화

과학자들은 문(門)의 진화에 대략 7500만년의 시간이 걸렸다고 생각했지만, 사실상 이 정도의 시간으로도 진화가 일어나기엔 불가능할 정도로 너무 짧다고 생각했었다. 2년전에 그로츠징거와 M.I.T의 사무엘 보우링(Samuel Bowring), 그리고 하버드 대학의 크놀(Knoll)에 의해 운영되고 있는 연구 그룹은 이 오래된 문제의 중요한 국면을 제시했다. 먼저 그들은 지질학적 시계를 재보정했고, 예전 길이의 반쯤에 해당하는 캄브리아기를 잘라내었다. 그 다음 그들은 주된 진화론적 혁신의 기간은 전체적으로 3000만년 기간이 아니라, 오히려 1000만년내에 이루어 졌다고 주장했다. 하버드의 굴드는 다음과 같이 말했다. '우리가 과거에 생각했던 것보다 훨씬 더 엄청나게 빨리 생물들이 생겨났습니다. 그것은 큰 관심거리입니다.'


크놀, 그로츠징거, 그리고 그들의 동료들은 북동부 시베리아의 지역을 여행했었다. 이곳은 수 천년 동안의 엄청난 침식으로 인해, 반 마일 이상의 암석들이 노출되어 있는 곳이다. 레나(Lena) 강 입구 근처의 고대 해저에서 그들은 다양한 캄브리아기의 특징적인 작고 껍질이 있는 화석들을 발견했다. 더군다나 자연이 만들어 낸 가장 고감도의 시계인 지르콘(Zircon)으로 알려진 광물의 작은 결정들을 포함한 화산재 석탄을 발견했다.


우라늄의 양과 결정 내에 있는 납의 상대적인 양을 측정함으로써 화석의 연대를 측정하는 지르콘 연대측정법은 캄브리아기의 시기를 점점 줄여가고 있다. 예를 들어 1990년까지 세계에서 발견된 초기 캄브리아기 유적지로부터 얻은 새로운 연대는 생물학적 빅뱅의 시작을 과거 6억년보다 짧은 5억6000만년으로 단축시켰다. 지금 시베리아로부터 얻은 지르콘의 납의 양을 기초로 한 정보를 통해서, 가상적으로 모든 사람들은 캄브리아기의 시작이 거의 5억4300년 정도일 것이라고 보고 있다. 이것은 화석기록을 통해 한 개의 문(門)이 500만년에서 1000만년 내에 나타나는 것을 고려해 본다면, 이것은 놀랄만한 일이었다. 보링(Bowring)은 웃으면서 다음과 같은 말을 한다. '우리는 지금 진화의 속도가 너무 빠르다는 것을 알았다. 그리고 내가 나의 생물학자 친구에게 묻기 좋아하는 것은 진화의 속도가 얼마나 빨라야 진화론자들이 불안해 지겠는가? 하는 것이다.'

 

변종 또는 조상들?

현재 연구자들이 확신하건데, 캄브리아기 폭발의 열쇠는 그 앞에 선행된 지질학적 시대인 Vendian 에 달려있다. 화석 기록에서의 실망스러운 간격 때문에, 정확한 시간 간격 탐구에 대한 노력이 방해받고 있다. 이런 이유 때문에 어떠한 사람도 캄브리아기가 시작되기 수억년 전에 나타난 (해초지의류 등의) 엽상체 모양의 생명체를 만든 것이 무엇인지를 알지 못하고 있다. 그 때 겉으로 보기엔 모두 멸종한 것 같다. 예일 대학교의 고생물학자 아돌프 세일라처(Adolf Seilacher)가 Vendobionts 라고 이름 붙인, 이들 놀라운 생명체는 후에 나타날 생명체와 연결되어 있을까, 아니면 그들은 생명의 역사의 장에서 완전히 구별된 것으로 나타났을까?


세일라처는 후자의 설명을 지지하는 열렬한 투사다. 그녀는 Vendobionts 는 빠른 성장의 문제에 대해 본질적으로 다른 형태적 해답을 보여주고 있다고 생각한다. 다 자라면 90cm 또는 그 이상에 이르는 이들 '생물체들'은 그들의 몸이 세포로 나뉘어지지 않고, 공기 침대와 비슷한 원형질을 가진 부분으로 나뉘어진다고 세일라처는 믿고 있다. 그들은 포식자를 가지고 있지 않았고, 해양층에 잔잔하게 위치하면서 바닷물 또는 박테리아를 통해 생산되어진 영양분을 흡수하면서 존재했다고 세일라처는 말한다.


그러나 UCLA 고생물학자 부르스 러네가(Bruce Runnegar)는 세일라처의 의견에 반대한다. 러네가는 넓은 코르덴으로 만들어진 주머니와 비슷하게 생긴 Ernietta로 알려진 화석은 광합성을 통해 영양을 공급하는 해초의 일종일 뿐이라고 주장한다. 디스크 같이 생긴 엽상체인 Charniodiscus에 대해 그는 군체를 이루는 자포동물(Cnidarian, 강장동물과 말미잘, 바다조름을 포함하는 문)로 분류한다. 그리고 명백하게 몸을 세분화 시킬 수 있는 디킨소니아(Dickinsonia) 에 대해 러네가는 임시적으로 나중에 회충과 절지동물을 발생시킨 조상들이라고 본다. 캄브리아기의 폭발은 미지의 세계를 분출한 것이 아니다 라고 주장하며, '그것은 오래 전에 시작되었던 과정의 연속일 뿐이다' 라고 말했다.


이 두 사람의 논쟁은 더욱 가열될 예정이다. 과학 논문들이 함께 보여주는 그림들 때문에, 연구자들은 Vendian 의 말기에 다양한 생명체 군집들이 해양에서 번창했다는 결정적인 증거를 가진 나미비아 쪽으로 돌아서게 되었다. 단지 자연은 창조적인 광란에 지배를 받았을 뿐이다. 예를 들어 러네가는 최근에 초기의 스폰지처럼 보이는 원뿔형 모양의 생명체의 화석에 대해서 현재 연구 중이다. M.I.T의 베벌리 세일러(Beverly Saylor)는 작은 크기의 야수들과 껍질이 있는 것들, 포도주 잔처럼 생긴 것들, 그리고 장막의 막대를 축소시킨 모양의 것들을 포함한 사암을 분류 중이다. 그리고 캐나다 온타리오에 있는 퀸(Queen) 대학의 구이 나본느(Guy Narbonne)는  디킨소니아 (공식적인 캄브리아기 시작 때의 암석층 아래에서 발견된 생물체와 같은 것)를 이해하기 위해서 노력하고 있는 중이다.


화석기록에서 간격으로 남겨져 있던 것이 생명체들이 가득찬 시기로 판명되었다. 그로츠징거는 후기 선캄브리아기 생태 환경을 바라보면서 느끼는 단순하며 놀랄 만한 통찰을 통해 Vendobients 에 대한 오래된 주장들을 재구성해야 할 필요가 있다고 믿고있다. 그로츠징거가 말하길 그들이 동물들의 조상이든 진화론적 막다른 곳이든간에, 디킨소니아와 그 부류들은 더 이상 이차적인 변종으로써 생각되어질 수 없다 라고 했다. 수많은 작고 껍질을 가진 생명체들과 바다 바닥에 발자국과 구멍을 내는 불가사이한 혈거성(穴居性) 동물과 함께, Vendobionts 는 캄브리아기 폭발의 중요한 실마리로써 출현했다. 그로츠징거는 다음과 같이 말했다. '우리는 지금 진화가 두 개의 연관되지 않은 박동(pulse) 속에서 진행되는 것이 아니라, 하나로써 함께 동작하는 두 개의 박동들 속에서 진행된다는 사실을 알고 있다.'

 

조류를 통과해서

인간의 눈으로 보기엔, 캄브리아기 폭발 직전의 세계는 상당히 냉혹한 현실이었을 것으로 보인다. 지각변동의 힘은 거대한 지진을 일으켜, 대륙을 서로 분리시키고 부딪치게 만들었다. 히말라야 산맥은 하늘을 향해 솟구쳤고, 바위가 무너져 내리고, 모래와 진흙이 그 주변으로 떨어졌다. 기후는 엉망이 되었다. 대빙하기가 찾아왔으며, 대기와 해양의 화학반응이 지구의 역사에 있어서 일종의 가장 극적인 이동을 견디어내면서 진행되었다. 크놀(Knoll)은 여러 가지 방식으로 이들 극적인 지각의 융기에 의해 원시 해양에 산소가 주입되었으며, 이로 인해 복잡한 동물들이 탄생할 수 있었다고 말한다.


조직에 공기를 통하게 하고 교원질(膠原質)과 같은 필수적인 구조성분들을 만들기 위한 산소가 만약 없었다면, 동물들은 단순히 크게 성장할 수는 없었을 것이다. 그러나 지구의 역사에 있어서 가장 중요한 광합성을 통한 산소의 생성(신진대사의 마력은 원시조류가 이산화탄소와 물과 태양 빛을 에너지로 변화하도록 해주었다)은 거의 완벽하게 산소고갈 과정, 특별히 유기적인 감쇠와 균형을 이루었다. 실제로 거대한 조류 군집은 선캄브리아기의 해양이 수많은 영양분을 생산할 수 있도록 보호해 주었다. 그리고 박테리아가 끈적끈적한 부스러기들을 분해함에 따라, 반대로 광합성이 형성되고, 산소가 소비되며, 이산화탄소가 발생하게 되었고, 온실 가스는 지구를 뜨겁게 만들었으며, 지구는 따뜻하게 되었다는 것이다.


산소의 증가로 지구의 유기물질의 감소가 줄어들게 되었다. 6억년 전, 이와 같은 일들이 일어났다. 그 변화는 석회석(광합성 동안에 조류에 의해 우선적으로 흡수되던 탄소12와 그보다 다소 무거운 탄소 13 등 바닷물에 풍부하게 존재하던 두 가지 탄소동위원소로 이루어진 것)과 같은 바위의 화학적 형성을 통해 알아볼 수 있다. 이 고대 석회암의 표본추출을 통해, 크놀과 그의 동료들은 탄소12와 탄소13의 비가 25억년에서 Vendian의 끝까지의 시기인 대부분의 원생대 누대(지질학적인 연대 구분의 최대 단위)에서 안정하게 남아 있었다고 결론을 내렸다. 그러나 캄브리아기 폭발에 앞선 원생대 마지막에서, 탄소 13 수준이 극적으로 상승하게 되었고, 유기물질의 형성에서 탄소 12가 해양으로부터 제거되었음을 제안했다.


크놀은 가파른 산경사가 침식당한 것이 하나의 메커니즘이 될 수 있다고 고민했다. 시간이 지남에 따라 많은 침전물과 바위가 바다로 들어가면서 바다 바닥으로 조류들이 묻혔다. 추가적으로 끊어진 대륙들은 해양의 구보분지의 모양을 변화시켰다. 이로 인해 물이 활기차게 순환하지 못했다. 유기탄소가 바다에 들어가고, 해양의 표면이나 대기 중으로 다시 순화되어 돌아가지 못했다. 대기 중의 이산화탄소의 수준이 떨어짐에 따라, 지구가 추워지기 시작했다. 결과적으로 대빙하기가 6억년 가량 지속되었다. 그러나 지질학적, 지구화학적 사건들을 생물학에서의 중대한 발전과 연결 시키는 것은 복잡한 일이다.


생물학은 또한 지구화학에 영향을 준다고 인디아나 대학의 생화학자 존 헤이즈(John Hayes) 는 말한다. 사실 올해 초 네이쳐(Nature) 지에서 발표한 논문에서 헤이즈와 그의 동료들은 내장(한 쪽 끝에서는 음식물을 흡수하고 다른 쪽 끝에서는 배출하는 단순한 관)이 캄브리아기 폭발의 주요한 열쇠일 것이라고 주장한다. 그들의 생각은 이와 같은 것이다. 동물들이 조류를 뜯어 먿고, 유기물질을 작은 대소변으로 남긴다. 이것들이 깊은 해양에 떨어지고, 산소가 고갈되어가는 박테리아에게서 그들의 주요 음식원을 빼앗아 버린다. 그 증거는 무엇인가? 헤이즈가 말하길 고대 암석에 있는 유기 지질들을 조사해 본 결과 5억 5000만년 때의 탄소동위원소의 비가 급작스럽게 변하게 됨을 알게 되었다. 또한 조류와 같이 탄소 12가 풍부한 음식원들이 해양의 바닥으로 빠르게 이동하게 되었다고 그는 제안한다.

 

유전학 도구

선캄브리아기의 해양 동물들은 어윈이 나미비아로부터 가져 온 암석 위에 나 있는 굽이치는 표시로 볼 때 벌레 같은 것과 닮은 것 같다. 이들은 모래 위에 굴을 팔 정도로 단단하지는 못한 촌충 같은 편형동물보다는 발전된 형태로, 강하고 유체가 가득찬 몸체를 가지고 있었다. 근육조직은 강한 수축을 할 수 있었고, 아마도 심장과 빛을 감지 할 수 있는 눈을 가진 잘 구성된 머리, 그리고 그 끝이 열려있는 위장관을 가지고 있었던 것 같다. 그와 같은 생명체를 조정하기 위해서 자연이 필요했던 유전학적 장치는 대체 무엇이었는지에 대해 어윈은 궁금해하고 있다.


여름내내 어윈은 두 명의 고생물학자 친구들, 시카고 대학의 데이비드 자블론스키(David Jablonski), 캘리포니아 버클리 대학의 제임스 발렌틴(James Valentine) 와 함께 이 문제에 대해 고심했다. 이들은 강장동물을 닮은 원시 다세포 생물들이 배의 발달을 주로 조정하는 세 개의 Homeotic Homeobox 유전자들 또는 Hox 유전자들을 가지고 있다고 추측하고 있다. 편형동물은 과일 파리와 같은 절지동물이 8개를 가지고 있는 것처럼 4개를 가지고 있고, 원시 척색동물인 창고기(Branchiostoma, 한 때는 Amphioxus 로 불림)는 10개를 가지고 있다. 어윈과 다른 사람들은 5억 5000만년 전에 어떤 벌레같은 생물체의 Hox cluster 가 팽창되었고, 유전자의 수가 6까지 되었다고 믿고 있다. 그 때 자블론스키는 '꽝' 하고 소리쳤다. '아마도 그 시점에서 생명체는 일종의 중요한 관문을 통과하고 있었다.' 그 결과는 캄브리아기의 폭발이었다.


캄브리아기 시대 동안의 다양한 형태의 확산은 아마도 Hox 유전자와 관계있는 것 같다고 과학자들은 추측하고 있다. 그러나 그것은 무엇일까? 그것을 알기 위해, 위스콘신 대학의 메디슨 캠퍼스에 있는 발생학 생물학자 신 캐롤(Sean Carrol)의 연구실은 오스트레일리아의 건조한 숲속에 있는 썩은 통나무에서 살고 있는 작은 Velvet worm들을 수입해 왔다. 그들은 이 벌레들이 거품방울을 만들어내면서 공기 중에서 살찐 다리가 흔드는 것을 보면서, Aysheaia 와 동일한 것에 매우 놀랐다. 그것은 버제스 이판암에서 보았던 그림을 생각나게 한다. 캐롤은 다음과 같은 중요한 질문에 답하고 싶었다. 절지동물이 사용한 것 보다 더 작은 Velvet worm을 만들기 위해 필요한 유전학 도구들이란 무엇일까? 이미 캐롤은 캄브리아기 폭발은 Hox 유전자의 수의 단순한 팽창 그 이상의 무엇인가에 의해 힘을 얻었을지도 모른다고 의심하고 있다. 더 중요한 것은 각 Hox 유전자와 수백개의 다른 유전자들을 연결하는 거대한 망이 변화되었다고 믿고 있다. 캐롤은 이들 유전자들을 컴퓨터를 움직이는 칩과 같이 고려하고 있다. 캄브리아기의 폭발은 새로운 하드웨어의 개발을 의미하는 것이 아니라, 오히려 존재하던 유전자들이 새로운 변화를 수행할 수 있게 해주는 새로운 소프트웨어의 개발을 의미하는 것이다. 예를 들어 이상하게 보이는 절지동물들은 다리에 대한 코딩을 하는 유전적 스프트웨어의 변화가 다소 서툴게 고쳐진 것일지도 모른다. 캐나다 칼레톤 대학의 곤충학자 Jarmila Kukalova-Pexk는 '절지동물'은 모두 다리(턱과 발톱 그리고 여섯 개의 기관으로 진화된 다리를 포함)를 가지고 있음을 관찰했다.

 

다윈이즘을 넘어서

물론, 아직까지 이렇게 빠른 진화를 가능하게 한 것이 무엇인지에 대한 큰 의문에 대답 할만큼 캄브리아기 폭발에 대한 이해가 이루어지지 않았다. 과학자들은 정확한 증거보다는 직관에 의존한 시나리오를 제안하고 있다. 한 가지 재미있는 것은 캄브리아기 생물들을 대평원에 있는 농장 주인들에 비유하고 있다는 소위 빈 통 또는 열린 공간이라는 가정이다. 다른 말로 캄브리아기 폭발이 일어난 생물권은 과거 미국 서부에서 정착을 위해 갑자기 넓은 빈 지역이 제공되었던 것과 비슷하다는 것이다. 초기 땅의 급격한 침강은 정착자들이 새로운 기반을 세우는 것을 더욱 어렵게 만들었다.


포식관계는 또 다른 일반적인 설명이다. 일단 다세포 초식동물들이 출현하면, 이들을 잡아먹을 육식동물이 진화되는 것은 시간문제일 뿐이다. 포식관계에 대한 첫 번째 표시는 Vendian 기와 캄브리아기 사이의 전환기 시점에 있는 화석기록과 아이스크림 콘을 축소해서 쌓아둔 것 같은 모양의 껍질을 가진 생명체들이 구멍을 뚫는 것을 통해서 볼 수 있다. 선캄브리아기 후반기에 보호 껍질과 단단하고 날카로운 부분들이 출현한 것은 약하고 무방비 상태의 Vendobionts 들이 출현했음을 알려준다고 세일아처는 추측하고 있다.


이와 같이 추측하고 있는 것은 캄브리아기의 미스테리에 대해서 과학자들이 돌려서 말하고 싶기 때문이다. 왜냐하면 이 진화론적 폭발은 속도와 그 영역에 있어서 너무 놀랄 만해서 결코 동일하지 않기 때문이다. 캄브리아기 이후에 짧게 그 자취를 남긴 Bryozoa를 제외한다면, 이후에 출현한 새로운 문(門)에 대한 기록은 없다. 비록 페름기(Permian) 말기인 2억5000만년 전에 거대한 멸종의 소용돌이를 고려하지 않더라도 말이다.


왜 새로운 문(門)은 없는 것인가? 어떤 과학자들은 진화론적 가정은 여전히 많은 생명체들이 빠르게 다양화 되어질 수 있고 모든 적합한 생태학적 요건이 채워졌다고 제안한다. 그러나 생물의 생존을 믿는 다른 사람들에게 있어서, 초기 발달을 조정하는 유전적 소프트웨어는 페름기의 멸종 후에 새로운 생명 형태를 창조하기에는 너무 경직되어 있다. 발생학적 유전자들의 복잡한 망이 세부적으로 정교하게 고칠 수 없을 만큼 경직되어 있는 것은 아니다. 그렇지 않다면 빠른 비행과 인간의 두뇌에 대한 경이로움은 결코 일어날 수 없다. 그러나 일부 발생학적 생물학자들은, 매우 초기의 복합적인 유전자들 사이의 연결은 치명적인 영향 없이 중요한 특징들을 변화시키기에는 어렵다고 믿었다. '변화는 제한되었음에 틀림없다'라고 인디아나 대학교의 발생학 생물학자 루돌프 라프(Rudolf Raff)는 말했다. '결국 우리는 5억년동안 이들 동일한 몸 구조를 가지고 있었던 것이다.'


더 많은 과학자들이 캄브리아기 폭발을 설명하려고 노력할수록 그것은 더 어려워져 보인다. 빛의 특이한 성질 때문에 물리학자들이 뉴턴의 법칙이 불완전한 것을 알게 된 것처럼, 캄브리아기 폭발은 유전적 변화와 자연선택이라는 두 개의 다윈주의적 요구가 진화를 이해하기 위한 적당한 틀을 제공해 준다는 것에 대해서 전문가들이 의심하게 만들 것이다. '종의 기원에서 다윈이 묘사한 것은 진화의 안정된 배경일 뿐이다. 그러나 또한 비다윈적인 종류의 진화가 굉장히 짧은 기간 동안에 그 기능을 할 수도 있을 것으로 여겨진다' 라고 퀸 대학의 고생물학자 나본(Narbonne)은 말한다.


'Home in the Universe' 라는 새 책에서 산타페 협회의 이론 생물학자 스투어트 카우프만(Sturt Kauffman)은 캄브리아기 시기동안의 잠재되어 있던 창조적 격변은 단지 우리가 얼핏 희미하게 알아 차리고 있는 법칙일 뿐이다 라고 말한다. 이 법칙은 단지 생물학적 진화만이 아니라, 물리적, 화학적, 기술적 시스템의 진화를 말한다. 자연의 그림에 나타난 상상적인 동물들은 카우프만에게 초기의 자전거(이상한 바퀴와 이상하게 각이 진 핸들)를 생각나게 한다. '곧 주된 혁신 후에 다른 심오한 변화를 발견하는 것'은 쉬워질 것이다. 혁신은 나중에 최적화된 설계를 증가시킬 적당한 진보에 제한을 둔다.


카우프만은 다음과 같이 말한다. '생물학적 진화는 질서와 혼돈사이의 칼끝 위의 시소와 같은 자생적인 시스템의 하나의 예이며, 구조와 놀람 사이의 큰 타협이다.' 너무 많은 질서는 변화를 불가능하게 만든다. 너무 많은 혼돈이 있는 곳에는 연속이 존재할 수 없다. 그러나 이들의 균형은 필수적으로 불안정한 것이다. 대부분의 유능한 밧줄타기 꾼들이 때때로 자주 (균형을 잡기 위해)한 발씩만 걷는 것처럼 말이다. 혼돈이론에서는 거대한 멸종을 설명하기 위해서 혜성이나 화산을 요구하지는 않는다. 그들은 진화하고 있는 시스템의 본질적인 불안정성으로부터 오는 자연스러운 것이며, 높은 적응성이 안전을 보장하는 것은 아니다.


실제로 선사시대의 거대한 멸종의 일부는 캄브리아기 동안에 발생했다. 그리고 아마도 명백한 이유 없이 일어난 것 같다. 게다가 경사면에 미끄러지듯 가파른 각을 가진 모래 퇴적물을 일으켰을 것이다. 그래서 전체 생태계를 어렵게 하는, 다른 종에 비해 한 종에게 일시적으로 이익을 주는 작은 진화론적 발전을 이루었을 것이다. '생태계와 시간에 대해 압도적인 이들 독특성과 멸종의 패턴은 모든 혼돈 시스템(인간과 생물학적 시스템)에서 발견되어지는 것이다.'라고 카우프만은 경고한다. '우리는 모두 동일한 연극의 일부분이다.' 그래서 이런 기술시대에서조차 우리는 캄브리아기 폭발에 대해서 불가사이한(궁극적으로 운명적인) 경이로움을 가지고 고민했던 것보다 더 일반적으로 받아들일 수 있을지도 모른다.


출처 - 기타

구분 - 3

옛 주소 - http://www.kacr.or.kr/library/itemview.asp?no=154

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