꽃가루 화석에 대한 지식(대멸종기 유해 자외선, 꽃가루 화석과 생태계, 식물의 타임캡슐)

꽃가루 연구를 통해서 식물들이 기후 변화와 인간 활동의 영향을 받았다는 사실이 확인됐다.

화석의 조건과 여러 종류

구체적으로 화석을 살펴보기 전에 또 하나 알아둘 것은 화석이 어떻게 만들어지느냐이다. 화석은 주로 죽은 생물체가 다른 생물에 의하여 먹히거나 분해되지 않은 채 신속하게 점토질의 진흙이나 모래 등지에 묻혀야만 한다. 그러기 위해서는 몇몇 특수한 조건들이 있어야만 한다.

첫째, 우선 죽은 생물이 곧바로 모래나 진흙 속에 파묻혀야 한다. 주로 바다와 호수 밑바닥이 화석이 될 수 있는 좋은 환경이다. 그래서 사실 바다 생물이 화석으로 더 많이 남아 있기도 하다. 그러나 사막과 스텝 지역도 화석이 되기에 좋은 환경이다.

둘째, 사체가 거의 부패되지 않은 상태에서 서서히 광물질 성분으로 바뀌어야 한다. 단단한 껍질이나 골격이 생성된 생물체가 화석으로 많이 남아 있는 것은 부패가 잘 안 되어 화석이 되기에 유리하기 때문이다.

그리고 셋째로는 화석이 된 뒤 오랜 세월 동안 땅 속에 그대로 있기 위해서는 그 부분에 지각변동이 일어나지 않아야 한다. 퇴적지층에 화석이 많이 발견되는 것은 이 때문이다.

생명체가 죽은 바로 그 자리에서 화석이 되는 경우는 거의 없다. 강물에 떠내려가다 어느 곳에 가라앉아 그 위에 진흙이 쌓여 화석이 되기도 하고, 바다로 흘러가 가라앉아 화석이 되기도 한다. 그러나 화산이 폭발하여 갑자기 용암 속에 갇혀 화석이 되기도 하고, 얼음구덩이에 생명체가 빠져 냉동된 상태로 화석이 되는 경우도 있다. 또 석유가 지상에 노출되어 휘발하고 남은 상태, 즉 아스팔트에 빠져 화석이 된 경우도 종종 발견된다. 미국 로스앤젤레스 시내에 있는 라 브레아 타르 피트는 매머드와 나무늘보, 늑대, 독수리 등이 잘 보존되어 있다고 한다.

스티븐 스필버그의 영화 <주라기 공원>에서 과학자들이 공룡을 부활시킨 방법은 화석에 의해서이다. 호박 속에서 화석이 된 모기로부터 공룡의 유전자를 찾아내어 마침내 공룡을 탄생시킨 것이다. 그 모기는 공룡의 피를 빨아 먹은 채 화석이 되었던 것이다. 잠자리의 날개, 새우의 더듬이 등 섬세한 부분이 화석이 되기도 한다. 섬세한 부분까지 화석으로 남은 것은 그 생명체가 갑작스럽게 매몰되었기 때문이다.

동물의 경우에는 주로 뼈처럼 단단한 부분이 화석이 되는 반면 식물의 경우에는 대체로 식물 자체는 사라지고 그 흔적만 찍히는 경우가 많다. 마치 도장이 찍힌 것처럼 되는데 이를 인상(impression)이라고 한다. 이 인상이 어떻게 찍혔느냐에 따라 몰드(mold)와 캐스트(cast)로 구분한다. 생물체의 뼈나 껍데기가 녹아서 없어지면 그 공간이 생기는데 이 공간에 생물체의 외부와 내부 형태가 찍혀 보존된 것이 몰드이다. 그리고 그 몰드에 다른 물질이 채워져 원래의 생명체와 비슷한 모양을 만들어내는데 이를 캐스트라고 한다.

생물이 살아 있을 때의 환경을 비교적 알기 쉽게 해주는 화석도 있는데 예를 들면 공룡이나 새의 발자국, 벌레가 기었던 자국 등이 화석이 된 경우이다. 이러한 흔적들은 당시 그 화석의 주인공이 어떻게 생활하였는지의 한 단면을 추측하게 해준다. 또한 동물의 배설물이 화석으로 남아 있기도 하다. 그 화석을 분석해보면 화석의 주인공이 어떤 종류의 먹이를 먹었는지, 그리고 육식동물인지 채식동물인지를 알 수 있게 해주는 중요한 단서가 된다. 어떤 경우는 주거나 피난 또는 휴식을 위하여 만든 구덩이가 화석으로 남기도 한다. 이렇게 당시 생물의 흔적을 알 수 있게 해주는 화석들을 특별히 ‘생흔(生痕)화석’이라고 한다.

지구의 환경은 수없이 변화되어왔다. 대륙이 모이고 갈라졌고, 빙하기가 되풀이되었으며, 혜성 충돌 등도 있었을 것이다. 그러는 동안 생물은 수도 없이 생겨났다가 멸종되기를 반복하였다. 46억년이란 지구의 나이에 비하면 비교적 오래 전이 아닌 2억 5천만년 전의 공룡들은 모두 멸종하였다. 그러나 아직도 수억 년 전부터 모질게 그 생명을 이어오고 있는 생명체들이 남아 있으니 이러한 것들을 ‘살아 있는 화석’이라고 부른다. 그중 유명한 것이 실러캔스(Coelacanth)다. 고생대에 나타났던 폐어, 은행나무, 바퀴벌레도 3억년 이상된 살아 있는 화석이다.

꽃가루 화석

머리카락 굵기의 절반밖에 안 되는 약 2억5천만년 전 꽃가루 화석에서 자외선 차단 역할을 하는 화합물이 확인됐다. 이는 식물이 유해한 자외선(UV-B)으로부터 자신을 보호하기 위해 만들어낸 것으로, 페름기 말 대멸종 때 유해 자외선이 멸종의 주요 원인으로 작용했다는 점을 시사해주는 것으로 제시됐다.

중국과학원과 영국 노팅엄대학 등에 따르면 ‘난징 지질 및 고생물학연구소'(NIGPAS)의 리우펑 교수가 이끄는 국제 연구팀은 꽃가루 알갱이 화석에서 식물의 자외선 차단 화합물을 검출한 결과를 과학 저널 ‘사이언스 어드밴시스'(Science Advances)에 발표했다.

페름기 말 대멸종은 약 6천600만년 전 공룡 대멸종을 비롯해 지구 역사의 5대 대멸종 중 가장 혹독했던 것으로 분석돼 있다.

지금의 시베리아를 거의 뒤덮는 대륙 규모의 화산 폭발로 지구 내부에 저장돼 있던 이산화탄소(CO₂)가 대기로 방출되면서 초래된 온실효과에 따른 고기후 변화로 지상과 바다 생물 80%가 사라졌다.

당시 지구 기온이 오르면서 오존층 파괴가 동반된 것으로 분석돼 있는데, 이런 학설은 돌연변이를 유발하는 유해 자외선에 노출돼 기형 포자와 꽃가루가 급증한 것으로 뒷받침되고 있다.

연구팀은 이런 증거에 덧붙여 티베트에서 수집한 꽃가루 화석에서 자외선 차단 기능을 하는 페놀(석탄산) 화합물을 포착하는 방법을 개발하고, 화산 활동이 절정에 달한 대멸종기에 그 농도가 훨씬 높아진 점까지 확인했다.

논문 공동저자인 노팅엄대학의 배리 로맥스 교수는 이와 관련, “식물이 광합성을 하려면 빛이 필요하지만 유해한 자외선인 UV-B는 피해야 하며, 생식을 맡은 꽃가루는 더욱 그렇다”면서 “식물은 이를 위해 꽃가루 알갱이 외벽을 자외선 차단 기능을 하는 (페놀) 화합물로 감싸 안의 세포를 보호함으로써 번식 성공률을 높이게 된다”고 설명했다.

UV-B 수치가 높아지면 지구 생태계에 훨씬 더 광범위하고 지속적인 충격을 줄 수 있는 것으로 연구돼 있다. 최근 컴퓨터 분석 연구에서는 UV-B 상승에 따른 스트레스는 식물의 생물량(biomass)과 지상의 탄소 저장량을 줄여 지구온난화를 더욱 악화하는 것으로 나타났다.

특히 식물의 페놀 화합물 증가는 초식동물의 식물 소화력을 떨어뜨려 멸종으로 치닫게하는 것으로 분석됐다.

옥스퍼드브룩스대학의 웨슬리 프레이저 박사는 “(페름기 말과 같은) 대재앙 수준의 화산 폭발은 대기의 화학성분 변화부터 동물이 섭취할 수 있는 먹이의 영양분에 이르기까지 지구시스템의 모든 측면에 영향을 준다”고 설명했다.

인류는 녹는 빙하보다 북미의 생태계를 더 많이 변화시켰습니다. (꽃가루 화석)

화석이 된 꽃가루는 농업과 다른 토지 이용 변화의 강력한 영향을 보여줍니다. 농업을 포함한 최근의 인간 활동은 1만 년 이상 전에 후퇴한 빙하보다 북미의 식물과 동물에게 더 큰 영향을 미쳤습니다. 미국 생태학회 가상 연례 회의에서 발표된 이러한 발견은 인간 활동의 결과로 추정되는 14,000년 전보다 지난 250년 동안 더 많은 북미 숲과 초원이 갑자기 사라졌다는 것을 보여줍니다.

저자들은 수백 개의 화석화된 꽃가루 샘플을 기반으로 한 새로운 연구가 지난 250년 동안 시작 날짜를 가진 인류세로 알려진 지질학적 역사의 새로운 시대의 확립을 뒷받침한다고 말합니다. 연구에 참여하지 않은 맨해튼 캔자스 주립 대학의 생태학자 자크 라타 자크는 빙하기 주기를 끝내는 것의 효과가 얼마나 심오한지를 아무리 강조해도 지나치지 않으며, 인간이 그런 종류의 영향을 미친다는 것은 꽤 놀라운 일이라고 말했습니다.

10년 이상 동안, 연구자들은 인류가 언제 지구에 자신의 흔적을 남기기 시작했는지에 대해 논쟁을 벌여 왔습니다. 어떤 사람들은 농업이 수천 년 전에 환경을 변화시켰고, 이전에 안정된 식물과 동물 사이의 상호작용을 방해했다고 주장합니다. 다른 사람들은 수천 년 전 빙하 기록에서 볼 수 있는 대규모 광산 및 제련 사업의 시작이 인류세가 산업혁명보다 앞선다는 것을 의미한다고 주장합니다.

그러나 지질학자들에게 이 시대는 20세기 중반에 핵폭발과 화석 연료 사용의 급격한 증가라는 다른 신호로 시작됩니다. 그러나 일부 회의론자들은 빙하기가 세계 생태계에 훨씬 더 큰 영향을 미쳤다고 주장합니다. 이 아이디어를 실험하기 위해 스탠퍼드 대학의 고생태학자인 엠 앨리슨 스테그너는 전 세계 수천 곳의 기록을 결합한 10년 된 화석 데이터베이스인 네오 토마로 눈을 돌렸습니다.

그녀의 질문: 지난 14,000년 동안 북미의 생태계는 언제, 그리고 얼마나 갑작스럽게 변화했습니까? 약 20,000년 전에 후퇴를 시작한 기후 변화 빙하는 약 12,800년에서 11,700년 전 영거 드리 아스(Younger Dryas)라고 불리는 추운 기간 동안 후퇴했습니다. 그 후 북아메리카가 갑자기 따뜻해지면서 현재 시대인 홀로세가 시작되었습니다. 그녀의 질문에 답하기 위해, 스테그너와 동료들은 화석화된 꽃가루를 사용하여, 어떤 종의 식물이 존재했는지 확인하여, 북미 전역의 위치에서 어떻게 식물들이 이동했는지를 조사했습니다.

1,900년 호수 바닥에서 시추된 진흙 코어에 대한 기록에서 스테그너는 분석할 수 있을 만큼 충분한 화석 꽃가루와 정확한 연대를 가진 400개를 발견했습니다. 그녀와 그녀의 동료들은 시간이 지남에 따라 각 코어의 꽃가루 혼합이 어떻게 변했는지 추적하면서 급격한 변화에 세심한 주의를 기울였습니다. 이러한 변화는 예를 들어 초원이 숲이 되거나 가문비나무 숲이 참나무 숲으로 바뀌는 경우와 같이 전체 생태계의 변화를 표시할 수 있습니다.

연구원들은 250년 간격을 두고, 일시적인 중단과 장기적인 중단을 별도로 선별하는 두 가지 유형의 통계 분석을 실행했습니다. 앨리슨은 매우 창의적이고 엄격한 방법을 사용했다고 연구에 참여하지 않은 조지아 공과대학의 고생태학자인 제니퍼 맥과이어는 말했습니다. 마지막 빙하기가 끝나면, 북미 전역에 숲과 초원이 다시 자라 수천 년 동안 안정적으로 유지되는 풍경을 만들었습니다. 그러나 인류가 이 모든 것을 변화시켰다고 스테그너는 보고했습니다.

그녀의 연구팀은 11,000년 전에서 약 1700년까지 100개 지역마다, 250년마다 10개의 급격한 변화를 발견했지만, 1700년에서 1950년 사이의 250년 간격 동안 그 숫자는 두 배가 되어 100개 지역당 20개의 급격한 변화를 보였습니다. 약 12,000년 전에 시작된 영 드리 아스의 빙상이 후퇴했을 때 그 수는 15개였습니다. 이는 250년 전부터 시작된 인간 활동이 토지 사용 변화에서 공해, 심지어 기후 변화에 이르기까지 마지막 빙하보다 생태계에 더 많은 영향을 미쳤음을 시사한다고 스테그너는 말합니다.

연구원들은 또한 일부 지역이 다른 지역보다 더 빠르게 변화했는지도 분석했습니다. 지난 250년 동안 미국 중서부, 남서부, 남동부는 숲, 초원, 사막 생태계에서 농업과 나무 농장으로 엄청난 변화를 겪었다고 그녀는 말합니다. 대조적으로 알래스카, 캐나다 북부, 태평양 북서부의 일부 지역은 빙하가 녹으면서 지난 250년보다 더 많은 변화를 겪었습니다.

캘리포니아 대학교 산타 크루즈의 생태학자인 카이 주는 우리는 이미 기후 변화에 대해 많이 알고 있으며, 이 연구는 대륙 규모로 식물을 변화시키는 데 있어 기후 변화를 가속화할 수 있는 토지 사용 변화를 추가했다고 말합니다. 맥과이어는 식물이 생태계의 기반이기 때문에 걱정스럽다고 덧붙였습니다.

이러한 급속한 전환은 멸종 위험과 임박한 전반적인 생태계 파괴의 전조라고 그녀는 말합니다. 다른 회의 세션에서 그녀와 학생 왕위에는 꽃가루를 사용하여 숲, 툰드라, 사막, 그리고 다른 생물 군계가 시간이 지남에 따라 파괴에서 어떻게 회복되었는지 조사한 후 매우 유사한 경향을 보고했습니다. 스테그너 교수는 이 새로운 연구가 결합되어 인류가 새로운 지질시대를 시작했다는 것에 대해 의심할 필요가 없다고 말합니다.

과학자들이 꽃가루를 식물의 타임캡슐과 같다고 평가하는 이유

 

​꽃가루는 식물의 정자를 품고 있다가 암술에 닿으면 꽃가루관을 내밀어 정자를 넘긴다. 꽃가루는 정자를 품고 있어 외부 세포벽은 매우 단단한 편이다. 세포벽은 스포로폴레닌이라는 단단한 단백질로 쌓여 있어 황산에도 녹지 않고 고온고압 상태에서도 수 만년 보존된다.

​꽃가루는 크기가 지름 100마이크로미터(㎛·100만 분의 1m) 이하로 작지만 식물의 종류마다 모양과 크기가 다르다. 꽃가루는 연대별로 호수나 늪지의 퇴적물에서 발견되는데 이를 분석해 그 당시의 상황을 알아낼 수 있다. 과​학자들이 꽃가루를 식물의 타임캡슐과 같다고 평가하는 이유다. 나무 나이테나 산호의 뼈대도 과거 상황을 추리하는 단서로 쓰인다. 하지만 꽃가루는 이 단서들보다 더 풍부한 정보를 담고 있다.

​연구팀은 고생물학 연구자료 공개 플랫폼인 ‘네오토마 고생물학 데이터베이스’에 공유된 꽃가루 1181개를 분석했다.​ 남극 대륙을 제외한 전 세계 모든 대륙에서 수집한 것으로 가장 오래된 꽃가루는 1만8000년 전에 생성된 것으로 추정된다.

​약 4천년 전 지구적으로 꽃가루의 종류가 급격히 달라지는 현상이 동일하게 나타났다

​연구팀은 지금으로부터 약 4000년 전 북미와 남미, 유럽, 아시아, 아프리카, 오세아니아에서 꽃가루의 종류가 급격히 달라지는 현상이 동일하게 나타났다는​ 사실을 알아냈다. 전 지구 식생변화가 일어난 것이다. 이때 영향은 지금까지도 이어지고 있다는 사실도 확인했다.

​연구팀은 이런 현상이 빙하기와는 관련이 없다고 보고 있다. 빙하기는 지구에 빙하가 늘어나 낮은 기후가 이어진 기간을 뜻한다. 지구와 태양 간의 각도나 태양 자체 활동이 그 원인으로 꼽히는데 100만년 전부터는 약 10만년 주기로 빙하기가 나타난다.

​연구팀에 따르면 마지막 빙하기가 끝나는 시점인 약 1만 1000년 전 식생 변화가 정점을 찍은 후 약 4000년 전까진 식생에 큰 변화가 없었다. ​연구팀은 “이미 산업혁명이 시작되기 훨씬 이전부터 시작한 인간의 토지 사용과 농업, 도시화 등 영향이 식생 변화를 가져온 것으로 보인다”고 분석했다.

​연구팀은 지구 식생변화 속도가 점점 더 빨라질 것으로 전망하고 있다. 연구팀은 “지구 온난화가 심해지고 있고 인류의 토지 사용률도 높아지고 있다”며 “인류의 직접적 영향과 인류로 인해 발생한 기후 변화가 지구 식생에 영향을 미치고 있어서 식생 변화 속도는 다시 한번 신기록을 세울 것”이라고 말했다.​

​과학자들은 앞서 꽃가루를 이용해 인류 활동이 온난화의 한 원인임을 밝혀내기도 했다. 미국 와이오밍대 연구팀은 지난 2018년 북미와 유럽의 꽃가루 화석 642개를 분석해 인간 활동이 없었다면 지구의 기온은 떨어졌다는 주장을 뒷받침하는 연구 결과를 국제학술지 ‘사이언스’에 발표했다.

​꽃가루 고기구학 전문가인 박정재 서울대 지리학과 교수는 “꽃가루 연구를 통해서 식물들이 기후 변화와 인간 활동의 영향을 받았다는 사실이 확인됐다"며 "현재도 식생변화가 곳곳에서 포착되고 있다”고 했다.

 

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