지구가 모래 평원에서 진흙밭으로 변한 이유는?

이끼와 같은 초기 작은 식물이 응집 과정에 영향 미쳐

2021.02.10 07:32 김진솔 객원기자

 

과거 지구의 모습은 어떤 모습이었을까? 알려진 바에 따르면 5억여 년 전 지구의 풍경은 광활하고 거친 모래 평원이 지배했다. 그러나 그 모래 평원은 어떤 변화에 의해 두꺼운 진흙층으로 바뀌게 되었고, 과학자들은 변화의 원인을 밝혀내고자 노력해 왔다.

최근 사이언스 지에 실린 새로운 연구에 따르면, 이런 급격한 경관 변화가 이끼와 같은 초기 작은 식물의 진화에 의해 시작된 것으로 나타났다.

 

나무의 등장 이전 진흙밭이 먼저 생겨

이제까지는 나무와 같이 뿌리가 깊고 큰 식물이 진흙을 가두어 지표면을 진흙밭으로 만들어냈다고 가정해왔다. 그러나 몇 년 전 지구의 과학자들은 이 아이디어에 문제가 있다는 것을 깨달았다. 진흙이 많이 증가했던 시기는 약 4억 8800만 년 전으로, 나무와 같은 식물이 아직 진화되기 전이었기 때문이다. 이 시기에 존재했던 식물은 이끼와 같이 아직 관다발계가 없고 씨앗이 아닌 포자로 번식했던 수 센티미터 크기의 선태식물이었다.

선태식물의 일종인 이끼 ⓒ Fischer 교수 제공

 

그렇다면 이렇게 작은 식물의 출현이 어떻게 강의 범람원에 엄청난 양의 진흙이 쌓이게 만들 수 있었을까? 칼텍의 대학원생 사라 자이스너는 이 질문에 대한 답을 찾아냈다.

저지대의 풍경을 형성시키는 것은 주로 강, 진흙, 가늘고 굵은 모래의 움직임이다. 이중 진흙은 점토로 이루어져 있으며, 마이크로미터 크기의 점토 광물 입자가 주 구성 성분이다.

반면 모래는 작은 암석 조각 및 석영 광물로 이루어져 있다.

진흙의 주성분인 점토와 모래의 서로 다른 특성은 이러한 물질이 강 내에서 이동하는 방식을 결정하며, 이는 그들이 퇴적되고 암석 기록에 보존되는 방식에 영향을 미친다. 물에 모래와 점토를 섞으면 모래 입자가 빠르게 바닥에 가라앉고, 점토는 부유 상태를 유지한다. 부유한 점토 입자가 침전하려면 더 큰 응집체로 함께 응집되어야 한다. 그렇지 않은 이상 점토는 바닥에 가라앉아 진흙층을 형성하지 않는다.

 

이끼가 분자 수준에서 응집 과정에 영향 미쳐

물에 진흙을 섞으면 쉽게 가라앉지 않지만, 유기물을 추가하면 진흙 입자들이 금방 가라앉는다. ⓒ Zeichner제공

자이스너는 이끼와 같은 작은 식물의 등장이 분자 수준에서 응집 과정에 영향을 미쳐 강에서 점토가 응집되고 진흙이 퇴적됐을 것으로 추정했다.

 

일련의 실험을 통해 자이스너의 팀은 진흙 속의 점토 입자가 움직이는 물에서 어떻게 상호작용하는지 시뮬레이션했다. 그리고 점토 입자가 어떻게 하면 물에 부유하고 있는 대신 진흙으로 퇴적될 수 있는지 방법을 알아냈다.

실험에서는 다양한 점토 입자가 초기 식물에서 생성된 것과 유사한 화학적 특성을 가진 유기 분자와 혼합되었다. 연구진은 소량의 유기물질만으로도 점토 입자는 서로 결합하여 응집되도록 유도되고 시뮬레이션 된 강에 정착할 수 있다는 사실을 발견했다.

이 연구를 진행한 대학원생 사라 자이스너 ⓒ Zeichner제공

 

자이스너는 “진흙투성이의 액체를 단독으로 두면 며칠 동안 탁한 상태가 유지된다. 하지만 아주 약간의 유기물질만 있으면 유기물질이 본드 역할을 하여 점토 입자들이 함께 붙고 더 크고 큰 덩어리를 형성하여 용기 바닥에 더 빨리 가라앉는다는 사실을 발견했다”고 말했다.

강둑에 가장 빠르게 정착하는 퇴적물이 풍경을 결정한다는 점에서, 이 실험은 암석 기록에 대한 이해를 높일 수 있다. 자이스너는 “이것들이 고대 강에 떠다니는 입자라고 상상한다면, 큰 비나 눈이 녹은 후 강이 범람했을 때 응집된 진흙이 빨리 가라앉아 강둑과 범람원을 진흙밭으로 만들 것”이라고 설명했다.

이 연구를 지도한 지질 생물학 교수이자 자율 시스템 및 기술센터의 부소장인 우드워드 피셔 교수는 이 실험의 의의에 대해 “이 발견은 중요한 일이다. 왜냐하면 작고 부스러기 같은 기초 식물들이 만들어낸 분자가 전 지구적인 규모로 침전물이 행동하는 방식을 바꾼 것이기 때문”이라고 설명했다.

 

• 김진솔 객원기자
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