광물과 생물의 공진화로 푸는 파란만장한 지구 연대기! 광물과 생물의 공진화, 45억 년 지구의 역사를 꿰는 새로운 패러다임『지구 이야기』. 카네기 연구소 산하 지구물리연구소 선임연구원이자 베스트셀러 저자인 헤이즌이 우주생물학자의 상상력, 역사학자의 시각, 박물학자의 열정으로 그려낸 지구 연대기다. 우리 행성이 수없이 반복해온 일들, 원자 수준의 변화들이 어떻게 지구 구조의 극적인 전환들로 번역되는지를 생생하게 담아냈다. 최초의 지구에 테이아가 충돌해 달이 생겨난 지구의 유아기부터 육상 생물이 생겨나 지구가 드디어 ‘푸른 행성’이란 이름에 걸맞은 외양을 갖추게 된 최근의 5억 년까지, 끊임없이 변화하는 지구의 웅대한 드라마로 독자들을 초대한다.

저자 : 로버트 M. 헤이즌 저자 로버트 M. 헤이즌 Robert M. Hazen은 미국 조지메이슨 대학 지구과학과의 클래런스 로빈슨 교수이며 카네기 연구소 산하 지구물리연구소의 선임연구원이기도 하다. 『과학의 열쇠』, 『제너시스』를 포함해 『다이아몬드를 만든 사람들』, 『돌파구―초전도체를 찾기 위한 경주』 등의 책을 저술했고, 『풀리지 않는 과학의 의문 14』, 『교과서에서 배우지 못한 과학 이야기』, 『물리학의 문제들―개념 물리 입문』, 『과학―통합적 접근』 의 공저자이기도 하다. 아내와 함께 메릴랜드 주 글렌에코에서 살고 있다. 역자 : 김미선 역자 김미선은 연세대학교 화학과를 졸업하고 대덕연구단지 내 LG연구소에서 근무했으며, 숙명여대 TESOL 과정을 수료한 뒤 영어강사로 일하기도 했다. 뇌과학에 특히 관심이 많은 과학 분야 전문번역가로 활동하고 있다. 『진화의 키, 산소 농도』, 『생각의 한계』, 『신경과학으로 보는 마음의 지도』, 『이매진』, 『신 없는 우주』, 『가장 뛰어난 중년의 뇌』, 『감정의 분자』, 『의식의 탐구』 등 다수의 책을 옮겼다.

들어가며 1. 탄생: 지구의 형성 2. 대충돌: 달의 형성 3. 검은 지구: 최초의 현무암 지각 4. 파란 지구: 대양의 형성 5. 잿빛 지구: 최초의 화강암 지각 6. 살아 있는 지구: 생명의 기원 7. 붉은 지구: 광합성과 산소급증사건 8. ‘지루한’ 10억 년: 광물 혁명 9. 하얀 지구: 눈덩이 지구와 온실 지구의 순환 10. 푸른 지구: 육상 생물권의 탄생 11. 미래: 변화하는 행성의 각본들 에필로그/ 감사의 글/ 옮긴이의 말/ 찾아보기

45억 년 전에는 사정이 전혀 달랐다. 달이 겨우 2만 4,000킬로미터 밖에 있었으므로, 팔을 끌어들여 회전속도를 높인 피겨스케이팅 선수처럼 모든 것이 우스꽝스러울 만큼 빨리 돌고 있었다. 무엇보다, 지구가 다섯 시간마다 한 번씩 자전했다. 지구가 태양을 한 바퀴 도는 데는 그때도 꼬박 1년(약 8,766시간)이 걸렸고, 그 시간은 태양계의 역사에서 그다지 변하지 않았다. 하지만 짧은 하루가 1년당 1,750일이 넘었고, 태양은 다섯 시간마다 한 번씩(!) 떠올랐다. (…) 지구만 하루가 다섯 시간이었던 게 아니라, 이웃한 달도 가까운 궤도에서 훨씬, 훨씬 더 빨리 돌았다. 달이 지구를 한 바퀴 도는 데에는 84시간―현대 시간으로 사흘 반―밖에 걸리지 않았다.(62~63쪽)
반면에, 근래의 증거는 뜨거운 초기 대양이 순식간에 오늘날보다 훨씬 더 짜졌음을 시사한다. 식탁에서 흔히 보는 소금인 염화나트륨은 뜨거운 물에 즉시 녹는다. 오늘날 지구 소금의 약 절반은 육지로 둘러싸인 암염 돔이나 말라버린 염호와 관계가 있는 증발암 퇴적물 속에 묶여 있다. 이 소금은 대부분 땅속 깊이 두껍게 켜켜이 격리되어 있지만, 지구의 처음 5억 년 동안에는 소금이 정박할 대륙이 없었다. 따라서 최초 대양의 염도는 현대 세계의 염도보다 두 배는 높았을 것이다. 거기다 따뜻한 바닷물에 녹아 있던 다른 원소들(주로 현무암의 주성분인 철, 마그네슘, 칼슘)도 더 고농도로 존재했을 것이다.(117쪽)

석질 내행성(수성, 금성, 지구, 화성)이 형성된 것은 맹렬히 맥동하는 태양풍이 수소와 헬륨을 무거운 6대 원소들과 분리했을 때, 즉 가벼운 기체 원소들을 휩쓸어 거대 외행성(목성, 토성, 천왕성, 해왕성) 영역으로 보냈을 때였다. 지구상에서도 밀도 높은 용융된 철이 중심으로 가라앉으면서, 금속질 중심핵과 감람암이 풍부한 맨틀이 분리되었다. 감람암이 부분적으로 녹아 현무암이 되었고, 규소, 칼슘, 알루미늄이 풍부한 이 암석은 감람암과 분리되어 지구 최초의 얇고 검은 지각을 형성했다. 현무암이 폭발적으로 분출해 표면 위로 쏟아지면서, 물과 기타 휘발물질들이 현무암질 마그마와 분리되어 최초의 대양과 대기를 형성했다. 열이 구동하는 모든 단계가 원소들을 분리시키거나 집중시켰고, 모든 단계가 결과적으로 행성을 점점 더 층화하고 분화했다.(123쪽)

판 지구조운동은 화강암에서 기원한 열도를 생산했을 뿐만 아니라, 열도를 대륙으로 조립하기도 했다. 열쇠는 화강암은 섭입할 수 없다는 단순한 사실에 있다. 밀도 높은 현무암은 쉽게 맨틀 속으로 가라앉지만, 현무암 위에 뜬 화강암은 부력을 지닌 코르크와 같아서 일단 형성되기만 하면 표면에 그대로 보존된다. 섭입이 더 많은 섬들을 생산하면, 화강암의 총면적은 돌이킬 수 없이 늘어난다.(146쪽)

1. 이 책은… 광물과 생물의 공진화, 45억 년 지구의 역사를 꿰는 새로운 패러다임! ―이토록 웅대한, 이토록 매혹적인, 그리고 이토록 섬짓한 지구 이야기는 없었다! 별먼지에서 살아 있는 푸른 행성까지, 지구는 진화한다. 유기분자와 암석 결정 사이의 반응이 지구 최초의 유기체를 낳고, 그 유기체에서 차례로 행성을 이루는 광물들 3분의 2 이상이 생겨났다. 달의 형성, 최초의 지각과 대양, 산소의 급증과 광물 혁명, 눈덩이-온실 지구의 순환을 겪으며 지구는 끊임없이 변화해왔다. 이 책은 지권(암석과 광물)과 생물권(살아 있는 물질)의 공진화로 푸는 파란만장의 지구 연대기다. 137억 년 전의 어느 순간, 빅뱅이 있었다. 빅뱅 직후의 찰나에 최초의 아(亞)원자 입자인 전자와 쿼크가 순수 에너지에서 물질로 화하고, 약 50만 년 후에 필연적으로 만들어진 최초의 원자들(90퍼센트 이상을 차지한 수소에, 헬륨과 미량의 리튬)이 최초의 항성을 형성했다. 수백만 년 후가 되면, 항성의 핵융합반응을 통해 주기율표 첫머리에 오는 스물여섯 가지 원소 대부분이 생겨나 있었다. 최초의 큰 항성들이 초신성이 되어 폭발하면서 탄소, 산소, 질소, 인, 황 같은 ‘생명의 원소’들을 비롯한 주기율표의 모든 원소를 만들어냈다. 빅뱅에 뒤따른 최초의 화학반응들이 수소 원자를 묶어 수소 분자를 생성하고, 최초의 초신성 이후에 물, 질소, 암모니아, 메탄, 일산화탄소, 이산화탄소 분자들이 형성되었다. 빅뱅에서 이삼백 년 후쯤에 최초의 광물인 순수한 탄소의 (선구적) 결정이 만들어지고, 행성 간 먼지를 모체로 하여 10여 종의 ‘원시 광물’이 탄생했다. 그리고 지금으로부터 45억 년 전쯤, 태양이 형성되고 미행성체들이 뭉쳐 지구를 이루었다(여기까지가 제1장의 간략한 요약이다). 원소, 광물, 암석, 생물이 함께 엮는 수십억 년 공진화의 패러다임 이 책은 이제 지구 45억 년의 파노라마를, 그리고 오늘 이후 50억 년의 미래를 이야기하지만, 그보다 먼저 2008년에 지은이와 일곱 동료가 발표한 논문 「광물의 진화」를 중심으로 한 ‘패러다임 전환’급의 논의를 살펴볼 필요가 있다. 그 핵심은, ‘지권(암석과 광물)과 생물권(살아 있는 물질)의 공진화’다. 수십억 년 전에는 우주 어디에도 광물은 없었고, 최신의 연구에 따르면 수많은 암석들이 생명에서 발생할 뿐만 아니라 생명 자체가 암석에서 발생했을 수도 있다는 것이다. 우리가 아는 대략 4,500종의 광물 가운데 무려 3분의 2가 산소급증사건 이전에는 형성될 수 없었고, 지구의 풍부한 광물 다양성 가운데 대부분이 아마도 무생물 세계에서는 일어날 수 없었을 테다. 따라서 지구의 역사는 원소, 광물, 암석, 생물이 함께 엮어내는 수십억 년 공진화의 역사인 것이다. 카네기 연구소 산하 지구물리연구소 선임연구원이자 베스트셀러 저자인 헤이즌은 우주생물학자의 상상력, 역사학자의 시각, 박물학자의 열정으로 우리 행성이 수없이 반복해온 일들을, 원자 수준의 변화들이 어떻게 지구 구조의 극적인 전환들로 번역되는지를 생생하고 세세하게 그려낸다. 최초의 지구에 테이아가 충돌해 달이 생겨난 지구의 유아기, 최초의 지각이 형성되고 행성 전체가 대양으로 파랗게 물든 지구의 유년기, 대륙이 떠올라 이동하고 서로 충돌해 산맥을 만들고 대양을 열어온 지구의 청년기, 생명이 탄생해 변화의 속도가 급속히 빨라지면서 육지를 붉게 물들인 산소급증사건, 따분하게 ‘정체’와 ‘평형’을 유지한 것처럼 보이지만 코를 찌르는 황화합물 냄새 속에서 광물 혁명을 준비했던 ‘지루한 10억 년’의 중원생대, 눈덩이와 온실을 오가던 지구의 모습, 육상 생물이 생겨나 지구가 드디어 ‘푸른 행성’이란 이름에 걸맞은 외양을 갖추게 된 최근의 5억 년까지. 뛰어난 이야기꾼이 펼쳐내는, 끊임없이 변화하는 지구의 웅대한 드라마에 독자는 깊숙이 빨려들고 만다. 우리가 곧 지구다! 그리고 알게 된다. 우리가 곧 지구다. 지구를 아는 것은 우리 자신의 일부를 아는 것이다. 게다가 지구는 지금 그 긴 역사에서 거의 유례가 없는 속도로 변하고 있다. 예전의 드문 경우마다, 생명은 막대한 희생을 치렀다. 지은이는 앞으로 50억 년 후, 태양이 수소를 다 태우고 헬륨을 태우는 단계에 이르러 지구의 종말이 온다고 말한다. 그 종말에서 시작해서 거꾸로 오늘에 이르기까지, 20억 년 뒤의 사막 세계, 2억 5,000만 년 뒤의 노보판게아(아마시아) 초대륙, 5,000만 년 안에 벌어질 소행성의 충돌, 100만 년 뒤의 완전히 달라진 지도, 10만 년 뒤의 초대형 화산 폭발, 5만 년 뒤의 얼음 요인이라는 변화의 축을 보여준다. 그리하여 앞으로 100년, 지구 온난화 문제다. 물론 인류가 멸종하건 말건, 지구는 진화할 것이다. 문제는 우리 인류의 선택일 뿐. 지은이는 말한다. 오늘날의 지구의 불안한 변화를 걱정하지 않는다면 바보가 될 것이라고. 그리고 지구의 현 상태를 고심하기만 하고 지구가 자신의 놀랍고도 유서 깊은 과거와 예측할 수 없는 역동적인 현재, 미래의 우리 자신과 우리 자리에 관해 들려주는 말을 충분히 활용하지 않아도 바보가 될 것이라고. “이 책을 읽고 나면, 지구와 생명이 다시는 똑같아 보이지 않을 것이다” ―『지구 이야기』 , 그리고 지은이에게 쏟아진 찬사들 “헤이즌은 우리를 데리고 이 세상의 가장 웅대한 유람, 우리 행성의 45억 년 역사 탐방 길에 오른다. 지구의 지각을 구성하는 원자들에서 우리 몸이 나오고, 살아 있는 세계 전체가 나오고, 이 흥미진진한 책이 나온다. 이 책을 읽고 나면 지구와 생명이 다시는 똑같아 보이지 않을 것이다.” ―닐 슈빈(『내 안의 물고기』 지은이) “『지구 이야기』는 당신의 세계관을 바꿀 수도 있는 참으로 드문 책이다. 폭넓은 시간과 지식을 엮어 빚어낸 또렷하고 유쾌한 글을 통해, 헤이즌은 그야말로 우리 행성을 하나의 이야기로, 그것도 설득력 있는 이야기로 만들어낸다.” ―찰스 월포스(『자연의 운명』과 『고래와 슈퍼컴퓨터』 지은이) “개성 넘치는 필치로 반짝반짝하는, 지구의 기원에 관한 매혹적인 새 이론” ―『커커스 리뷰』 “명료하고 활기찬… 어마어마하게 추상적인 관념들조차 명확한 이미지로 그려내는 데에 각별한 재능을 타고난” ―『워싱턴 포스트』 “사람의 넋을 빼놓는… 무모한 이론들, 대담한 실험들, 격렬한 싸움들을 안내인과 함께 둘러보는 유쾌한 유람” ―『살롱』 “헤이즌은 대중의 언어로 과학을 설명할 줄 아는 재능을 타고났다. 지질학, 화학, 물리학에 최소한의 지식밖에 없는 독자라도 이 책에 매혹될 것이다.” ―『라이브러리 저널』 “로버트 헤이즌의 지질학적·생물학적 역사에 관한 논제의 정확성을 평가할 능력은 없지만, 그것이 매혹적인 이야기라는 판단을 내릴 능력은 있다. 당신이 이 주제에 관해 아는 것이 고리타분한 죽은(!) 돌덩이들뿐이었다면, 그의 이야기는 당신이 짐작할지도 모르는 것보다 훨씬 더 생생할 것이다.” ―빌 매키번, (『우주의 오아시스 지구』 지은이) “아름답고, 흥미로운… 크고 작은 발견과 비극으로 가득한” ―『BBC 포커스』 “과학에 관해 놀랍도록 명확해… 힘들이지 않고 쌩쌩 나아가며 가르침을 준다.” ―『뉴욕타임스』 “독자에게 친절하여 매우 쉽게 읽히는 책… 과학 팬이나 환경에 관심 있는 독자라면 헤이즌의 주장에서 눈을 떼지 못하고 그가 개관하는 파란만장한 지구사에 사로잡힐 것이다.” ―『북리스트』 “헤이즌이 누구나 읽을 수 있는 책에서 지구와 생명의 기원을 조명하며 다양한 과학 분야를 골고루 섞어 잊지 못할 이야기를 들려준다.” ―『퍼블리셔스 위클리』 -책속으로 추가- 섭입 중인 대양지각판에 가라앉지 못하는 화강암 섬들이 점점이 박혀 있다고 상상해보라. 현무암은 섭입하지만, 섬들은 섭입하지 않는다. 섬들은 표면에 머물러야 하므로, 결국 섭입대 바로 위에 한 가닥 육지를 형성한다. 수천만 년이 지나면, 점점 더 많은 화강암 섬들이 누적되어 점점 더 넓은 띠를 형성하고, 동시에 섭입 중인 석판에서 갓 녹은 화강암이 다량 올라와 성장하고 있는 대륙의 두께와 폭을 늘린다. 섬들이 붙어서 원시 대륙을 형성하고, 원시 대륙들이 붙어서 대륙을 형성한다. 우리 태양계의 콘드라이트들이 붙어서 일단 미행성체를 형성하고, 미행성체들이 붙어서 행성을 형성한 것과 마찬가지다.(146쪽) 생명체 출현 이전에는 산화환원 반응이 비교적 느긋한 속도로 진행되었다. 하지만 최초의 미생물들이 전자를 더 빠른 속도로 뒤섞는 법을 배웠고, 많은 곳(원시 해안선, 표면 근처 수역, 대양저 퇴적물)에서 살아 있는 세포들이 이러한 반응의 중재자가 되었다. 미생물 공동체들은 암석의 반응 속도를 높이는 것으로 생계를 꾸렸다.(…) 그 과정에서 생명체는 몹시 천천히 지구의 표면 환경을 바꾸기 시작했다. 미생물은 명왕이언과 시생이언 대양에 환원된 철 형태로 녹아 있어서 쉽게 구할 수 있었던 풍부한 에너지를 개발했다. 철을 산화시켜 붉게 녹슨 적철석을 형성한 것이다. 이 화학적 변형은 전체 생태계를 부양하기에 충분한 에너지를 방출할 수 있다. 따라서 오스트레일리아, 남아메리카와 기타 오래된 지대에서 발견되는 시생이언의 호상철광층은 수천만 년 동안 지속한 웅장한 미생물 뷔페의 찌꺼기에 해당할 것이다. 그렇게 해서 지권과 생물권의 놀라운 공진화가 시작되었다.(176쪽) 녹은 많은 심원한 광물학적 변화들 가운데 가장 알기 쉬운 것일 뿐이었다. 우리가 최근에 수행한 화학적 모형화 작업은 산소급증사건이 길을 닦아준 광물이 3,000종에 달함을 시사한다. 그 모든 종이 이전에는 우리 태양계 안에서 알려지지 않은 광물이었다. 우라늄, 니켈, 구리, 망간, 수은의 수백 가지 새로운 화합물이 생명체가 산소를 생산하는 묘기를 배운 뒤에야 비로소 생겨났다. 박물관에 있는 가장 아름다운 결정 표본들 가운데 많은 것(청록빛 구리 광물들, 자줏빛 코발트 종들, 노랑 내지 주황빛 우라늄 광석들 등등)이 생기 넘치는, 살아 있는 세계를 강력히 증언한다. 이 따끈따끈한 광물들이 무산소 환경에서 형성되었을 법하지는 않으므로, 지구의 4,500종에 달하는 알려진 광물들 대부분에 대해 생명이 직접적으로든 간접적으로든 책임이 있는 것같이 보인다. 놀랍게도 이 새로운 광물들 가운데 일부가 진화하는 생명체에게 새로운 환경의 생태적 지위와 새로운 화학에너지원을 제공했으므로, 생명체가 계속해서 암석 및 광물과 공진화해온 것이다.(208쪽) 지구 진화의 모험담에서 지구가 25억 번째 생일을 맞이하고도 2억 년이 더 지난 지금까지, 극적인 변화는 결코 변치 않는 하나의 상수였다. 태양 성운이 응집해 태양이 형성되었다. 태양을 둘러싸는 먼지가 녹아서 콘드룰이 되었다. 콘드룰이 뭉쳐서 미행성체가 되고, 미행성체는 원시 지구를 비롯해 지름 수천 킬로미터의 지구형 행성들이 되었다. 테이아가 충돌하고, 뒤이어 달이 형성되고, 백열광을 뿜는 마그마 대양이 굳어져 수천 개의 폭발하는 화산으로 곰보가 된 검은 현무암 지각이 만들어지고, 머지않아 뜨거운 바다가 단단한 표면을 거의 다 덮어서 가장 높은 화산추의 꼭대기만 마른 땅으로 남게 되는 이 모든 극적인 사건이 5억 년 안에 일어났다. 지구의 독특한 대양이 조금씩 불어난 다음인 덜 시끌벅적한 20억 년 동안에도 우리 행성의 표면은 용융된 현무암에서 화강암이 출현하고 판 지구조운동을 구동하는 대류세포들 위에서 원시 대륙이 자라나면서 끊임없이 유동하고 있었다. 생명이 출현하고, 진화하고, 마침내 산소를 만드는 법을 배운 것은 그토록 역동적이고 가변적인 세계 위에서였다. 변함없는 변화가 지구의 품질보증마크였다.(215쪽) 균형이 깨져버린 행성을 이 미친 듯이 일탈하는 눈덩이-온실 순환보다 더 잘 보여주는 사건은 지구사에서 달리 없을 것이다. 신원생대 기후가 손바닥 뒤집듯 표변해 대기 중 산소가 전례 없이 증가했고, 이 추이가 최초의 동식물과 그들의 대륙 이주를 위한 길을 닦았다. 그러한 생물학적 혁신과 함께, 진화하는 지구에서는 헤엄치고 굴을 파고 땅을 기고 하늘을 나는 수많은 동물이 한층 극단적인 여러 거주지와 습성을 뽐냈다. 뿐만 아니라 6억 5,000만 년 전 고산소 대기의 도래와 함께, 긴 지구사에서 맨 처음으로 시간여행자 당신도 고통스럽게 죽지 않고 고대의 낯선 풍경을 딛고 심호흡할 수 있었을 것이다. 치사량의 자외선 복사를 피하면서 빈약한 끼니거리로 녹색 점액을 모았을지도 모른다.(266쪽) 지구사를 통틀어 지상에 가장 극적인 변형이 일어나려면 육상식물이 등장할 때까지 기다려야 했다. 그 혁신은 4억 7,500만 년 된 암석 안에 독특한 불굴의 미화석 홀씨로 기록되어 있다. 식물 체화석은 연약하고 쉽게 부패해서 그 시기 암석에서 발견된 적이 없지만, 그 최초의 진정한 식물들은 아마도 현대의 우산이끼와 다르지 않았을 것이다. 뿌리 없이 땅을 끌어안고 있는 우산이끼는 습한 저지대에서만 생존할 수 있던 녹조류의 후손이다. 전 세계 육지 암층의 4,000만 년이 넘는 구간에서, 잘 썩지 않는 홀씨들만이 유일한 물리적 증거로 남아 육상식물이 존재했음을 뒷받침한다. 이 단단한 풀빛 개척자들의 진화는 꾸준하지만 느렸던 듯하다.(281쪽) 산소의 증가는 동물에게 유익한 결과를 가져왔다. 더 많은 산소는 더 많은 에너지를 의미했으므로, 동물의 대사율이 높아졌다. 일부 동물들은 더 크게, 더욱더 크게 성장해 추가분의 정력을 이용했다. 가장 극적인 결과물은 날개폭이 60센티미터나 되는 괴물 잠자리로 예시되는 거대 곤충이었다. 증가된 산소는 또한 대기의 밀도를 높여서 비행과 활강을 그만큼 더 쉽게 만들었다. 그 밖의 동물들도 전에는 살 수 없었던 더 높은 고도로 이주했을 게 분명하다. 높은 고도에도 공기가 짙어져서 이제는 숨을 쉴 수 있었을 테니까. 판게아 초대륙의 생명은 수천만 년에 걸쳐 번영을 누렸다. 기후도 온화했고 자원도 풍부했으므로, 생명은 마음껏 진화했다. 하지만 2억 5,000만 년 전, 갑자기 불가사의하게 일어난 지구사에서 가장 비참한 멸종 사건으로 생명은 무너져내렸다.(288쪽)