지구의 역사
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1. 개요
지구의 역사는 태양계 형성, 명왕누대와 시생누대, 원생누대, 현생누대로 구분된다. 태양계는 약 46억 년 전 태양 성운에서 형성되었으며, 지구는 약 45억 4천만 년 전에 만들어졌다. 명왕누대는 지구 형성부터 시생누대까지를 포함하며, 달의 형성, 후기 대폭격기 시기를 겪었다. 시생누대에는 최초의 생명체가 출현했다. 원생누대에는 산소 혁명, 눈덩이 지구, 진핵생물의 출현, 초대륙의 형성과 분열이 일어났다. 현생누대는 고생대, 중생대, 신생대로 나뉜다. 고생대에는 캄브리아기 대폭발로 다양한 생물이 나타났고, 육상 생물이 출현했으며, 양서류와 파충류가 진화했다. 중생대에는 공룡이 번성하고, 포유류와 조류가 나타났으며, 속씨식물이 출현했다. 신생대에는 포유류가 번성하고, 조류와 식물이 다양화되었으며, 인류가 진화했다.
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| 지구의 역사 | |
|---|---|
| 지구의 역사 | |
| 개요 | |
| 나이 | 약 45억 4천만 년 |
| 행성 | 지구 |
| 위치 | 태양계 내, 태양으로부터 세 번째 행성 |
| 지각 면적 | 5억 1007만 2천 km² |
| 물의 비율 | 70.8% |
| 주요 사건 | |
| 45억 4천만 년 전 | 지구 형성 |
| 45억 3천만 년 전 | 달 형성 |
| 40억 년 전 | 최초의 생명체 출현 |
| 35억 년 전 | 광합성 작용 시작 |
| 23억 년 전 | 대산소 사건 |
| 7억 5천만 년 ~ 6억 3천 5백만 년 전 | 눈덩이 지구 |
| 5억 4천만 년 전 | 캄브리아기 폭발 |
| 2억 5천 2백만 년 전 | 페름기-트라이아스기 대멸종 |
| 6천 6백만 년 전 | 백악기-팔레오기 대멸종 |
| 현재 | 인류의 시대 |
| 시대 구분 | |
| 명왕누대 | 45억 4천만 년 전 ~ 40억 년 전 |
| 시생누대 | 40억 년 전 ~ 25억 년 전 |
| 원생누대 | 25억 년 전 ~ 5억 4천 1백만 년 전 |
| 현생누대 | 5억 4천 1백만 년 전 ~ 현재 |
| 생명의 역사 | |
| 최초의 생명체 | 약 40억 년 전 |
| 최후 공통 조상 | 35억 ~ 38억 년 전 추정 |
| 세균 | 고세균과 함께 가장 오래된 생명체 |
| 진핵생물 | 약 17억 년 전 출현 |
| 다세포 생물 | 약 6억 년 전 출현 |
| 캄브리아기 폭발 | 5억 4천만 년 전, 생물 다양성 급증 |
| 공룡 | 중생대 지배 |
| 포유류 | 신생대 지배 |
| 인류 | 신생대 제4기에 출현 |
| 주요 사건 연대표 | |
| 45억 4천만 년 전 | 지구 형성 |
| 45억 3천만 년 전 | 달 형성 |
| 40억 년 전 | 최초의 생명체 출현 |
| 38억 ~ 41억 년 전 | 늦은 대폭격 |
| 35억 년 전 | 광합성 작용 시작 |
| 24억 년 전 | 대산소 사건 |
| 7억 1700만 년 전 ~ 6억 3500만 년 전 | 신원생대의 빙하기 |
| 5억 4000만 년 전 | 캄브리아기 폭발 |
| 2억 5190만 년 전 | 페름기-트라이아스기 대멸종 |
| 6600만 년 전 | 백악기-팔레오기 대멸종 |
| 700만 년 전 | 최초의 인류 출현 |
| 참고 문헌 | |
| 참고 문헌 | Stanley2005 Dalrymple, G. Brent (2001) Manhesa, Gérard; Allègre, Claude J.; Dupréa, Bernard; Hamelin, Bruno (1980) Schopf, J. William; Kudryavtsev, Anatoliy B.; Czaja, Andrew D.; Tripathi, Abhishek B. (2007) Schopf, J. William (2006) Raven, Peter H.; Johnson, George B. (2002) Borenstein, Seth (2013) Pearlman, Jonathan (2013) Noffke, Nora; Christian, Daniel; Wacey, David; Hazen, Robert M. (2013) Ohtomo, Yoko; Kakegawa, Takeshi; Ishida, Akizumi; Nagase, Toshiro; Rosing, Minik T. (2014) Borenstein, Seth (2015) Bell, Elizabeth A.; Boehnike, Patrick; Harrison, T. Mark; Mao, Wendy L. (2015) Kunin, W.E.; Gaston, Kevin (1996) Stearns, Beverly Peterson; Stearns, S.C.; Stearns, Stephen C. (2000) Novacek, Michael J. (2014) Miller, G.; Spoolman, Scott (2012) Mora, C.; Tittensor, D.P.; Adl, S.; Simpson, A.G.; Worm, B. (2011) |
2. 태양계의 형성
태양계 형성의 표준 모델은 성운설이다.[154][18] 이 이론에 따르면, 태양계는 약 45억 년 전, 우주 먼지와 가스로 이루어진 거대한 회전 구름인 태양 성운으로부터 형성되었다. 이 성운은 빅뱅 직후 생성된 수소와 헬륨, 그리고 이전 세대 별들이 초신성 폭발 등을 통해 방출한 무거운 원소들로 구성되어 있었다.[93]
어떤 외부 요인(아마도 근처 초신성의 충격파)에 의해 성운은 중력 수축을 시작했으며, 회전 속도가 빨라지면서 각운동량 보존에 따라 중심부를 제외한 물질들은 납작한 원시 행성계 원반을 형성했다.[155][19] 성운의 중심부는 빠르게 압축되어 온도가 상승했고, 마침내 수소 핵융합이 시작되어 원시별인 태양이 탄생했다.
한편, 원시 행성계 원반 내에서는 먼지와 가스가 서로 뭉쳐 미행성체를 형성하고, 이 미행성체들이 충돌하고 합쳐지는 강착 과정을 통해 점차 커져 행성으로 성장했다.[156][157][19] 지구는 이러한 과정을 통해 약 45억 4천만 년 전에 형성되었으며(±1%),[18] 초기 형성 과정은 수백만 년에서 수천만 년에 걸쳐 이루어진 것으로 추정된다.[20][21]
형성 초기의 원시 지구는 강착 에너지와 방사성 동위원소 붕괴열로 인해 매우 뜨거웠고, 내부 물질이 녹아 밀도 차이에 따라 층이 분리되는 행성 분화가 일어났다. 무거운 철과 니켈은 중심으로 가라앉아 핵을 형성했고, 가벼운 규산염 물질은 위로 떠올라 맨틀과 지각을 이루었다. 이 과정(소위 '철 재앙')은 지구 자기장 형성의 기초가 되었다.[158][22] 초기의 대기는 태양 성운에서 유래한 수소와 헬륨이었으나, 이들은 가벼워 태양풍과 지구의 열에 의해 대부분 우주 공간으로 날아갔다.
2. 1. 태양 성운
태양계 형성의 표준 모델은 성운설이라고 하는 이론에 기초한다.[154][18] 이 이론에 따르면, 태양계는 우주 먼지와 기체가 모여 회전하는 거대한 구름인 태양 성운으로부터 형성되었다. 이 성운은 빅뱅 직후(약 138억 년 전) 만들어진 수소와 헬륨, 그리고 초신성 폭발을 통해 방출된 무거운 원소들로 구성되어 있었다.[93] 태양계에 철, 금, 우라늄과 같은 중원소가 풍부하게 존재하는 것은 태양이 과거 초신성 폭발로 흩어진 물질이 다시 모여 형성된 제I족 별임을 시사한다. 이러한 중원소는 질량이 큰 별 내부에서의 원소 합성과 이후 초신성 폭발을 통해 우주 공간으로 퍼져나간 것으로 여겨진다. (다만, 금이나 우라늄처럼 원자 번호 40 이상의 무거운 원소는 중성자별 합체 과정에서 생성되었을 가능성도 제기되고 있다.[94])
약 45억 년 전, 근처 초신성의 충격파 영향으로 추정되는 사건으로 인해 성운은 수축하기 시작하였으며, 회전 속도도 빨라지기 시작했다. 이로 인해 각운동량, 중력, 관성이 증가하면서 성운은 회전축에 수직으로 납작해져 원시 행성계 원반을 이루었다. 내부의 큰 물질들의 충돌로 인한 섭동과 각운동량 변화는 킬로미터 크기의 미행성체(원시행성)가 형성되는 계기를 마련했다.[155][19]
각운동량이 상대적으로 작았던 성운의 중심부는 빠르게 압축(붕괴)되었고, 이 압축 과정에서 발생한 열로 인해 수소가 헬륨으로 핵융합하기 시작하였다. 더 수축한 후 T 타우리 별이 점화되었고, 이는 곧 태양으로 진화했다. 한편, 성운의 외곽부에서는 중력에 의해 물질이 먼지 입자 주위로 응축되기 시작하면서 원시 행성계 원반은 여러 개의 고리로 나뉘게 되었다. 강착이라고 불리는 과정을 통해, 비교적 더 큰 우주먼지와 잔해들은 서로 뭉치면서 행성을 만들었다.[156][157][19]
이러한 강착 과정을 통해 지구는 약 45억 4천만 년 전에 형성되었을 것으로 보이며 (1%의 측정 불확실성을 가짐),[20][21] 1000만 ~ 2000만 년 후에 거의 완전한 행성을 이루었다고 추정된다. (2023년 연구에서는 지구가 300만 년 만에 형성되었을 수 있다는 증거가 보고되기도 했다.[20][21]) 응축되지 못한 원반 내 대부분의 먼지는 새로 형성된 태양의 태양풍에 의해 바깥으로 밀려났다. 이러한 과정은 우주의 다른 항성계에서도 유사하게 일어나 외계 행성을 형성하는 것으로 여겨진다.
원시 지구는 강착 과정으로 점차 크기를 키워갔으며, 내부는 뜨거워져 중금속인 친철원소들이 액화되기 시작하였다. 규소염보다 밀도가 높은 이 금속들은 중력에 의해 중심으로 가라앉았는데, 이 과정을 철의 대변혁(iron catastrophe)이라고 한다. 이는 지구 형성 약 1000만 년 후에 원시 맨틀과 금속 핵의 분리를 가져왔으며, 지구의 구조를 형성하고 지구 자기장이 생겨나는 계기가 되었다.[158][22] J.A. Jacobs[23]는 액체 상태의 지구 외핵에서 고체 상태의 지구 내핵이 지구 내부의 점진적인 냉각(10억 년당 약 100°C)[24]으로 인해 얼어붙으며 성장한다고 처음 제안했다. 지구 최초의 대기는 태양 성운에서 비롯한 수소와 헬륨 같은 가벼운 원소로 이루어졌으나, 이 원소들은 이후 태양풍과 지구 자체의 열에 의해 우주 공간으로 날아가 버렸다.
2. 2. 원시 행성계 원반
지구를 포함한 태양계의 형성에 대한 표준 모델은 성운 가설이다.[18][154] 이 모델에 따르면, 태양계는 성간 먼지와 가스로 이루어진 크고 회전하는 구름인 태양 성운에서 형성되었다. 이 성운은 빅뱅 직후(약 138억 년 전)에 생성된 수소와 헬륨, 그리고 초신성 폭발을 통해 우주 공간에 흩뿌려진 무거운 화학 원소들로 구성되어 있었다.[93]
약 45억 년 전, 근처 초신성의 충격파 영향으로 태양 성운은 수축하기 시작했을 것으로 추정된다. 이 충격파는 성운을 회전하게 만들었을 수 있으며, 성운이 점차 빠르게 회전하면서 각운동량, 중력, 관성의 영향으로 회전축에 수직인 납작한 원반 형태, 즉 원시 행성계 원반을 이루게 되었다. 원반 내부에서는 물질들의 충돌과 섭동으로 인해 킬로미터 크기의 미행성체들이 형성되기 시작했다.[19][155]
각운동량이 상대적으로 적었던 성운의 중심부는 빠르게 압축되며 온도가 상승했고, 마침내 수소가 헬륨으로 핵융합을 시작했다. 이후 T 타우리 별 단계를 거쳐 태양이 탄생했다. 한편, 성운의 바깥 부분에서는 중력에 의해 물질들이 먼지 입자 주위로 뭉치기 시작했고, 원시 행성계 원반은 여러 개의 고리로 나뉘었다. 강착이라고 불리는 과정을 통해, 먼지와 잔해들이 서로 뭉쳐 점점 더 큰 덩어리를 이루면서 행성들이 형성되었다.[19][156][157]
지구는 이러한 과정을 통해 약 45억 4천만 년 전에 형성되었으며 (1%의 측정 불확실성을 가짐),[18] 대략 1,000만 년에서 2,000만 년 사이에 현재 크기의 행성으로 성장한 것으로 보인다. (다만, 2023년 6월에는 지구가 이전 예상보다 훨씬 빠른 약 300만 년 만에 형성되었을 수 있다는 연구 결과가 보고되기도 했다.[20][21]) 행성 형성 과정에서 뭉쳐지지 못한 원반의 나머지 물질들은 새로 태어난 태양의 강력한 태양풍에 의해 태양계 바깥으로 밀려났다. 이러한 원반 형성 및 행성 생성 과정은 우주에서 새로 형성되는 대부분의 별 주위에서도 유사하게 일어날 것으로 생각되며, 이 중 일부는 외계 행성을 형성할 것으로 추정된다.
2. 3. 태양의 탄생
태양계 형성의 표준 모델인 성운설에 따르면, 태양계는 우주 먼지와 가스가 모여 회전하는 거대한 구름, 즉 태양 성운에서 시작되었다.[154][18] 이 성운은 빅뱅 직후 생성된 수소와 헬륨, 그리고 과거 초신성 폭발로 만들어진 무거운 원소들로 이루어져 있었다.[93]
약 45억 년 전, 근처 초신성의 충격파 영향 등으로 성운이 수축하며 회전 속도가 빨라지기 시작했다.[155] 각운동량, 중력, 관성의 작용으로 성운은 회전축에 수직으로 납작해져 원시 행성계 원반을 형성했다. 내부의 큰 물질들의 충돌로 인한 섭동은 킬로미터 크기의 원시행성들이 만들어지는 계기가 되었다.[155][19]
각운동량이 적었던 성운의 중심부는 빠르게 압축되고 뜨거워져, 수소가 헬륨으로 핵융합하는 반응이 시작되었다. 이 과정을 거쳐 T 타우리 별 단계가 나타났고, 마침내 현재의 태양이 탄생했다.[156][157][19]
한편, 원반의 바깥 부분에서는 물질들이 뭉치기 시작했다. 강착 과정을 통해 먼지와 잔해들이 서로 끌어당겨 합쳐지면서 점차 커져 행성들을 형성했다.[156][157][19] 이러한 방식으로 지구는 약 45억 4천만 년 전에 형성되었으며(±1%의 측정 불확실성),[158] 대략 1000만 년에서 2000만 년에 걸쳐 거의 완성된 것으로 보인다. 2023년 6월에는 이 과정이 300만 년 정도로 더 빨랐을 수 있다는 증거가 보고되기도 했다.[20][21] 행성이 되지 못한 나머지 물질들은 새로 형성된 태양의 강력한 태양풍에 의해 태양계 바깥으로 밀려났다.
원시 지구는 강착을 통해 성장하며 내부가 뜨거워져 무거운 친철원소 금속들이 녹기 시작했다. 규산염보다 밀도가 높은 이 금속들은 중심으로 가라앉았는데, 이를 '철 재앙'이라고 부른다. 이 사건은 지구가 형성되기 시작한 지 약 1000만 년 후에 일어나 원시 맨틀과 금속 핵의 분리를 가져왔고, 지구 자기장 형성의 기초가 되었다.[22] 지구 최초의 대기는 태양 성운에서 온 수소와 헬륨 같은 가벼운 원소로 이루어졌으나, 이후 태양풍과 지구 자체의 열 때문에 우주 공간으로 흩어졌다.
태양은 과거 초신성 폭발로 흩어진 성간 물질이 다시 모여 형성된 제I족 별로 분류되며, 철, 금, 우라늄과 같은 중원소를 비교적 많이 포함하고 있다.[93] 이러한 중원소는 초신성 폭발이나 중성자별 합체 과정에서 생성된 것으로 여겨진다.[94]
3. 명왕누대와 시생누대
지구 역사상 첫 누대는 명왕누대(Hadean Eon)로, 약 45억 4천만 년 전 지구가 형성된 시점부터 40억 년 전까지의 기간을 의미한다.[96] 이 이름은 초기 지구의 극도로 뜨겁고 불안정한 환경 때문에 그리스 신화 속 지하 세계의 신 하데스에서 유래했다. 이 시기 지구는 강착 과정을 통해 성장하며 내부가 뜨거워져 무거운 금속 원소들이 중심으로 가라앉는 철 재앙(Iron catastrophe)을 겪었다. 이로 인해 지구는 핵, 맨틀, 지각으로 구조가 분화되었고, 지구 자기장이 형성되기 시작했다.[22] 명왕누대 초기에는 거대충돌 가설에 따라 달이 형성되었으며, 약 41억 년 전부터 38억 년 전까지는 후기 대폭격기(Late Heavy Bombardment)라 불리는 수많은 운석 충돌과 활발한 화산 활동이 있었다. 그럼에도 불구하고, 약 44억 년 전의 지르콘 결정은 당시 액체 상태의 물이 존재했을 가능성을 시사한다. 이 시기 형성된 최초의 지각은 대부분 소실되었다.
40억 년 전부터 25억 년 전까지는 시생누대(Archean Eon)이다.[96] 이 시기 지구는 점차 냉각되었으나, 대기에는 산소가 거의 없었고 오존층도 형성되지 않아 강한 자외선이 지표면에 도달했다. 약 35억 년 전의 화석 증거는 이 시기에 원핵생물 형태의 원시 생명체가 출현했음을 보여준다. 일부 과학자들은 생명이 명왕누대 후기 열수 분출구 주변에서 시작되었을 수도 있다고 추정한다. 시생누대에는 최초의 안정적인 대륙 지각 조각인 순상지(craton)가 약 40억 년 전부터 형성되기 시작했다.[28] 캐나다 북아메리카 순상지에서 발견된 약 40억 년 된 토날라이트는 현재까지 알려진 가장 오래된 암석 중 하나이다. 순상지는 주로 녹색암 벨트(greenstone belt)와 화강암질 암석 복합체(TTG 지형)로 이루어져 있다. 당시 맨틀은 현재보다 훨씬 뜨거워(약 1600°C), 맨틀 대류와 판 이동이 더 빠르게 일어났을 것으로 생각된다. 늦어도 32억 년 전에는 광합성을 하는 시아노박테리아가 출현하여 산소를 생산하기 시작했고, 이들의 활동 흔적인 스트로마톨라이트 화석이 남아있다.
3. 1. 지구의 형성
지구를 포함한 태양계의 형성에 대한 표준 모델은 성운 가설이다.[18] 이 모델에 따르면 태양계는 거대한 성간 먼지와 가스 구름인 태양 성운에서 형성되었다. 이 성운은 빅뱅 직후 생성된 수소와 헬륨, 그리고 초신성 폭발로 만들어진 무거운 화학 원소들로 이루어져 있었다. 약 45억 년 전, 성운은 인근 초신성의 충격파에 의해 촉발되었을 수 있는 수축을 시작했다. 충격파는 또한 성운을 회전하게 만들었을 것이다. 구름이 가속되기 시작하면서, 각운동량, 중력, 관성에 의해 회전축에 수직인 원시 행성 원반으로 평평해졌다. 충돌 및 기타 큰 잔해의 각운동량으로 인한 작은 교란은 킬로미터 크기의 미행성체가 성운 중심을 공전하며 형성되기 시작하는 수단을 만들었다.[19]
성운의 중심은 각운동량이 많지 않아 빠르게 붕괴되었고, 압축으로 인해 가열되어 수소가 헬륨으로 핵융합을 시작했다. 더 수축한 후, T-타우리 별이 점화되어 태양으로 진화했다. 한편, 성운의 외부에서는 중력에 의해 밀도 교란과 먼지 입자 주위에 물질이 응축되었고, 나머지 원시 행성 원반은 고리 형태로 분리되기 시작했다. 강착으로 알려진 과정에서 먼지와 잔해의 연속적으로 더 큰 조각들이 뭉쳐져 행성을 형성했다.[19] 지구는 약 45억 4천만 년 전에 이런 방식으로 형성되었으며 (1%의 측정 불확실성을 가짐) 1,000만 ~ 2,000만 년 이내에 거의 완성되었다. 2023년 6월, 과학자들은 지구 행성이 이전 생각보다 훨씬 빠른 300만 년 만에 형성되었을 수 있다는 증거를 보고했다.[20][21] 그럼에도 불구하고, 새로 형성된 T-타우리 별의 태양풍은 이미 더 큰 천체로 응축되지 않은 원반 내 대부분의 물질을 제거했다. 이와 동일한 과정은 우주의 거의 모든 새로 형성되는 별 주변에 강착 원반을 생성할 것으로 예상되며, 그중 일부는 외계 행성을 생성한다.
원시 지구는 내부에 무거운 친철원소 금속을 녹일 정도로 뜨거워질 때까지 강착에 의해 성장했다. 규산염보다 밀도가 더 높은 이 금속들은 가라앉았다. 이른바 철 재앙(Iron catastrophe)은 지구가 형성되기 시작한 지 불과 1,000만 년 만에 원시 맨틀과 (금속) 핵의 분리를 초래하여 지구의 구조를 형성하고 지구 자기장의 형성을 촉발했다.[22] J.A. Jacobs[23]는 지구 내부 핵—액체 지구 외핵과 구별되는 고체 중심—이 지구 내부의 점진적인 냉각(10억 년당 약 100°C)[24]으로 인해 액체 외핵에서 동결되고 성장한다고 처음으로 제안했다.
3. 2. 달의 형성
지구의 유일한 자연위성인 달은 태양계 내 행성들의 위성 중에서 모행성 대비 상대적으로 가장 크다.[25][26] 아폴로 계획 때 달 표면에서 가져온 암석의 방사성 연대 측정 결과, 달은 45억 3천만 ± 1천만 년 전에 형성되었으며, 이는 태양계가 형성된 지 최소 3천만 년이 지난 시점이다. 새로운 증거에 따르면 달은 태양계 시작 후 7천만 년에서 1억 1천만 년 사이인 44억 8천만 ± 2천만 년 전에 형성되었을 가능성도 있다.
달의 형성을 설명하는 이론은 달의 몇 가지 특징을 설명할 수 있어야 한다. 첫째, 달은 밀도가 낮고(지구 밀도의 약 60%) 작은 금속 핵을 가지고 있다. 둘째, 달에는 물이나 다른 휘발성 물질이 거의 없다. 셋째, 지구와 달은 산소 동위 원소의 상대적 비율이 거의 같다. 여러 가설 중 현재 가장 널리 받아들여지는 것은 거대충돌 가설이다. 이 가설은 화성 크기의 천체(종종 테이아라고 불림)가 원시 지구와 비스듬히 충돌하면서 달이 만들어졌다고 설명한다.
이 거대 충돌은 공룡을 멸종시킨 것으로 알려진 치크술루브 충돌보다 약 1억 배나 큰 에너지를 방출했을 것으로 추정된다. 이 엄청난 에너지는 지구의 바깥 부분을 기화시키고 충돌한 두 천체를 모두 녹이기에 충분했다. 이때 지구의 맨틀 물질 일부가 우주 공간으로 방출되어 지구 주위 궤도에 놓이게 되었다. 거대충돌 가설은 달에 금속 물질이 매우 적은 이유를 잘 설명해주는데, 이는 달의 독특한 구성 성분을 뒷받침한다. 지구 궤도로 방출된 물질들은 중력의 영향으로 몇 주 안에 뭉쳐져 하나의 천체, 즉 현재의 달이 되었을 것으로 보인다. 초기 지각이 형성된 직후, 이 거대 충돌로 인해 원시 지구의 맨틀과 지각 일부가 우주로 방출되어 달이 생성된 것이다.
3. 3. 후기 대폭격기
다른 천체의 충돌구 수를 통해 추론해 보면, 약 41억 년 전부터 명왕누대 말기인 약 38억 년 전까지 ''후기 대폭격기''(Late Heavy Bombardment)라고 불리는 강력한 운석 충돌 기간이 있었던 것으로 추정된다. 이 시기에는 목성형 행성의 궤도 이동에 따른 중력 변화로 인해[101] 수많은 소행성과 혜성 같은 소천체들이 내부 태양계로 쏟아져 들어왔다.[101]이 대규모 충돌은 지구뿐만 아니라 달, 수성, 금성, 화성과 같은 지구형 행성에도 영향을 미쳐 표면에 수많은 충돌구를 남겼다.[101] 특히 달 표면에서 발견되는 용융된 암석의 상당수가 이 시기에 형성된 것으로 분석된다.[101] 또한, 이 시기에는 높은 지열로 인해 화산 활동도 매우 활발했을 것으로 보인다.
이처럼 격렬한 환경에도 불구하고, 일부 과학자들은 생명이 명왕누대 초기에 이미 출현하여 열수 분출구와 같은 비교적 안전한 환경에서 후기 대폭격기를 견뎌냈을 가능성을 제기하기도 한다.
3. 4. 대양과 대기
지구는 역사적으로 세 종류의 대기를 거친 것으로 여겨진다. 첫 번째 대기는 태양 성운에서 포획된 것으로, 주로 수소와 헬륨 같은 가벼운 원소(대기 친화성 원소)로 구성되었다. 하지만 태양풍과 지구 자체의 열 때문에 이 초기 대기는 대부분 우주 공간으로 날아가 버렸다. 이후 달을 형성시킨 거대 충돌 사건 이후, 녹아있던 지구는 많은 휘발성 가스를 방출했고, 이후 화산 활동을 통해 더 많은 가스가 나오면서 두 번째 대기가 형성되었다. 이 대기는 산소는 거의 없었지만 온실 가스가 풍부했다. 마지막으로 세 번째 대기는 약 28억 년 전 박테리아가 산소를 생산하기 시작하면서 산소가 풍부해졌다.
초기 모델에서는 두 번째 대기가 지구 내부 물질이 방출되면서 형성되었다고 보았으나, 현재는 강착 과정에서 지구와 충돌한 천체들이 증발하며 휘발성 물질을 전달하는 ''충돌 탈가스화'' 과정이 주요했을 것으로 생각된다. 따라서 대양과 대기는 지구가 형성되기 시작할 때부터 함께 만들어졌을 가능성이 높다. 이 새로운 대기는 주로 수증기, 이산화탄소, 질소 및 소량의 다른 기체들을 포함했을 것으로 추정된다.
지구에 물을 공급한 것은 주로 소행성대 바깥쪽, 즉 태양으로부터 2.5 AU 이상 떨어진 곳에서 온 운석과 원시 행성들이었다. 태양과 가까운 1 AU 거리의 미행성체들은 태양 성운이 너무 뜨거워 얼음을 형성하기 어려웠고, 암석이 수증기와 반응하여 물을 포함하게 되는 과정(수화)도 너무 오래 걸렸기 때문에 지구의 물 공급에는 크게 기여하지 못했을 것이다.[32] 혜성 역시 물 공급에 일부 기여했을 수 있다. 오늘날 대부분의 혜성은 해왕성 너머 궤도를 돌지만, 초기 태양계에서는 안쪽에도 훨씬 많았을 것으로 시뮬레이션을 통해 추정된다.
지구가 점차 식으면서 대기 중의 수증기가 응결하여 구름이 만들어졌고, 여기서 내린 비가 모여 대양을 형성했다. 최근 연구에 따르면 바다는 빠르면 44억 년 전부터 형성되기 시작했을 수 있으며, 시생누대 초기에는 이미 지구 표면의 상당 부분을 덮고 있었을 것으로 보인다. 이렇게 오래전에 액체 상태의 물이 존재했다는 사실은 '희미한 젊은 태양의 역설' 때문에 설명하기 어려웠다. 별은 나이가 들수록 밝아지는데, 초기 태양은 현재 밝기의 약 70% 정도의 에너지만 방출했기 때문에, 당시 지구는 얼음으로 뒤덮여 있어야 했다는 것이다.[33] 현재는 당시 대기 중에 화산 활동으로 공급된 이산화탄소와 초기 미생물이 생성한 메탄이 충분히 존재하여 강력한 온실 효과를 일으켰기 때문에 지구가 얼지 않고 액체 상태의 물을 유지할 수 있었다고 본다. 메탄이 광분해되면서 생성된 유기물 스모그가 반 온실 효과를 일으켰을 가능성도 제기된다.[34] 또 다른 온실 가스인 암모니아도 화산에 의해 방출되었지만, 자외선에 의해 빠르게 파괴되었을 것으로 생각된다.
3. 5. 생명의 기원
초기 대기와 바다에 대한 관심의 이유 중 하나는 생명이 처음 발생한 조건을 형성하기 때문이다. 생명이 무생물 화학 물질로부터 어떻게 생겨났는지에 대해서는 많은 모델이 있지만 합의는 거의 이루어지지 않았으며, 실험실에서 만들어진 화학 시스템은 살아있는 유기체의 최소 복잡성에 훨씬 못 미친다.[161][35]생명체 출현의 첫 번째 단계는 생명체의 구성 요소인 유기 화합물(예: 핵산, 아미노산)을 많이 생성하는 화학 반응이었을 것이다. 1953년 스탠리 밀러와 해럴드 유레이가 진행한 밀러-유리 실험은 물, 메탄, 암모니아, 수소가 있는 혼합 기체에서 번개의 효과를 모방하기 위해 전기 스파크를 가하면 이러한 분자들이 형성될 수 있다는 것을 보여주었다.[36] 비록 실험에 사용된 대기 조성이 원시 지구의 실제 대기와는 달랐을 수 있지만, 이후 더 현실적인 조건에서 수행된 실험에서도 유사한 유기 분자가 합성됨이 확인되었다.[37] 최근 컴퓨터 시뮬레이션 연구는 지구가 형성되기 이전, 원시 행성계 원반 단계에서부터 외계 유기 분자가 만들어졌을 가능성을 제시한다.[95]
생명 탄생을 위해 필요한 다음 단계의 주요 특징은 세 가지이다. 첫째는 자신과 유사한 자손을 만드는 자가증식 능력, 둘째는 스스로 에너지를 얻고 손상된 부분을 복구하는 물질대사(신진대사) 능력, 그리고 셋째는 필요한 물질을 받아들이고 노폐물을 내보내며 원치 않는 물질을 차단하는 경계막인 세포막이다.[96]
현존하는 가장 단순한 생명체조차도 유전 정보를 기록하기 위해 DNA를 사용하며, 이 정보를 읽고 생명 활동을 유지하기 위해 RNA와 단백질 분자들의 복잡한 시스템을 활용한다.
'''RNA 세계 가설'''
리보자임이라고 불리는 특별한 RNA 분자가 스스로를 복제하고 단백질 합성을 촉매할 수 있다는 사실이 발견되면서, 초기 생명체가 전적으로 RNA에 기반했을 것이라는 가설, 즉 RNA 세계 가설이 등장했다.[97] 이 RNA 세계에서는 돌연변이와 수평적 유전자 이동이 빈번하게 일어나 각 세대의 유전 정보가 부모 세대와 상당히 달랐을 것으로 추정된다.[98] RNA는 이후 더 안정적인 DNA로 대체되었다. DNA는 더 긴 유전 정보를 저장할 수 있어 생명체의 복잡성과 다양성을 높이는 데 유리했기 때문이다.[99] 리보자임은 오늘날 세포 내 단백질 합성 공장인 리보솜의 핵심 구성 요소로 여전히 중요한 역할을 하고 있다.[100]
실험실에서 짧은 길이의 자가 복제 RNA 분자를 인공적으로 만드는 데 성공했지만,[101] 자연 상태에서 RNA가 비생물학적으로 합성될 수 있었는지에 대해서는 여전히 논란이 있다.[102][103][104] 일부 과학자들은 RNA 이전에 펩타이드 핵산(PNA), 트레오스 핵산(TNA), 글리세롤 핵산(GNA)과 같은 더 단순한 형태의 핵산이 먼저 존재했다가 나중에 RNA로 대체되었을 가능성을 제기한다.[161][105] 이 외에도 결정[106]이나 양자 시스템[107] 등이 RNA 이전의 초기 복제자 역할을 했을 것이라는 가설도 있다.
2003년에는 열수 분출구 주변의 고온(약 100°C) 및 고압 환경에서 다공성 금속 황화물 침전물이 RNA 합성을 도왔을 것이라는 가설이 제기되었다. 이 가설에 따르면, 초기 세포는 지질로 된 세포막이 발달하기 전까지 금속 구조의 미세한 구멍 안에서 보호받으며 존재했을 수 있다.[108]
'''철-황 세계 가설'''
또 다른 유력한 가설은 최초의 생명체가 단백질 분자로 구성되었다는 것이다. 단백질의 기본 단위인 아미노산은 초기 지구와 유사한 조건에서 쉽게 합성될 수 있으며, 아미노산이 여러 개 결합한 작은 펩타이드 역시 마찬가지다. 펩타이드는 효과적인 촉매 역할을 할 수 있다.[109] 1997년부터 진행된 여러 실험에서는 일산화 탄소와 황화 수소가 황화 철 및 황화 니켈 촉매 존재 하에 아미노산과 펩타이드를 형성할 수 있음을 보여주었다. 이 반응의 대부분은 약 100°C의 온도와 적당한 압력에서 일어나지만, 일부 단계는 250°C의 고온과 7km 깊이의 암석 아래에 해당하는 높은 압력을 필요로 한다. 이는 단백질 기반 생명체가 열수 분출구 근처에서 시작되었을 가능성을 시사한다.[110]
물질대사가 자가 복제보다 먼저 나타났다고 보는 가설도 있지만, 이 경우 생명체가 어떻게 진화할 수 있었는지 설명하기 어렵다는 점이 지적된다. 자가 복제 능력이 없다면 자연 선택이 작용하기 어렵기 때문이다. 최근의 모델 연구들은 이러한 시스템이 자연 선택을 통해 진화하기 어렵다는 결과를 보여주었다.[134]
'''지질 세계 및 점토 가설'''
지질이 이중 막 구조의 "거품" 즉, 리포솜을 형성하는 것이 생명 탄생의 첫걸음이었을 수 있다는 가설도 제기되었다.[137] 초기 지구 환경을 모방한 실험에서 지질이 합성되고, 이들이 자발적으로 리포솜을 형성하며 스스로 증식할 수 있음이 관찰되었다. 리포솜 자체는 유전 정보를 저장할 수 없지만, 안정성과 증식 능력 면에서 자연 선택의 영향을 받을 수 있었을 것이다. 또한, 리포솜 내부는 외부 환경보다 RNA와 같은 분자가 합성되기에 더 유리한 조건을 제공했을 수 있다.[138]
몬모릴로나이트와 같은 특정 점토 광물은 RNA 세계의 형성을 도울 수 있는 흥미로운 특성을 가지고 있다. 이 점토들은 자신의 결정 구조를 복제하며 성장할 수 있고, 환경 조건에 따라 특정 구조가 우세해지는 자연 선택과 유사한 과정을 겪을 수 있다. 또한, RNA 분자의 형성을 촉매하는 역할도 할 수 있다.[139] 이 점토 가설이 학계의 주류 의견은 아니지만, 일부 지지자들이 있다.[140][106] 2003년 연구에서는 몬모릴로나이트가 지방산이 리포솜과 같은 거품 구조를 형성하는 것을 촉진하며, 이 거품이 점토 표면에 붙어 있는 RNA 분자를 감쌀 수 있음을 보여주었다. 이 거품들은 주변의 지질을 흡수하며 성장하고 분열할 수 있는데, 초기 세포 형성 과정이 이와 유사했을 수 있다.[147] 철분이 풍부한 점토가 자기 복제를 통해 뉴클레오티드, 지질, 아미노산의 기원이 되었다는 유사한 가설도 존재한다.[148]
'''최후 보편 공통 조상 (LUCA)'''
수많은 초기 원시 세포들 중에서 단 하나의 계통만이 살아남아 오늘날 지구상 모든 생명체의 최후 보편 공통 조상(Last Universal Common Ancestor, LUCA)이 된 것으로 여겨진다. 현재의 계통 발생적 증거에 따르면, LUCA는 시생누대 초기, 약 35억 년 전 또는 그 이전에 살았던 것으로 추정된다.[35][36] 이 LUCA 세포는 아마도 세포막과 리보솜을 가졌지만, 핵이나 미토콘드리아, 엽록체와 같은 막으로 둘러싸인 세포 소기관은 없는 원핵생물이었을 것이다. 현대 세포와 마찬가지로 DNA를 유전 정보 저장 매체로 사용하고, RNA를 정보 전달과 단백질 합성에 활용했으며, 다양한 효소를 이용해 화학 반응을 촉매했을 것으로 보인다. 일부 과학자들은 LUCA가 단일 개체가 아니라, 수평적 유전자 이동을 통해 유전자를 활발히 교환하던 초기 생명체 집단이었을 것이라고 보기도 한다.[152]
4. 원생누대
원생누대는 약 25억 년 전부터 5억 3880만 년 전까지의 지질 시대를 가리킨다.[38] 이 누대의 이름은 '초기 생명'을 의미하며, 이 시기 동안 지구와 생명체에 중요한 변화가 많이 일어났다.
지질학적으로는 순상지가 점차 커져 현대와 비슷한 크기의 대륙으로 성장했다. 약 20억 년 전에는 컬럼비아(또는 누나)라는 초기 초대륙이 형성되었을 가능성이 있으며, 이후 약 10억 년에서 8억 3천만 년 전 사이에는 로디니아라는 초대륙이 형성되었다가 분열되었다. 원생누대 말기인 약 5억 5천만 년 전에는 판노티아라는 또 다른 초대륙이 형성되었을 것으로 추정된다.
대기 구성에도 큰 변화가 있었다. 시아노박테리아의 광합성 활동으로 산소가 대량 생산되기 시작했으며, 이는 바닷물 속 철과 반응하여 호상철광층을 형성했다. 바닷물 속 철이 고갈된 후에는 산소가 대기 중으로 방출되어 축적되기 시작했고, 이는 지구의 세 번째 대기이자 현재와 같은 산소가 풍부한 대기를 형성하는 기반이 되었다.[38] 대기 중 산소 증가는 오존층 형성을 가능하게 하여 자외선을 차단함으로써 생물이 육상으로 진출할 수 있는 환경을 만들었다.[38]
생물학적으로는 원핵생물에서 더 복잡한 구조를 가진 진핵생물로의 진화가 일어났다. 약 21억 년 전(±6억 년)에는 세포 내 공생을 통해 미토콘드리아와 엽록체를 가진 진핵세포가 출현한 것으로 보인다. 이후 약 10억 년에서 6억 년 전 사이에는 다세포 생물이 등장했다.
기후적으로 원생누대에는 여러 차례의 극심한 빙하기가 있었다. 약 24억 년 전에서 22억 년 전 사이의 휴로니안 빙기와, 약 8억 년 전에서 6억 년 전 사이의 후기 빙하기는 지표면 전체가 얼어붙었을 가능성이 제기되는 눈덩이 지구(Snowball Earth) 사건으로 추정된다.[104][39]
원생누대 말기인 약 6억 년 전 마지막 눈덩이 지구가 끝난 후, 생명의 진화는 가속화되었다. 약 6억 년에서 5억 5천만 년 전에는 에디아카라 생물군이라 불리는 크고 다양한 다세포 생물들이 출현했다.[165][52] 이들은 단단한 골격은 없었지만, 이후 캄브리아기에 나타날 다양한 동물 문의 조상 중 일부를 포함하고 있을 가능성이 있으며, 캄브리아기의 대폭발의 중요한 서막으로 여겨진다.[53]
4. 1. 산소 혁명
초기 세포들은 주변 환경에서 에너지와 음식물을 흡수했으며, 발효 과정을 통해 에너지를 얻었다. 발효는 산소가 없는 혐기성 환경에서만 가능했다. 이후 광합성 능력을 갖춘 세포가 등장하면서 스스로 에너지원을 만들어낼 수 있게 되었다.
오늘날 지구 생명체의 대부분은 직간접적으로 광합성에 의존한다. 가장 흔한 형태인 산소 광합성은 이산화탄소, 물, 햇빛을 이용해 에너지원(포도당 등)을 만드는 과정이다. 이 과정에서 물 분자가 분해되며 부산물로 산소가 방출된다. 반면, 홍색 황세균이나 녹색 황세균 같은 일부 생물은 물 대신 황화수소, 황, 철 등을 전자 공여체로 사용하는 무산소 광합성을 한다. 이런 생물들은 주로 온천이나 열수 분출구 같은 극한 환경에서 발견된다.
단순한 형태의 무산소 광합성은 생명이 출현한 지 얼마 지나지 않은 약 38억 년 전에 나타난 것으로 보인다. 산소 광합성이 처음 시작된 시기는 논란이 있지만, 약 24억 년 전에는 확실히 나타났으며, 일부 연구자들은 그 시기를 32억 년 전까지 거슬러 올라가기도 한다. 산소를 생성하는 생명체의 가장 오래된 증거 중 하나는 화석화된 스트로마톨라이트이다.
광합성으로 처음 방출된 산소는 바닷물에 녹아있던 철 이온 등과 반응하여 산화철을 형성했다. 이 산화철 침전물은 해저에 쌓여 호상철광층이라고 불리는 붉은색과 회색 줄무늬 지층을 만들었는데, 특히 시데리아기(약 25억 년 전 ~ 23억 년 전)에 많이 형성되었다.[38] 반응할 수 있는 광물들이 대부분 산화된 후에야 산소는 대기 중으로 방출되어 축적되기 시작했다. 개별 세포가 만드는 산소량은 적었지만, 오랜 시간에 걸쳐 축적되면서 지구 대기는 현재와 같이 산소가 풍부한 상태로 변하게 되었다. 이것이 지구의 세 번째 대기이다.[38]
대기 중에 쌓인 산소 중 일부는 자외선의 영향을 받아 오존(O3)으로 변환되었고, 이 오존 분자들이 모여 성층권에 오존층을 형성했다. 오존층은 태양으로부터 오는 해로운 자외선을 흡수하여 지표면에 도달하는 양을 크게 줄여주었다. 이 덕분에 생명체는 강한 자외선으로 인한 치명적인 돌연변이 위험에서 벗어나 바다 표면과 육지로 진출할 수 있게 되었다.[38]
한편, 대기 중 산소 농도의 급격한 증가는 당시 존재하던 많은 혐기성 생물에게는 치명적인 독소로 작용했다. 이로 인해 많은 생물종이 멸종하는 대규모 멸종 사건이 발생했는데, 이를 산소 대재앙(Oxygen Catastrophe)이라고 부른다.[38] 그러나 산소 환경에 적응하거나 산소를 이용해 더 효율적으로 에너지를 생산하는 능력을 갖춘 생물들은 살아남아 번성하게 되었고, 이는 이후 생명체의 진화에 중요한 전환점이 되었다.[38]
4. 2. 눈덩이 지구
태양의 자연적인 진화 과정에서 태양의 광도는 점차 밝아져, 10억 년마다 약 6%씩 증가했다. 그 결과, 지구는 원생누대 동안 태양으로부터 더 많은 열을 받게 되었다. 하지만 지질 기록은 오히려 원생누대 초기에 지구가 급격히 냉각되었음을 보여준다. 남아프리카에서 발견된 약 22억 년 전의 빙퇴석은 당시 해당 지역이 적도 부근에 있었음을 고지자기 증거를 통해 알 수 있다. 이 시기의 빙하기를 휴로니안 빙기라고 부르며, 일부 과학자들은 이때 지구가 극지방에서 적도까지 완전히 얼어붙는 눈덩이 지구(Snowball Earth) 상태였을 것이라고 추정한다.
휴로니안 빙하기는 대산소화 사건으로 인해 대기 중 산소 농도가 증가하면서 강력한 온실 가스인 메탄(CH4)이 감소했기 때문에 발생했을 수 있다. 메탄은 산소와 반응하여 상대적으로 온실 효과가 약한 이산화탄소(CO2)를 형성하는데, 대기 중 메탄 농도가 급격히 줄어들면서 태양 복사 에너지 증가에도 불구하고 지구 전체가 냉각될 수 있었다.
그러나 '눈덩이 지구'라는 용어는 보통 원생누대 후기인 크리오기안 시대의 극심한 빙하기를 설명하는 데 더 자주 사용된다. 약 7억 5천만 년 전부터 5억 8천만 년 전 사이에, 각각 약 1천만 년 동안 지속된 네 차례의 빙하기가 있었던 것으로 추정된다. 이 시기 지구는 가장 높은 산을 제외하고는 대부분 얼음으로 덮여 있었으며, 평균 기온은 약 -50°C에 달했을 것으로 보인다.[39] 이러한 극심한 빙하기의 원인 중 하나로 당시 적도 부근에 위치했던 초대륙 로디니아의 존재가 거론된다. 육지가 적도에 넓게 분포하면 풍화 작용이 활발하게 일어나 대기 중의 이산화탄소를 소모시키는데, 로디니아가 얼음으로 덮이기 전까지 이 과정이 지속되어 온실 효과가 약화되었을 수 있다. 이러한 빙하기는 화산 활동으로 인한 이산화탄소 방출이나 메탄 가스 수화물의 불안정화 등으로 인해 끝났을 것으로 추정된다. 한편, 빙하기가 절정에 달했을 때에도 적도 부근에는 얼지 않은 바다가 남아있었다는 슬러시볼 지구(Slushball Earth) 가설도 존재한다.[40][41]
4. 3. 진핵생물의 출현
현대의 분류학은 생물을 세 개의 역으로 분류한다. 이들의 기원은 불확실하며, 세균 역이 다른 생명체로부터 먼저 갈라져 나왔을 가능성이 제기되지만 논란의 여지가 있다. 이후 약 20억 년 전에 고세균과 진핵생물이 분화된 것으로 보인다. 진핵세포(진핵생물)는 원핵세포(세균 및 고세균)보다 크고 구조가 복잡하며, 이러한 복잡성의 기원은 점차 밝혀지고 있다.[42] 균류의 특징을 가진 가장 오래된 화석은 약 24억 년 전 고원생대의 것으로 추정된다. 이 다세포 저서생물은 서로 연결될 수 있는 실 모양의 구조를 가지고 있었다.[43]
이 시기에 세포 내 공생을 통해 최초의 미토콘드리아가 형성되었다. 오늘날의 리케차와 관련된 세균 세포가 세포 호흡을 통해 산소를 대사하도록 진화하여, 그러한 능력이 없는 더 큰 원핵 세포 안으로 들어갔다. 큰 세포가 작은 세포를 소화하지 못했거나, 작은 세포가 큰 세포에 기생했을 가능성이 있다. 어떤 경우든 작은 세포는 큰 세포 내에서 생존하며, 산소를 이용해 큰 세포의 노폐물을 대사하고 더 많은 에너지를 생산했다. 이 잉여 에너지 일부가 숙주 세포에 공급되면서 안정적인 공생 관계가 형성되었다. 시간이 지나면서 숙주 세포는 작은 세포로부터 일부 유전자를 받아들였고, 두 세포는 서로에게 의존하게 되었다. 큰 세포는 작은 세포가 생산하는 에너지 없이는, 작은 세포는 큰 세포가 제공하는 물질 없이는 생존할 수 없게 된 것이다. 이 전체는 하나의 생물로 간주되며, 작은 세포는 소기관인 미토콘드리아로 불리게 되었다.
비슷한 과정으로 광합성 능력을 가진 시아노박테리아가 큰 종속영양 세포 안으로 들어가 엽록체가 되었다. 이 사건은 약 10억 년 전에 일어났으며, 이후 광합성 능력이 있는 세포 계통과 없는 계통이 분리되었다. 이러한 세포 내 공생은 여러 차례 일어났을 수 있다. 미토콘드리아와 엽록체의 세포 내 기원에 대한 세포 내 공생설은 잘 확립되어 있지만, 세포가 퍼옥시솜으로, 스피로헤타가 섬모와 편모로, DNA 바이러스가 세포핵으로 이어졌다는 가설도 있으나 널리 받아들여지지는 않는다.
고세균, 세균, 진핵생물은 각자의 환경에 적응하며 계속해서 다양해지고 더욱 복잡하게 진화했다. 각 역은 여러 계통으로 반복적으로 분화되었다. 약 11억 년 전에는 식물, 동물, 균류 계통이 분리되었으나, 아직은 단독 세포 형태로 존재했다. 이들 중 일부는 군집을 이루어 생활했으며, 점차 세포 간 분업이 이루어지기 시작했다. 예를 들어, 군집의 바깥쪽 세포와 안쪽 세포가 다른 역할을 맡는 식이다. 특화된 세포를 가진 군집과 다세포 생물 사이의 경계는 명확하지 않지만, 약 10억 년 전에는 최초의 다세포 식물(아마도 녹조류)이 출현했다. 약 9억 년 전에는 동물에서도 진정한 다세포성이 진화한 것으로 보인다.[44]
초기 다세포 동물은 오늘날의 해면과 유사했을 것으로 추정된다. 해면동물은 파괴되더라도 각 세포가 다시 모여 완전한 개체를 재구성할 수 있는 전능성 세포를 가지고 있다. 다세포 생물의 여러 계통에서 분업이 완성되면서, 세포들은 더욱 특화되고 서로에게 의존하게 되었다.[45]
4. 4. 초대륙의 형성과 분열
판 이동의 과거 경로는 대륙 가장자리의 형태, 해양 지각의 자기장 방향, 그리고 고지자기 극 등의 정보를 통해 추적할 수 있다. 특히 최근 2억 5천만 년 동안의 이동은 비교적 정확하게 재구성할 수 있지만, 그 이전 시대로 갈수록 해양 지각 정보가 소실되어 추적이 훨씬 어려워진다. 따라서 오래된 시대의 판 이동 재구성은 고지자기 극 정보와 함께, 과거 판 경계를 나타내는 조산대나 고대 동식물 분포 같은 지질학적 증거들을 보완하여 이루어진다. 시간이 더 거슬러 올라갈수록 데이터는 부족해지고 해석이 어려워 재구성은 더욱 불확실해진다.
지구 역사 동안 대륙들은 여러 차례 충돌하여 거대한 초대륙을 형성했다가 다시 분열되는 과정을 반복했다. 약 10억 년에서 8억 3천만 년 전 사이에는 대부분의 대륙 덩어리가 합쳐져 초대륙 로디니아(Rodinia)를 형성했던 것으로 보인다. 로디니아가 최초의 초대륙은 아니며, 약 20억 년 전에 형성된 컬럼비아(Columbia) 또는 누나(Nuna)라는 이름의 더 오래된 초대륙이 존재했을 가능성이 있다.[162][163]
로디니아는 약 8억 년 전에 분열되기 시작했으며, 이후 대륙들은 약 5억 5천만 년 전에 다시 모여 판노티아(Pannotia) 또는 벤디아(Vendia)라고 불리는 또 다른 초대륙을 형성했을 것으로 추정된다. 이 시기에는 현재의 아프리카, 남아메리카, 남극, 오스트레일리아 대륙 덩어리가 결합하는 범아프리카 조산 운동이라는 대규모 대륙 충돌이 있었다. 하지만 판노티아의 존재 여부나 완전한 형태에 대해서는 논란이 있는데, 이는 곤드와나(Gondwana, 현재 남반구 대부분과 아라비아 반도, 인도 아대륙 포함)와 로렌시아(Laurentia, 현재의 북아메리카와 거의 일치) 대륙 사이의 분열 시점과 관련이 있다. 즉, 모든 대륙이 완전히 하나로 뭉치지는 못했을 가능성도 제기된다. 그럼에도 불구하고, 원생누대 말기에는 대부분의 대륙 덩어리가 남극 부근에 모여 있었던 것은 비교적 확실해 보인다.
4. 5. 원생누대 후기
원생누대 말기에는 눈덩이 지구라고 불리는 심각한 빙하기가 적어도 두 차례 있었다. 이 시기는 크라이오제니아기인 약 7억 1650만 년 전과 6억 3500만 년 전에 발생했다.[48] 이 빙하기 동안에는 바다 표면까지 완전히 얼어붙을 정도로 추웠으며,[48] 그 강도와 발생 원인은 아직 명확히 밝혀지지 않았다.[49] 대부분의 고기후학자들은 이 추운 시기가 초 대륙 로디니아의 형성과 관련이 있다고 생각한다. 로디니아가 적도를 중심으로 위치했기 때문에 화학적 풍화 속도가 증가했고, 이로 인해 대기 중의 이산화탄소(CO2)가 제거되면서 지구 전체의 기후가 냉각되었다는 것이다.[50]눈덩이 지구의 종식에 대해서는 두 가지 주요 가설이 있다. 하나는 지구 표면 대부분이 영구 동토층으로 덮여 화학적 풍화가 감소하면서 대기 중 이산화탄소 농도가 다시 높아졌다는 것이고, 다른 하나는 로디니아 대륙 분열과 함께 증가한 화산 활동으로 충분한 이산화탄소가 배출되어 온실 효과로 지구 온도가 상승했다는 것이다.[51]
빙하기 다음에는 에디아카라기(약 6억 3500만 년 전 ~ 5억 3880만 년 전)가 이어졌으며, 이 시기에는 새로운 다세포 생물이 급격히 발달했다.[165][52] 이러한 급격한 생명 다양성 증가가 빙하기 종결과 연관이 있는지는 불분명하지만, 우연의 일치는 아닌 것으로 여겨진다. 에디아카라 생물군이라고 불리는 새로운 형태의 생명체는 이전보다 더 크고 다양했다. 대부분의 에디아카라 생물군의 분류는 불분명하지만, 일부는 현대 생명체의 조상으로 여겨진다. 특히 근육 세포와 신경 세포의 기원은 중요한 발전이었다. 에디아카라 화석 중 어떤 것도 골격과 같은 단단한 신체 부위를 가지고 있지 않았다. 이러한 단단한 부위는 원생누대와 현생누대의 경계인 캄브리아기 이후에 처음 나타난다.[53] 에디아카라 생물군의 출현은 이후 캄브리아기의 대폭발로 이어지는 중요한 서막이었다.
5. 현생누대
지질 시대의 가장 최근 누대인 현생누대(Phanerozoic Eon영어)는 약 5억 3880만 년 전에 시작되어 현재까지 이어지는 시기이다.[38] 이 누대의 이름은 "눈에 보이는 생명"을 의미하며, 캄브리아기 대폭발을 통해 복잡한 생명체, 특히 척추동물을 포함한 다세포 생물이 폭발적으로 다양해진 시기이다.[54] 현생누대는 크게 고생대, 중생대, 신생대의 세 대로 나뉜다.[38] 이 시기 동안 지구의 대륙은 판게아 초대륙을 형성했다가 다시 로라시아와 곤드와나로 분열되고, 마침내 현재의 대륙 분포를 이루게 되었다. 생명체는 바다를 넘어 육지로 진출하여 식물, 환형동물, 곤충, 파충류, 포유류 등 오늘날 익숙한 다양한 형태로 진화했다. 그러나 이 과정에서 여러 차례의 대량 멸종 사건이 발생하여 생물 다양성에 큰 변화를 가져왔다.
고생대("오래된 생명")는 현생누대의 첫 번째 대이자 가장 긴 시대로, 약 5억 3880만 년 전부터 2억 5190만 년 전까지 지속되었다.[38] 이 시기에는 캄브리아기 대폭발을 통해 대부분의 현생 동물 문(門)이 출현했으며, 생명체가 처음으로 육지에 정착했다. 고생대 말기에는 페름기-트라이아스기 대멸종이라는 지구 역사상 가장 큰 규모의 멸종 사건이 발생했다.
중생대("중간 생명")는 약 2억 5190만 년 전부터 6600만 년 전까지 지속되었으며,[38] 트라이아스기, 쥐라기, 백악기로 나뉜다. 이 시대는 흔히 '공룡의 시대'로 알려져 있으며, 파충류가 육상 생태계를 지배했다. 중생대는 백악기-고생대 대멸종으로 끝을 맺었는데, 이 사건으로 조류를 제외한 모든 공룡이 멸종했다.[56]
신생대("새로운 생명")는 약 6600만 년 전에 시작되어 현재까지 이어지는 시대로,[57] 고진기, 신진기, 제4기로 나뉜다. 공룡 멸종 이후 포유류와 조류가 급격히 다양화하며 번성했고, 현생 생태계의 모습을 갖추게 되었다.[58] 특히 이 시대 후반에는 인류가 출현하여 지구 환경에 큰 영향을 미치기 시작했다.
5. 1. 고생대
현생누대의 첫 번째 대이자 가장 긴 시대로, 약 5억 3880만 년 전부터 2억 5190만 년 전까지 지속되었다.[38] 고생대("오래된 생명"이라는 뜻) 동안 많은 현대 생물군이 처음으로 등장했으며, 생명체는 바다를 넘어 육지에 정착하기 시작했다. 처음에는 식물이, 이후에는 동물이 육상 환경에 적응해 나갔다.고생대 초기인 캄브리아기에는 생명의 다양성이 폭발적으로 증가하는 캄브리아기 대폭발이 일어나, 오늘날 존재하는 대부분의 동물 문들이 이 시기에 출현했다.[54] 이 시기에는 삼엽충과 같은 다양한 무척추동물과 함께 최초의 척추동물인 원시 어류가 나타났다. 이후 오르도비스기에는 어류가 더욱 다양해졌고, 실루리아기에는 식물이 본격적으로 육상에 진출했으며[110], 데본기에는 절지동물[110]과 최초의 양서류가 육지에 등장했다.[110] 석탄기에는 울창한 삼림이 형성되어 오늘날 석탄의 기원이 되었고, 하늘을 나는 거대한 곤충들이 나타났으며, 파충류가 처음으로 출현했다.[114]
지질학적으로 고생대는 격동의 시기였다. 원생대 말기에 분열되었던 로디니아와 판노티아 등의 대륙들은 고생대 동안 서서히 다시 모여들었다. 로렌시아, 발티카, 시베리아, 곤드와나 등의 대륙들이 충돌하면서 거대한 산맥들을 형성했고, 마침내 고생대 말기에는 거의 모든 대륙이 하나로 뭉쳐진 초대륙 판게아가 완성되었다.[55]
고생대의 기후는 전반적으로 온난했지만, 오르도비스기 말과 석탄기 후반부터 페름기 초에 걸쳐서는 대규모 빙하기가 찾아오기도 했다. 또한 고생대 동안에는 여러 차례의 대멸종 사건이 발생했다. 특히 오르도비스기 말과 데본기 후기의 멸종 사건도 큰 규모였지만, 고생대의 마지막 시기인 페름기 말에 발생한 페름기-트라이아스기 대멸종은 지구 역사상 가장 파괴적인 대멸종 사건으로 기록된다. 이 사건으로 인해 해양 생물의 약 95%, 육상 생물을 포함한 전체 생물 종의 90% 이상이 멸종한 것으로 추정된다. 이 대멸종은 고생대의 끝과 중생대의 시작을 알리는 중요한 전환점이 되었다.
5. 1. 1. 캄브리아기 대폭발
화석 기록에 따르면 생명의 진화 속도는 캄브리아기(5억 4200만 년 전 ~ 4억 8800만 년 전)에 갑자기 빨라졌다. 이 시기에 수많은 새로운 종, 문, 형태가 갑자기 나타난 현상을 "캄브리아기 대폭발"이라고 부른다. 이는 지구 역사상 유례없는 사건이었다.
캄브리아기 대폭발은 멸종한 에디아카라 생물군이 사라지면서 비게 된 생태적 지위를 새로운 생물 문(門)들이 채우는 일종의 적응 방산으로 여겨진다. 에디아카라 생물군은 원시적이고 현대 생물 분류에 정확히 들어맞지 않는 반면, 캄브리아기 말에는 대부분의 현대적 문(門)이 이미 존재했다.
이 시기에는 껍질, 골격, 외골격과 같은 단단한 신체 부위를 가진 동물들이 출현했다. 여기에는 연체동물, 극피동물, 바다나리, 절지동물 등이 포함된다. 특히 고생대를 대표하는 절지동물인 삼엽충이 이때 처음 등장했다. 단단한 부분은 화석으로 남기 쉬워, 캄브리아기 이후의 생명체 연구는 이전 시대보다 훨씬 용이해졌다. 캄브리아기에 나타난 생물 중 ''아노말로카리스''나 ''하이코이치스'' 같은 일부는 복잡해 보이지만 현대 생물과는 다른 모습이었으나, 최근 연구를 통해 이들도 현대 분류 체계 안에 자리를 잡아가고 있다.
캄브리아기 동안 최초의 척추동물, 그중에서도 첫 어류가 나타났다. 척추동물의 조상으로 추정되는 동물은 ''피카이아''로, 원시적인 척삭을 가지고 있었으며 이는 나중에 척추로 진화하는 구조이다.
그러나 캄브리아기 동안 여러 차례의 대량 멸종 사건("생물군"이라고도 함)이 발생하여 생물 다양성이 폭발적으로 늘어나지는 못했다. 각 멸종 이후에는 대륙붕 지역에 다른 곳에서 진화했을 수 있는 유사한 생명체들이 다시 자리를 잡았다. 캄브리아기 말에는 삼엽충이 가장 큰 다양성을 이루며 거의 모든 화석 집합체에서 우세한 그룹이 되었다.
5. 1. 2. 고생대의 환경과 지리
원생대 말기에 초대륙 판노티아는 로렌시아, 발티카, 시베리아, 곤드와나 등의 작은 대륙들로 분열되기 시작했다.[59] 고생대 동안 이러한 대륙들은 계속해서 이동했다. 대륙이 서로 멀어지면서 화산 활동이 활발해져 새로운 해양 지각이 많이 형성되었다. 새로 생긴 젊은 해양 지각은 오래된 지각보다 상대적으로 뜨겁고 밀도가 낮아 해저면을 상승시켰고, 이는 해수면 상승으로 이어졌다. 그 결과, 고생대 전반기에는 넓은 대륙 지역이 얕은 바다에 잠겨 있었다.고생대 초기 기후는 대체로 오늘날보다 따뜻했다. 하지만 오르도비스기 말에는 짧은 빙하기가 찾아와, 당시 남극 지역에 위치했던 거대한 곤드와나 대륙이 빙하로 뒤덮였다. 이 시기의 빙하 작용 흔적은 과거 곤드와나 대륙이었던 지역들에서 발견된다. 오르도비스기 후기 빙하기 동안에는 몇 차례의 대량 멸종 사건이 발생했다. 이로 인해 많은 완족동물, 삼엽충, 이끼벌레, 산호 등이 사라졌는데, 이는 급격한 해수 온도 하강에 적응하지 못했기 때문으로 추정된다. 이러한 멸종 이후에는 변화된 환경에 더 잘 적응한 새로운 생물들이 등장하여 번성했다.
대륙 이동은 계속되어, 약 4억 5천만 년 전에서 4억 년 전 사이에는 로렌시아와 발티카 대륙이 충돌하여 라우라시아(유라메리카라고도 불림)라는 새로운 대륙을 형성했다.[60] 이 충돌 과정(칼레도니아 조산대)에서 형성된 산맥의 흔적은 오늘날 스칸디나비아, 스코틀랜드, 북부 애팔래치아 산맥 등지에서 찾아볼 수 있다.
데본기(약 4억 1600만 년 ~ 3억 5900만 년 전)에는 곤드와나와 시베리아 대륙이 라우라시아를 향해 움직이기 시작했다. 석탄기(약 3억 5900만 년 ~ 2억 9900만 년 전)에는 시베리아가 라우라시아와 충돌하여 우랄 조산 운동을 일으켰고, 곤드와나 역시 라우라시아와 충돌했다. 곤드와나와 라우라시아의 충돌은 유럽에서 바리스칸 조산 운동(헤르키니아 조산 운동), 북아메리카에서 앨레게니 조산 운동이라 불리는 대규모 조산 운동을 유발했다. 이러한 일련의 대륙 충돌 과정을 통해 고생대 말기에는 마침내 모든 대륙이 하나로 합쳐진 거대한 초대륙 판게아가 형성되었다.[166]
5. 1. 3. 육상 생물의 출현
광합성으로 인한 산소 축적은 태양의 자외선을 상당 부분 흡수하는 오존층을 형성했다. 이는 육지에 도달하는 자외선의 양을 줄여 생물이 물 밖에서도 생존할 가능성을 높였고,[64][65] 점차 육상 환경에 적응하는 진화가 일어나기 시작했다. 원핵생물은 이르면 약 30억 년 전부터 육지에 정착했을 것으로 추정되지만,[64][65][168] 오랫동안 육지는 다세포 생물이 없는 상태로 남아 있었다.
수억 년 전, 식물(아마도 조류와 유사)과 균류가 물가에서 육지로 진출하기 시작했다. 육상 식물과 균류의 가장 오래된 화석은 약 4억 8천만 년에서 4억 6천만 년 전의 것이지만, 분자생물학적 증거에 따르면 균류는 약 10억 년 전, 식물은 약 7억 년 전부터 육상 생활을 시작했을 가능성이 있다. 이들은 처음에는 물가 근처에 머물렀으나, 점차 돌연변이와 변이를 통해 내륙으로 서식지를 넓혀갔다.
최초로 육지에 오른 동물이 언제 출현했는지는 정확히 알 수 없다. 현재까지 가장 오래된 명확한 육상 동물 화석은 약 4억 5천만 년 전의 절지동물에 속하는 배각류의 것이다. 이들 초기 육상 동물은 먼저 육지에 자리 잡은 식물들이 제공하는 풍부한 먹이 자원을 바탕으로 번성하고 육상 환경에 더욱 잘 적응해 나갔을 것으로 보인다. 일부 확인되지 않은 증거는 절지동물이 약 5억 3천만 년 전부터 육지에 나타났을 가능성을 제시하기도 한다.
5. 1. 4. 양서류와 파충류의 진화
턱을 가진 첫 어류 (유악류)는 오르도비스기에 출현하였다. 이들은 점차 크기가 커져, 판피류인 둔클레오스테우스처럼 7m에 달하는 종도 존재했다.약 3억 8000만 년에서 3억 7500만 년 전 사이, 데본기에 이르러 어류로부터 최초의 사지동물이 진화하였다. 과학자들은 어류의 지느러미가 점차 다리 형태로 발달했을 것으로 추정한다. 대표적인 예로 ''틱타알릭''(Tiktaalik)은 지느러미가 사지와 유사한 특징을 보여 사지동물의 조상으로 여겨진다.
초기 사지동물은 물 밖으로 머리를 내밀어 공기를 호흡하고, 얕은 물에서 먹이를 찾거나 잠시 육지로 올라왔을 것으로 보인다.
이후 육지 환경에 더 잘 적응한 종들이 나타났지만, 이들은 여전히 알을 물속이나 물가에 낳아야 했고, 알에서 깨어난 어린 개체는 물속에서 성장했다. 이것이 바로 양서류의 시작이다. 양서류의 등장은 약 3억 6500만 년 전 데본기 말의 대멸종 사건 이후에 이루어졌다.[66] 비슷한 시기인 약 3억 6000만 년 전, 식물은 씨앗을 통해 번식하는 능력을 갖추게 되어 육상에서의 확산 속도를 크게 높였다.
약 2000만 년이 더 흐른 약 3억 4000만 년 전, 건조한 육지 환경에서도 발생이 가능한 양막란이 진화했다. 양막란은 배아를 보호하는 막 구조를 가지고 있어, 동물이 물에서 벗어나 완전히 육상에서 생활하고 번식하는 데 결정적인 역할을 했다. 이 혁신적인 알의 등장은 양막류가 양서류로부터 분화되는 계기가 되었다.
다시 약 3000만 년이 지난 약 3억 1000만 년 전, 양막류는 두 개의 주요 그룹으로 나뉘었다. 하나는 포유류의 조상이 되는 단궁류이고, 다른 하나는 파충류와 조류를 포함하는 용궁류이다. 이 분화는 이후 지구 생태계를 구성하는 다양한 척추동물 그룹의 진화로 이어지는 중요한 사건이었다.
5. 1. 5. 곤충의 진화
절지동물이 육지에 언제 진출했는지는 명확하지 않다. 약 4억 2천만년 전 실루리아기 후기 지층에서 배각강에 속하는 다지류의 몸통 화석이 발견되었지만, 오르도비스기 후기 지층에서 절지동물의 발자국 화석이 발견되기도 했기 때문이다.[169] 육지에 진출한 절지동물은 외골격 덕분에 육상 생활에 비교적 쉽게 적응했으며, 당시 다른 어떤 육지 동물보다 다양하게 분화되었다.곤충은 어떤 절지동물에서 진화했는지에 대해서는 논란이 있지만, 갑각류와 가까운 관계의 생물에서 진화했을 가능성이 높은 것으로 여겨진다. 가장 오래된 곤충 화석은 데본기 초기의 것으로, 이 화석종은 이미 날개를 가지고 있었다는 의견도 있다. 곤충은 식물이나 유기물을 먹음으로써 초기 육상 생태계의 물질 순환에 기여했으며, 가슴의 측배엽판에서 날개를 진화시켜 생물 역사상 최초로 하늘을 나는 능력을 갖게 되었다.
석탄기와 페름기에는 현생 곤충의 조상이 되는 다양한 고생대형 곤충들이 등장했다. 이 중 메가네우라는 날개를 편 크기가 50cm에서 70cm에 달하는, 지구 역사상 가장 큰 곤충이었다. 바퀴벌레의 친척(Blattoptera) 역시 당시 주요한 육상 곤충 중 하나였다.
페름기 대멸종은 곤충에게도 큰 영향을 미친 유일한 대멸종 사건이었다.[170] 하지만 중생대에는 새로운 곤충의 목(目)들이 등장했으며, 꽃가루를 옮기는 곤충들도 나타났다. 이후 백악기와 신생대에는 속씨식물이 번성하면서 곤충의 종류가 폭발적으로 다양해졌다.
5. 2. 중생대
중생대는 약 2억 5100만 년 전부터 6600만 년 전까지의 시기로,[171] 트라이아스기, 쥐라기, 백악기로 나뉜다. 이 시대는 고생대 말에 있었던 페름기-트라이아스기 대멸종 이후 시작되었으며, 이 대멸종으로 지구상 생물종의 약 95%가 사라졌다. 살아남은 생물 중 특히 파충류에서 진화한 공룡은 중생대 동안 육상 생태계를 지배하며 번성했다.
약 2억 2천 5백만 년 전에는 최초의 포유류인 아데로바실레우스가 출현했고, 약 1억 5천만 년 전에는 최초의 조류로 여겨지는 시조새가 등장했다. 그러나 이들은 중생대 동안 공룡에 비해 크게 번성하지는 못했으며, 당시 포유류는 쥐와 비슷한 작은 크기의 야행성 동물이었을 것으로 추정된다.[171][118] 곤충은 중생대에도 다양성을 유지했으며, 백악기에는 속씨식물(개화식물)이 처음 등장하여 식물상에 큰 변화를 가져왔다. 이들 식물의 출현으로 곤충은 꽃가루받이에 중요한 역할을 하게 되었다. 최초의 개화식물 화석은 약 1억 3200만 년 전의 것이다.
지질학적으로는 약 2억 년 전 거대한 판게아 대륙이 분열하기 시작하여, 1억 8천만 년 전에는 북쪽의 로라시아 대륙과 남쪽의 곤드와나 대륙으로 크게 나뉘었다. 이후 이들 대륙은 계속해서 분열하고 이동하며 현재와 같은 대륙 분포의 기초를 형성했다.
중생대는 약 6600만 년 전 백악기 말에 발생한 백악기-고생대 멸종 사건으로 막을 내렸다. 이 사건은 현재의 유카탄반도 지역에 거대한 운석이 충돌하여 칙술루브 크레이터를 형성하면서 촉발된 것으로 여겨진다. 충돌로 인해 발생한 급격한 환경 변화는 암모나이트를 포함한 해양 생물과 익룡, 그리고 조류를 제외한 모든 공룡의 멸종을 가져왔다.
5. 2. 1. 공룡의 번성
중생대는 약 2억 5100만 년 전부터 6600만 년 전까지의 시기로,[171] 트라이아스기, 쥐라기, 백악기로 나뉜다. 중생대는 페름기 말에 발생한 대규모 대량 절멸 직후에 시작되었는데, 이 사건으로 지구상 생물종의 약 95%가 사라졌다. 살아남은 생물 중 특히 파충류에서 공룡이 진화했다. 약 2억 5천만 년 전, 파충류는 쌍궁류를 거쳐 공룡으로 진화했으며,[112] 공룡은 2억 년 전 트라이아스기 말에 있었던 또 다른 멸종 사건에서도 살아남아 중생대 동안 지구상 척추동물의 대부분을 차지하며 번성했다. 공룡은 기낭을 가지고 있어 당시의 저산소 환경에 잘 적응할 수 있었던 반면, 포유류의 조상인 단궁류는 횡격막을 가지고 있었음에도 저산소 환경에 효과적으로 대응하지 못하고 쇠퇴했다.[112] 당시에도 포유류는 존재했지만, 약 2억 2천 5백만 년 전 최초의 포유류인 아데로바실레우스가 출현한 이후에도 주로 쥐와 비슷한 작은 야행성 동물이었을 것으로 추정된다.[118] 곤충은 중생대에도 여전히 다양성을 유지했으며, 현생 곤충의 여러 목(目)이 이 시기에 등장했다. 특히 백악기에 속씨식물(개화식물)이 출현하면서 곤충은 꽃가루받이의 중요한 역할을 담당하게 되었다. 최초의 개화식물 화석은 약 1억 3200만 년 전 백악기의 것이다.
약 1억 8천만 년 전, 거대한 판게아 대륙이 북쪽의 로라시아 대륙과 남쪽의 곤드와나 대륙으로 나뉘기 시작했다. 이후 곤드와나 대륙은 다시 분열하여 현재의 대륙 배치를 형성하는 과정으로 이어졌다. 이러한 대륙 이동은 생물 진화에도 영향을 미쳤다. 예를 들어 오스트레일리아 대륙에서의 단공류 생존과 유대류의 독자적인 진화는 대륙 분리와 관련이 깊다.[119] 최초의 조류로 알려진 시조새는 약 1억 5천만 년 전에 존재했다.
공룡은 중생대 대부분의 기간 동안 번성했지만, 백악기 후반에 들어서면서 익룡이 조류와의 경쟁에서 밀려나는 등 변화의 조짐이 나타나기 시작했다. 약 6600만 년 전, 현재의 유카탄반도 지역에 거대한 운석이 충돌하여 칙술루브 크레이터를 형성했다. 이 충돌로 인해 엄청난 양의 먼지와 수증기가 대기 중으로 퍼져나가 태양광을 차단했고, 이는 급격한 환경 변화를 일으켜 K-Pg 경계로 알려진 대멸종 사건을 촉발했다. 이 사건으로 암모나이트를 포함한 수많은 생물과 함께 공룡(조류 제외)이 멸종하면서 백악기와 중생대의 시대는 막을 내렸다.
5. 2. 2. 포유류와 조류의 출현
중생대 (트라이아스기, 쥐라기, 백악기) 동안 파충류에서 진화한 공룡이 육상을 지배하였으나,[171][112] 이 시기에도 포유류는 존재하였다. 최초의 포유류로 여겨지는 아데로바실레우스는 약 2억 2천 5백만 년 전, 트라이아스기 말기에 출현하였다. 당시 포유류는 오늘날의 쥐와 비슷한 작은 크기의 동물이었을 것으로 추정되며,[171] 신생대 이전까지는 대체로 작은 몸집을 유지하였다.초기 포유류는 주로 야행성 생활을 했을 것으로 생각되는데, 이 때문에 색각의 중요성이 낮아져 사색형 색각(4가지 유형의 원추세포)을 가졌던 조상과 달리 대부분 2가지 유형의 원추세포만 가지는 이색형 색각으로 퇴화하였다.[118] 이는 오늘날에도 많은 어류, 양서류, 파충류, 조류가 사색형 색각을 유지하는 것과 대비된다.[118]
한편, 조류의 등장은 쥐라기로 거슬러 올라간다. 최초의 새로 널리 알려진 시조새는 약 1억 5천만 년 전에 출현하였다.
백악기 말, 약 6천 6백만 년 전에 발생한 대량 절멸 사건으로 비조류 공룡들이 사라지면서 중생대는 막을 내렸다.[171] 이후 시작된 신생대에 이르러 포유류는 공룡의 빈자리를 차지하며 급격하게 진화하여 크기와 형태가 매우 다양해졌고, 육상과 해양 등 다양한 환경으로 서식지를 넓혀 번성하게 되었다.
5. 2. 3. 속씨식물의 출현
백악기에 이르러 속씨식물, 즉 개화식물이 처음으로 등장하였다. 최초의 개화식물 화석은 약 1억 3200만 년 전의 것으로 확인되었다. 속씨식물의 출현은 곤충이 꽃가루받이에서 중요한 역할을 하게 되는 계기가 되었다.5. 3. 신생대
신생대는 약 6600만 년 전부터 현재까지 이어지는 시기로, 제3기와 제4기로 나뉜다. 백악기 말에 있었던 대멸종 사건으로 비조류 공룡을 비롯한 수많은 생물들이 사라졌지만, 포유류와 조류 등 일부 생물들은 살아남아 이후 크게 번성하며 현대 생태계의 기반을 이루었다.대멸종 이후 포유류는 다양한 형태로 진화하며 육상, 해양, 공중 등 여러 환경으로 퍼져나갔다. 초기에는 몸집이 작았으나 점차 대형화되었고, 다양한 식성과 생활 방식을 갖추게 되었다.[71] 조류 역시 살아남은 공룡의 후예로서 하늘을 지배하게 되었으며, 현생 조류의 다양한 모습으로 진화했다. 곤충은 속씨식물의 등장과 함께 더욱 번성하여 오늘날과 같은 다양성을 갖추게 되었다.
신생대 동안 지구의 대륙 분포와 기후는 계속해서 변화했다. 특히 플라이오세에 형성된 파나마 지협은 아메리카 대륙 간의 생물 교류를 가능하게 했고, 해류 순환에 영향을 미쳐 전 지구적 기후 변화를 가져왔다.[77] 홍적세에는 여러 차례의 빙하기가 찾아와 지구 환경에 큰 변화를 주었으며, 이러한 환경 변화 속에서 인류의 진화가 이루어졌다. 현생 인류는 아프리카에서 출현하여 전 세계로 퍼져나가며 문명을 발전시키기 시작했다. 이 시기에는 매머드와 같은 거대 동물군이 번성하기도 했으나, 마지막 빙하기 이후 상당수가 멸종하였다.
5. 3. 1. 포유류의 다양화
신생대는 6600만 년 전 시작되어 현재까지 이어지며, 백악기 말의 대멸종에서 살아남은 포유류와 조류가 현생의 모습으로 진화하는 시기이다. 이 대멸종으로 비조류 공룡을 포함한 많은 생물이 사라졌지만, 포유류에게는 새로운 기회가 열렸다.최초의 진정한 포유류는 트라이아스기 후기에 등장했으며, 당시 지구를 지배하던 공룡과 다른 대형 파충류의 그늘 아래에서 살았다. 이들은 몸집이 매우 작았고, 포식자를 피해 주로 밤에 활동했을 것으로 추정된다. 포유류가 본격적으로 다양해지기 시작한 것은 공룡이 사라진 백악기-고생대 멸종 사건 이후부터였다.[71]
신생대 초기는 지구가 대멸종의 충격에서 회복하며 포유류의 다양성이 폭발적으로 증가한 시기이다. 암불로케투스처럼 육상 생활을 하다가 바다로 진출하여 오늘날 고래의 조상이 된 그룹이 나타났고,[72] 영장류와 같이 나무 위 생활에 적응한 그룹도 등장했다.[73]
에오세 중후기에는 남극 대륙과 호주 대륙이 분리되면서 남극 순환 해류가 형성되었고, 이는 전 지구적인 기후 변화를 일으켰다. 이 시기에는 풀이 거의 없는 사바나가 넓게 펼쳐지기 시작했으며, 육지에서는 역사상 가장 큰 육상 포식 포유류 중 하나인 안드레와르쿠스가,[74] 바다에서는 바실로사우루스와 같은 고대 고래가 번성했다.
벼과(풀)의 진화는 지구의 풍경을 극적으로 바꾸었으며, 새롭게 형성된 넓은 초원은 포유류가 더 크게 진화하도록 촉진했다. 풀은 마이오세에 크게 확장되었고, 현생 포유류의 많은 그룹이 이 시기에 처음 등장했다. 파라케라테리움이나 데이노테리움과 같은 거대한 굽굽류는 드넓은 초원을 지배했다. 풀의 확산은 일부 영장류가 나무에서 내려와 땅 위 생활에 적응하게 만들었고, 이는 인류의 진화로 이어지는 중요한 계기가 되었다. 최초의 대형 고양이과 동물들도 이 시기에 진화했다.[75] 또한, 아프리카와 유라시아 대륙의 충돌로 테티스 해가 점차 사라졌다.[76]
플라이오세에 형성된 파나마 지협은 지난 6천만 년간 가장 중요한 지질학적 사건 중 하나로 꼽힌다. 이 지협의 형성으로 대서양과 태평양의 해류 순환이 분리되었고, 이는 걸프 스트림을 강화시켜 유럽의 기후를 더 따뜻하게 만들었다. 또한 육교 역할을 하여 남아메리카와 북아메리카 사이의 생물 교류(아메리카 대륙 간의 생물 교환)를 가능하게 했다.[77] 이 교류를 통해 라마, 안경곰, 킨카주, 재규어 등이 북아메리카에서 남아메리카로 이동하여 정착했다.
약 300만 년 전 시작된 홍적세는 여러 차례의 빙하기로 인한 급격한 기후 변화가 특징이다. 이러한 환경 변화는 특히 아프리카에서 현생 인류(호모 사피엔스)의 진화와 전 세계적인 확산을 촉진했다. 이 시기에는 넓게 펼쳐진 초원에서 매머드, 검치호랑이 등 거대한 동물군(플라이스토세 거대동물군)이 번성했다. 빙하기 동안 막대한 양의 물이 빙하로 얼어붙으면서 해수면이 낮아졌고, 북해나 베링 해협과 같은 지역이 육지로 드러나기도 했다. 특히 아시아와 북아메리카를 연결했던 육교인 베링기아를 통해 많은 동물과 인류의 조상이 대륙을 오갔다. 오늘날 아메리카 대륙에 낙타나 말의 화석이 발견되는 것(이들은 북아메리카에서 진화했으나 이후 멸종했다)과 아메리카 원주민의 기원도 이 시기의 이주와 관련이 깊다.
마지막 빙하기가 끝나갈 무렵, 인류는 전 세계로 빠르게 확산했으며, 이와 동시에 매머드를 비롯한 많은 빙하기 대형 동물들이 사라지는 제4기 대량절멸 사건이 발생했다. 이 멸종은 인류의 확산과 관련이 깊다고 여겨지며, "여섯 번째 대멸종"이라고도 불린다.
5. 3. 2. 조류의 다양화
백악기 말에 발생한 대멸종 사건으로 비조류 공룡을 포함한 많은 생물이 사라졌지만, 조류는 유일하게 살아남은 수각류 공룡이었다. 이후 신생대에 들어서면서 조류는 크게 번성하며 다양한 형태로 진화했다. 특히, 거대한 포유류가 아직 등장하지 않았던 지역에서는 공포새와 같은 대형 조류가 최상위 포식자의 역할을 맡기도 했다. 이들은 날개가 퇴화하여 날기보다는 주로 걸어 다녔으며, 작은 포유류 등을 사냥하며 생태계의 중요한 부분을 차지했다. 그러나 이후 거대한 포유류가 등장하면서 공포새는 점차 경쟁에서 밀려나 쇠퇴하게 되었다. 이러한 과정을 거치며 오늘날 우리가 볼 수 있는 다양한 현생 조류들이 나타나기 시작했다.5. 3. 3. 식물의 다양화
신생대 제3기에는 초본류가 등장하여 넓은 초원을 이루었다. 이후 키가 큰 교목류가 울창한 삼림을 형성하면서 열대우림, 온대림, 툰드라 등 다양한 환경이 만들어졌다. 식물의 번식 방법도 더욱 다양해져, 곤충의 도움을 받는 충매, 새의 도움을 받는 조매, 바람에 의해 꽃가루를 옮기는 풍매 방식이 주를 이루게 되었다.5. 3. 4. 인류의 진화
600만 년 전경 살았던 아프리카 유인원으로부터 현생 인류와 가장 가까운 친척인 침팬지의 조상이 갈라졌다.[35] 이 분기 이후 한 갈래의 유인원은 이족보행 능력을 발달시켰다.[35] 200만 년 전경에는 뇌 크기가 빠르게 증가하여 호모(''Homo'')로 분류되는 첫 번째 동물이 나타났다.[35] 같은 시기 다른 갈래는 침팬지와 보노보의 조상으로 나뉘었다.[35]
불을 통제하는 능력은 ''호모 에렉투스'' 또는 ''호모 에르가스터''에서 시작된 것으로 보이며, 최소 79만 년 전, 혹은 150만 년 전부터 시작되었을 가능성이 있다. 불의 사용은 이보다 더 이른 시기, 즉 전기 구석기 시대의 ''호모 하빌리스''나 파란트로푸스와 같은 오스트랄로피테쿠스 계통에서 시작되었을 수도 있다.
언어의 기원을 명확히 밝히는 것은 더 어렵다. ''호모 에렉투스''가 언어를 사용했는지, 아니면 언어 능력이 ''호모 사피엔스''에 이르러서야 시작되었는지는 불분명하다. 뇌 크기가 커지면서 아기는 골반을 통과하기 어려워지기 전에 더 일찍 태어나게 되었다. 그 결과, 뇌의 신경가소성이 높아져 학습 능력이 향상되었고, 부모에게 의존하는 기간도 길어졌다. 이러한 변화는 사회적 기술의 복잡화, 언어의 정교화, 도구 제작 기술의 발전을 촉진했으며, 이는 다시 지적 능력 발달에 기여했다. 현생 인류인 ''호모 사피엔스''는 약 20만 년 전 또는 그 이전에 아프리카에서 기원한 것으로 보이며, 가장 오래된 화석은 약 16만 년 전의 것이다.
영성의 흔적을 처음 보인 인류는 네안데르탈인으로 여겨진다. 이들은 죽은 자를 매장하는 풍습을 가지고 있었다. 그러나 크로마뇽인의 동굴 벽화와 같이 더 정교한 믿음 체계의 증거는 약 3만 2천 년 전에 나타났다. 크로마뇽인은 빌렌도르프의 비너스와 같은 조각상도 남겼는데, 이는 종교적 신념이 있었음을 시사한다. 약 1만 1천 년 전, ''호모 사피엔스''는 남아메리카 남단까지 도달하여 남극 대륙을 제외한 모든 대륙에 인류가 거주하게 되었다. 도구 사용과 의사소통 능력은 계속 발전했으며, 대인 관계 역시 더욱 복잡해졌다.
6. 한반도의 지질 시대와 지구의 역사
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