시생누대
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1. 개요
시생누대는 지질 시대 구분 중 하나로, 40억 년 전부터 25억 년 전까지의 시기를 의미하며, '태초'를 뜻하는 고대 그리스어에서 유래되었다. 이 시기는 지구의 지각이 형성되고 초기 생명체가 등장한 시기로, 높은 지열과 활발한 화산 활동이 특징이다. 시생누대에는 세균과 고균과 같은 원핵생물이 번성했으며, 스트로마톨라이트와 같은 화석이 발견된다.
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2. 용어 및 분류
'시생누대'라는 이름은 '태초'를 뜻하는 고대 그리스어 'Αρχή'에서 유래했다.[89] 1872년에 "가장 최초의 지질학적 시대"라는 뜻으로 처음 쓰였다. 과거에는 지구 형성 초기부터 25억 년 전까지를 모두 포함했으나, 명왕누대가 분리되면서 현재는 40억 년 전부터 25억 년 전까지로 정의된다.
시생누대 초기 지구의 지각열류량은 현재보다 훨씬 높았다. 이는 행성 형성 과정의 잔열, 핵 형성, 방사성 원소 붕괴 등에 의한 것이었다. 화강암, 섬록암, 사장암 등 다양한 화성암이 발견되며, 심해 퇴적물이 변성된 편마암, 녹색편암대 등이 특징적이다.[91][92][93] 판 구조론 활동은 현재와 달랐을 것으로 추정되며, 초기 대륙 형성에 대한 다양한 가설(우르, 바알바라 등)이 존재한다.[95][96] 25억 년 전경에는 판 구조 활동이 현재와 비슷해졌으며, 퇴적분지, 화산호, 대륙 간 충돌 등의 증거가 나타난다.
시생누대의 시작과 끝은 층서학이 아닌 연대 측정으로 정해진다. 국제층서위원회는 시생누대의 시작 시점을 40억 년 전으로 공식 인정한다.[90]
3. 지질
시생누대의 암석은 그린란드, 시베리아, 캐나다 순상지, 몬태나와 와이오밍(와이오밍 대륙괴의 노출부), 발트 순상지, 로돕프 마시프(불가리아 남부), 스코틀랜드, 인도, 브라질, 서호주, 남아프리카 등지에서 발견된다. 신시생누대까지 판 구조 활동은 현대 지구와 유사했을 수 있지만, 더 뜨거운 맨틀, 레올로지적으로 약한 판, 섭입하는 판의 지각 물질이 현무암에서 에클로자이트로 변성되면서 증가된 인장 응력으로 인해 슬래브 박리가 상당히 더 많이 발생했다.[15][16]
소행성 충돌은 시생누대 초기에 빈번했다.[17] 구립 층의 증거는 충돌이 시생누대 후기까지 계속되었으며, 직경이 10km보다 큰 충돌체의 평균 속도는 1,500만 년마다 한 번꼴이었다는 것을 시사한다. 이는 칙술루브 충돌체의 크기와 거의 같다. 이러한 충돌은 중요한 산소 싱크였을 것이며 대기 중 산소 수준의 급격한 변동을 일으켰을 것이다.[18]
38억 년 전 이수아 지역의 지층에서 줄무늬 철광상, 탄산염암, 베개 용암, 역암층이 발견되었는데, 앞의 세 가지는 당시 바다가 존재했음을, 역암층은 육지가 있었음을 나타낸다.[76] 또한 이수아 지역의 지질 구조는 부가체로서의 특징을 보이며, 당시 이미 판 구조론이 작용했을 것으로 추정된다.[77]
맨틀의 온도가 높았기 때문에, 섭입하는 판 자체가 비교적 얕은 지하에서 용해되어 대륙 지각에 관입했기 때문으로 생각된다.[84]
3. 1. 대한민국: 대이작도 한반도 최고령 암석
인천광역시 대이작도 서부와 소이작도에 분포하는 혼성편마암은 SHRIMP U-Pb 저어콘 연대측정 결과 약 2.58 Ga(기가년; 10억년)에 정치(定置)한 원암이 2508±18 Ma(메가년; 100만년)에 광역변성작용을 받아 형성되었으며, 시생누대 신시생대의 것으로 '''한반도 최고령 암석'''에 해당된다.[99] 현미경 관찰에 의하면 석영과 장석, 각섬석 등으로 구성되며 변성 및 재결정 작용이 관찰된다.
4. 환경
시생누대 대기에는 자유산소가 거의 없었던 것으로 보인다. 당시 태양은 지금보다 약 75~80% 정도 밝았지만, 지구 온도는 지구 형성 후 5억 년 만에 현재와 비슷한 수준이었다. 이는 당시 지구에 온실기체가 많았고, 지구의 반사율(albedo)이 낮았기 때문으로 추정된다.[100][101][102] 액체 상태의 물이 존재했다는 것은 퇴적암 기원의 고변성 편마암을 통해 알 수 있다.[19]
시생누대 대기의 산소 농도는 현재 대기 수준의 0.001% 미만이었으며,[20][21] 일부 분석에서는 0.00001% 정도로 낮았을 것으로 추정한다.[22] 29억 8천만 년 전~29억 6천만 년 전,[23] 27억 년 전,[24] 25억 100만 년 전[25][26] 경에 일시적으로 산소 농도가 높아지는 현상이 있었다. 일부 학자들은 27억 년 전과 25억 100만 년 전의 산소 증가 현상을 대산소화 사건의 시작점으로 보기도 하지만,[24][27] 대부분의 학자들은 이 사건이 고원생대(약 24억 년 전)에 시작되었다고 본다.[28][29][30] 중생 시생누대까지 일부 해안 근처 얕은 해양 환경에는 비교적 높은 산소 농도를 가진 곳도 있었다.[31]
당시 바다는 환원제였으며, 산화된 층과 혐기성 층 사이에 뚜렷한 경계가 없었다.[32] 자유 산소가 부족했음에도 유기 탄소 매장량은 현재와 거의 동일했다.[33] 황산염은 드물었고, 황화물은 주로 유기적으로 생성된 아황산염의 환원이나 환원된 황을 포함하는 화합물의 광물화를 통해 생성되었다.[34] 시생누대 바다는 현대 바다보다 무거운 산소 동위원소로 농축되었지만, δ18O 값은 대륙 풍화 작용의 증가로 시생누대 후반에 현대 바다와 비슷해졌다.[35]
지구 온도가 적절하게 유지된 것은 많은 양의 온실 가스[37][38][39] 외에도 비생물적 탈질화 작용으로 아산화 질소가 방출된 것,[40] 그리고 토지 면적과 구름 덮개가 적어 지구의 알베도가 낮았던 것도 원인으로 작용했을 수 있다.[41]
30억 년 전 이전의 해수 온도는 60~120℃로 높았던 것으로 추정되지만, 29억 년 전 이후에는 빙하 퇴적물이 발견되기 시작했다.[73] 시생대 대기는 산소가 없고 질소와 이산화 탄소가 주를 이루었다. 30억 년 전경에는 산소 발생형 광합성을 하는 남세균이 출현했을 가능성이 있으며,[74] 이들이 형성한 스트로마톨라이트가 널리 분포했다. 그러나 방출된 산소는 줄무늬 철광층 형성에 소비되어 대기 중 산소 농도 상승으로 이어지지는 않았다.[75]
5. 생물
시아노박테리아 화석은 시생누대 전체에서 발견되며, 후대로 갈수록 더 흔하게 나타난다. 쳐트 층리에서는 박테리아일 가능성이 높은 화석들이 발견된다.[103] 고균 화석 또한 확인되었다.
시생누대에는 생물이 계속 존재했지만, 핵이 없는 단세포생물인 원핵생물이었던 것으로 보인다. 이 시기에 진핵생물은 화석을 남기지 않고 진화했을 것으로 추정된다.[104] 바이러스 화석 증거는 아직 없다.
지구에 생명이 발생한 과정은 완전히 밝혀지지 않았지만, 명왕누대 말기나 시생누대 초기에 생명이 존재했다는 증거가 많다. 가장 초기의 생명체 증거는 서부 그린란드에서 발견된 37억 년 된 변성 퇴적암 속 생물 기원 물질인 흑연이다.[42]
가장 초기에 식별 가능한 화석은 시아노박테리아에 의해 얕은 물에서 형성된 미생물 매트인 스트로마톨라이트이다. 가장 오래된 스트로마톨라이트는 서호주에서 발견된 34억 8천만 년 된 사암에서 발견된다.[43][44] 스트로마톨라이트는 시생누대 전반에 걸쳐 발견되며,[45] 시생누대 후기에 더 흔해진다.[7]
초기 생명체에 대한 또 다른 증거는 서호주의 Warrawoona Group에서 발견된 34억 7천만 년 된 중정석이다. 이 광물은 황 분별을 보여주는데,[46] 이는 황산염 환원 세균이 황-34보다 황 동위원소인 황-32를 더 쉽게 대사한다는 증거이다.[47]
육지 미생물 매트에서 발견된 화석화된 미생물은 32억 2천만 년 전에 이미 육지에 생명체가 정착했음을 보여준다.[52][53]
계통수에 따르면, 명왕누대 또는 시생누대 초기에 모든 생물의 공통 조상이 나타났고, 시생누대에 고균과 세균 대부분이 다양화된 것으로 보인다.[85] 35억 년 전 지층에서 고균과 세균의 활동 흔적이 발견된다.[86] 가장 오래된 생명 화석이 발견된 노스폴 지층은 35억 년 전 열수 활동이 활발하고 온도가 높은 중앙 해령이었을 것으로 추정된다. 이는 초기 생명체가 고온 적응성을 가졌을 가능성을 보여준다.[87]
6. 일본의 시생누대 연구
일본에서는 시생누대 암석이 직접적으로 발견되지 않아, 주로 해외 연구 자료를 바탕으로 시생누대 연구가 진행된다. 계통수에 따른 추정에 따르면, 명왕누대 또는 이 시대 초기에 모든 생물의 공통 조상이 나타났고, 시생대에 이르러서는 다양화가 진행되어 고세균과 진정세균의 문 대부분이 갖춰진 것으로 여겨진다.[85] 35억 년 전의 지층에서는 고세균과 진정세균의 활동 흔적이 발견되고 있다.[86] 가장 오래된 생명 화석이 발견된 노스폴(North Pole) 지층은 35억 년 전의 열수 활동이 활발하고 온도가 높은 중앙 해령이었을 것으로 추정된다. 이는 지구 초기 생명이 현생의 일부 고세균이나 세균에서 보이는 고온 적응성을 가졌을 가능성을 시사한다.[87] 30억 년 전까지는 시아노박테리아가 출현하여, 국소적인 산소 스폿 내에서 산소를 이용한 대사 활동이 진화하기 시작했다고 추정되며,[74][88] 원생누대에서의 진핵생물을 포함한 호기성 생물의 출현과 다양화의 전구 단계가 되었다.
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