원생누대
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1. 개요
원생누대는 지질 시대의 하나로, 약 25억 년 전부터 5억 4천만 년 전까지의 시기를 포괄한다. 이 시기에는 대륙의 성장, 초대륙의 순환, 그리고 대기 중 산소 농도의 증가와 같은 중요한 지질학적 사건들이 일어났다. 원생누대 동안 섭입 활동이 활발해지면서 대륙 지각이 형성되었으며, 로디니아와 같은 초대륙이 존재했다. 또한, 대기 중 산소 농도가 증가하면서 생명체의 진화에도 큰 영향을 미쳤다. 이 시기에는 최초의 진핵생물과 다세포 생물이 출현했으며, 에디아카라 동물군과 같은 다양한 생물들이 번성했다. 원생누대 연구는 지구의 초기 환경과 생명체의 진화 과정을 이해하는 데 중요한 역할을 한다.
원생누대의 시작은 1981년에 제안된 '25억 년 전'이라는 숫자가 널리 사용되고 있다.[31][32] 이는 현생누대와는 달리, 원생누대에는 연대를 결정할 명확한 지질학적 사항이 없기 때문이다. 원생누대의 끝, 즉 현생누대의 시작은 캄브리아기의 표준 화석인 피코데스속 페덤종(Phycodes属Pedum種)의 생흔 화석이 발견되는 약 5억 4,100만 년 전으로 여겨진다.[34]
2. 지질학적 사건
25억 년 전을 전후로 지구 내부와 표면에는 큰 변화가 있었다. 태고대에는 맨틀 온도가 현재보다 상당히 높아 마그마에 기인하는 화성암 성분이 현재와 달랐지만,[35] 25억 년 전 전후로 현재와 비슷한 조성을 가지게 되었다.[33] 거의 같은 시기에 해저에 거대한 줄무늬상 철광상이 퇴적되었고, 대기 중 이산화 탄소가 줄고 산소 농도가 높아졌다. 원생대 전반에 걸쳐 육지가 증가하고, 몇몇 대륙과 초대륙이 생겨났다. 기후는 한랭화되어 빙하기의 흔적이 남았으며, 가장 추웠을 때는 지구 전체가 얼어붙은 눈덩이 지구도 여러 차례 발생했다.
2. 1. 대륙의 성장과 초대륙 순환
원생누대의 지질학적 기록은 이전의 시생누대에 비해 훨씬 양호하다. 시생누대의 심해저 퇴적암과는 달리, 원생누대에는 얕은 바다에서 퇴적된 지층이 많으며, 이 암석들 중 상당수는 변성을 덜 받았고, 많은 수가 변하지 않은 상태로 남아있다.[9] 이러한 암석에 대한 연구는 원생누대 동안 신속하고 규모가 큰 대륙의 성장, 초대륙 주기, 그리고 현대적인 조산운동이 있었음을 보여준다.[9]
원생누대 초기에는 최초의 빙하기(24~22억년전)가 있었고, 신원생대 동안에는 최소 네 차례의 빙하기가 있었으며, 성빙기의 눈덩이 지구 때 절정에 달했다.[9]
원생누대는 지구 역사에서 매우 활발한 지각 활동이 있었던 시기였다. 시생누대 후기부터 원생누대 초기까지는 지각 재활용이 증가하는 시기로, 이는 섭입 작용을 시사한다. 26억 년 전 이후에 생성된 오래된 화강암이 풍부하다는 것이 이러한 섭입 활동의 증거이다.[14]
에클로사이트(고압에서 생성된 변성암의 일종)는 섭입을 포함하는 모델로 설명된다. 시생누대에 에클로사이트가 없다는 것은 당시 조건이 고등급 변성암 형성에 적합하지 않았고, 따라서 원생누대와 같은 수준의 섭입에 도달하지 못했음을 시사한다.[15]
현무암질 해양 지각이 섭입으로 인해 재용융되면서, 최초의 대륙 핵은 지각 재활용 과정을 견딜 수 있을 만큼 커졌다. 이러한 크레이톤의 장기적인 지각 안정성 덕분에 수십억 년에 달하는 대륙 지각이 발견된다.[16] 현대 대륙 지각의 43%는 원생누대에, 39%는 시생누대에, 그리고 단 18%만이 현생누대에 형성된 것으로 추정된다.[14] [17]과 [18]의 연구에 따르면 지각 생산은 간헐적으로 발생했으며, 원생누대 화강암의 연대를 동위원소적으로 계산한 결과 대륙 지각 생산이 급격하게 증가하는 여러 시기가 있었음이 확인되었다.
대륙 간 충돌과 열개의 증거는 시생대 크레이톤이 원생대 대륙을 구성하는 정확한 움직임에 대한 의문을 제기한다. 고지자기학 및 연대 측정으로 선캄브리아 누대 지구조론을 해독할 수 있었다. 원생누대의 지구조 과정은 오늘날의 조산대 또는 뱀상암 복합체와 같은 지구조 활동의 증거와 매우 유사하며, 당시 지구가 활발하게 활동했음을 알 수 있다. 선캄브리아 시대에 지구가 여러 초대륙 분열 및 재구축 주기(윌슨 주기)를 겪었다는 것이 일반적으로 받아들여지고 있다.[14]
후기 원생대에는 로디니아 (~1000–750 Ma)가 지배적인 초대륙이었다. 로디니아는 로렌시아라고 불리는 북아메리카 대륙의 핵심을 형성하는 중앙 크레이톤에 부착된 대륙들로 구성되었다. 그렌빌 조산 운동은 로디니아 건설과 관련된 조산(산 형성 과정)의 예시이다. 로디니아는 초대륙 컬럼비아가 분열된 후 곤드와나 (~500 Ma) 초대륙이 조립되기 전에 형성되었다.[19] 범아프리카 조산 운동은 곤드와나 형성과 관련된 결정적인 조산 사건으로, 아프리카, 남아메리카, 남극 대륙 및 호주의 충돌로 형성되었다.[20]
컬럼비아는 초기-중기 원생대에 지배적이었으며, 그 이전의 대륙 조립에 대해서는 알려진 바가 많지 않다. 컬럼비아 이전에 지구에는 몇 개의 독립적인 크레이톤만 흩어져 있었다는 가설이 현재 가장 유력하다.[14]
판 구조론에 따르면 판의 움직임에 따라 그 위의 육지도 지표면을 이동한다. 지구 역사에서 대부분의 대륙이 모여 거대한 초대륙을 형성한 적이 있었다. 판게아가 유명하지만, 원생대 후기인 10억 년 전경에도 "지상의 대부분의 육지가 모인 초대륙"이 존재했다는 연구 결과가 1990년대부터 보고되고 있다. 이 초대륙은 로디니아 대륙이라고 불리며, 약 7억 년 전에 3개로 분열되었다[45]。로디니아는 그 이전에 존재했던 비교적 큰 누나 대륙, 컬럼비아 대륙, 아틀란티카 대륙의 3개가 합쳐진 것이다[46]。이들 3개 대륙은 약 19억 년 전에 있었던 활발한 대륙 성장의 절정기에[47], 더 작은 육지가 모여 성장하여 생성되었다[48]。
| 초대륙 | 형성 시기 (Ma, 백만 년 전) | 분열 시기 (Ma, 백만 년 전) |
|---|---|---|
| 누나 대륙 | 약 1900 | ? |
| 컬럼비아/누나 대륙 | 약 1900 | ? |
| 아틀란티카 대륙 | 약 1900 | ? |
| 로디니아 대륙 | 약 1000 | 약 700 |
| 곤드와나 | 약 500 | - |
2. 2. 산소 농도의 증가
원생누대 동안 가장 중요한 사건 중 하나는 지구 대기에 산소가 축적된 것이다. 시생누대부터 광합성을 통해 산소가 방출되었지만, 산화되지 않은 황과 철이 고갈되기 전까지는 산소가 축적될 수 없었다. 약 23억 년 전까지 산소 농도는 현재의 1%에서 2% 정도였다.[9]호상철광층은 철광석을 제공하는데, 해양의 철이 모두 산화된 19억 년 전 이후에 그 축적이 중단되었다.[9] 적색층은 적철석 때문에 20억 년 전 대기 중 산소 증가를 나타내는데, 이러한 산화철 구조는 오래된 암석에서는 발견되지 않는다.[9] 산소 축적은 화학적 흡수원의 고갈과 탄소 격리 증가라는 두 가지 요인에 기인했을 것이다.[9]
원생누대 초기에 대기 중 산소의 첫 번째 급증은 대산소화 사건(산소 대참사)이라고 불리며, 당시 거의 모든 생물이 절대 혐기성 생물이었기 때문에 지구 상의 거의 모든 생명체가 대량 멸종했다. 산소 농도의 두 번째 급증은 신원생대 산소화 사건이라고 불리며,[10] 중원생대와 후기 신원생대 동안 발생했으며[11] 이 시대 말에 다세포 생물의 급격한 진화를 이끌었다.[12][13]
27억 년 전에는 활발한 화산 활동으로 육지가 증가했다.[36] 증가한 대륙 주변의 얕은 바다에는 시아노박테리아 집합체인 스트로마톨라이트가 대규모로 형성되었다.[37] 스트로마톨라이트에서 방출된 산소는 바다로 확산되어 2가 철 이온을 산화시켜 침전시키고, 호상철광층을 생성했다. 호상철광층 생성의 피크는 27억 년 전부터 19억 년 전까지였다.[38]
시생대 대기에는 산소가 거의 없었고, 이산화탄소와 질소가 주성분이었다. 원생대에 들어서 스트로마톨라이트의 활동으로 산소가 생성되기 시작했지만, 얕은 바다에 2가 철이 충분한 동안에는 산소가 즉시 소비되어 대기 중 산소 농도는 매우 낮았다. 그러나 22억 년 전부터는 대기에 산소가 포함되어 있었음을 나타내는 "적색 토양"이나 "적색 사암"이 나타나기 시작했다.[39][40] 이후 대기 중 산소 비율은 서서히 증가했다. 22~23억 년 전에 지구는 한랭화되어 휴론 빙기[41]에는 적도 부근까지 결빙되어, 눈덩이 지구가 되었을 가능성이 있다.[42]
2. 3. 빙하기
원생누대 초기에는 빙하기(24~22억년전)가 처음 나타났고, 신원생대에는 최소 네 번의 빙하기가 있었으며, 성빙기의 눈덩이 지구 시기에 절정을 이루었다.[9]22~23억 년 전에는 지구가 한랭화되어 여러 차례 빙하기를 겪었는데, 가장 추웠던 휴론 빙기[41]에는 적도 부근까지 얼어붙어 눈덩이 지구가 되었을 가능성이 있다고 추정된다.[42] 한랭화의 원인은 대기 중 이산화탄소 농도가 낮아져 온실 효과가 약해졌기 때문으로 보인다.[43]
원생누대 후기 지층에서는 "빙하에 의한 퇴적물"이 세계 곳곳에서 발견되어 이 시기에 여러 차례 추운 시기가 있었음을 알 수 있다. 특히 스타티안 빙기(7억 3,000만 년 - 7억 년 전)와 마리노안 빙기(6억 6,500만 - 6억 3,500만 년 전)에는 당시 적도 부근 지층에서도 빙하에 의한 퇴적물이 발견되어 지구가 매우 추웠다는 것을 알 수 있다.[42]
3. 생물의 진화
최초의 발전된 단세포 생물과 다세포 생물은 산소 축적과 함께 나타났다. 진핵생물이 시아노박테리아(남세균)와 달리 산화된 질산염을 사용하는 것이 원인일 수 있다. 미토콘드리아와 엽록체가 숙주 세포와 공생하기 시작한 것도 원생누대 동안이다.[9]
진핵생물이 번성하였다고 해서 시아노박테리아가 사라진 것은 아니었다. 실제로 스트로마톨라이트는 원생누대 동안인 12억 년 전에 가장 크게 번성하고 다양성도 최고조에 달했다.[9]
원생누대와 현생누대의 경계는 전통적으로 최초의 동물 화석인 삼엽충과 고배동물 화석이 나타나는 캄브리아기 하부 경계로 정해졌다. 20세기 후반에 원생누대 암석에서 여러 화석이 발견되었지만, 원생누대의 상부 경계는 여전히 캄브리아기 하부 경계인 5억 4200만 년 전으로 고정되어 있다.
3. 1. 진핵생물의 출현
산소 대참사 이후, 산소가 축적되면서 최초의 발전된 단세포 생물과 다세포생물이 나타나기 시작했다. 이는 진핵생물이 남세균과 달리 산화된 질산염을 사용하기 때문일 수 있다.[9] 또한 원생대에는 거의 모든 진핵생물에서 발견되는 미토콘드리아와 식물 및 일부 원생생물에서만 발견되는 엽록체 사이의 최초의 공생 관계가 진화했다.[9]
1992년, 21억 년 전의 줄무늬 철광층에서 세포 내에 핵을 가진 진핵생물 화석이 발견되었다.[50] 이는 그리파니아(''grypania'')라고 불리며, 코일 모양의 관으로 이루어져 있다. 약 17억 년 전부터는 구형 화석이 무수히 발견되고 있는데, 정교한 세포벽을 가진 것들이 있으며, 원시적인 조류의 포자라고 생각된다. 이것들은 아크리타크로 명명되었다. 크기는 시대가 새로워질수록 커지지만 직경이 수 분의 1 밀리미터 정도이다.
후기 고원생대까지 진핵생물은 적당한 생물 다양성을 갖게 되었다.[23] 진핵생물의 번성은 남세균의 확장을 배제하지 않았다. 실제로, 스트로마톨라이트는 원생대 동안 가장 큰 풍부함과 다양성을 보였으며, 대략 12억 년 전에 정점을 이루었다.[9] 2010년에는 가봉에서 진행된 채굴 결과, 가봉 다세포 생물이 발견되어, 15억 년 전에 이미 다세포 생물이 존재했다는 것이 밝혀졌다.[51]
3. 2. 다세포 생물의 등장
최초로 발전된 단세포 생물과 다세포 생물은 산소가 축적되면서 나타났다. 진핵생물이 사용하는 산화질소가 풍부해진 것이 원인일 수 있다. 시아노박테리아는 산화질소를 이용하지 않는다. 미토콘드리아와 엽록체가 숙주 세포와 공생하기 시작한 것도 원생누대 동안이다.[9]식물의 다세포 생물 화석 중 가장 오래된 것은 캐나다 서머셋 섬의 7억 5천만 년 전~12억 5천만 년 전의 헌팅 지층에서 발견된 홍조류 화석이다[52]。 동시베리아의 10억~9억 년 전 지층에서도 조류 화석이 발견되었다[53]。 동물의 경우 1947년에 남호주 플린더스 산맥의 에디아카라 언덕에 있는 원생대 최말기 지층에서 육안으로 볼 수 있는 동물 화석(스프리그나)이 발견되었다[54]。 그 후 에디아카라 언덕과 그 주변에서 다수의 동물 화석이 발견되어 에디아카라 동물군이라 불린다. 에디아카라 동물군 화석은 5억 7천만 년 전부터 5억 4천만 년 전이라는 짧은 기간에 집중적으로 발견되며, 모두 단단한 골격을 갖지 않은 생물이었다. 에디아카라 동물군 화석은 세계 20곳 이상의 지역에서 발견되고 있다[55]。 이러한 다세포 동물이 탄생하기 직전에 현저한 한랭기였던 마리노니안 빙하기가 있었고, 환경의 격변이 동물의 급격한 진화를 촉진했다는 논의가 있다[57]。
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基底年代の数値では、この表と本文中の記述では、異なる出典によるため違う場合もある。
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왜 생물은 산소를 만들기 시작했을까. 처음에 광합성을 한 생물은? 지구 생명의 공통 조상의 모습을 쫓다!｜JAMSTEC BASE
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地球環境46億年の大変動史
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