01. 캄브리아기 미스터리 , 캄브리아기 대폭발 — 5억 년 전 동물 진화의 빅뱅

01. 캄브리아기 미스터리 , 캄브리아기 대폭발 — 5억 년 전 동물 진화의 빅뱅

지구 역사에서 가장 극적인 생물학적 사건을 하나만 꼽으라면 캄브리아기 대폭발이다. 약 5억 4100만 년 전, 지질학적으로는 눈 깜짝할 사이인 수천만 년 안에 복잡한 동물들이 갑자기 지구 바다를 가득 채웠다. 그 이전까지 수십억 년 동안 지구에는 단순한 단세포 생물이나 납작하고 흐느적거리는 생명체만 존재했는데, 어느 순간을 기점으로 눈, 지느러미, 껍질, 발을 가진 동물들이 폭발적으로 등장했다.

캄브리아기 대폭발이란 약 5억 4100만 년 전부터 시작되어 수천만 년에 걸쳐 현재 지구상의 거의 모든 동물 문(門, Phylum)이 갑자기 등장한 사건을 말한다. 문은 동물 분류 체계에서 강, 목, 과, 속, 종보다 상위에 있는 대범주로, 척추동물문, 절지동물문, 연체동물문처럼 크게 구분되는 동물 계통을 가리킨다. 이 사건이 충격적인 이유는 그 이전 수십억 년 동안 전혀 존재하지 않던 동물 대범주들이 비교적 짧은 시간 안에 한꺼번에 나타났기 때문이다. 이후 6억 년 가까운 세월 동안 새로운 문은 거의 추가되지 않았다.

 

캄브리아기 대폭발 — 에디아카라기 단순 생물에서 캄브리아기 다양한 동물로의 전환 개념도

캄브리아기 대폭발 이전 바다에는 어떤 생물이 있었는가

캄브리아기 대폭발을 이해하려면 그 이전의 세계를 먼저 알아야 한다. 약 6억 3500만 년 전부터 5억 4100만 년 전까지를 에디아카라기(Ediacaran Period)라고 부른다. 이 시기의 화석을 보면, 동물이라고 부르기도 어색한 이상한 생명체들이 바다를 채우고 있었다.

에디아카라기 생물들은 대부분 납작하거나 판처럼 생겼다. 눈도 없고, 입도 명확하지 않으며, 근육이나 뇌에 해당하는 구조도 보이지 않는다. 지금 우리가 아는 어떤 동물 범주에도 깔끔하게 속하지 않는 것들이 많다. 일부는 식물처럼 광합성을 했을 수도 있고, 일부는 주변 유기물을 흡수하는 방식으로 살았을 것으로 추정된다. 적극적으로 먹이를 찾아다니거나 포식하는 방식의 생명체는 거의 없었다.

이 세계에서 생존은 단순했다. 해저에 가만히 붙어 있거나, 천천히 움직이며 주변 영양분을 흡수하거나, 햇빛을 이용하면 됐다. 포식자가 없으니 단단한 껍질도 필요 없었고, 빠른 움직임을 위한 복잡한 근육 구조도 필요하지 않았다. 수억 년 동안 지구 바다는 이렇게 단순하고 평화로운 상태로 유지됐다.

그러다 약 5억 4100만 년 전을 기점으로 상황이 완전히 바뀐다.

5억 4천만 년 전 무슨 일이 일어났는가 — 폭발의 규모와 속도

캄브리아기가 시작되면서 화석 기록은 급격히 달라진다. 갑자기 단단한 껍질과 외골격을 가진 동물들, 명확한 머리와 꼬리를 가진 동물들, 복잡한 눈을 가진 동물들이 등장한다. 삼엽충(trilobite)이 대표적이다. 삼엽충은 복잡하게 분절된 몸, 정교한 겹눈, 단단한 외골격을 갖춘 절지동물로, 캄브리아기 바다의 상징이 됐다.

지질학적 시간 척도로 보면 이 전환은 매우 빠르다. 지구 나이 약 46억 년, 최초 생명 출현 약 35~40억 년 전을 기준으로 할 때, 수십억 년 동안 단순한 생물만 존재하다가 수천만 년 안에 복잡한 동물 대부분이 등장한 것이다. 물론 "수천만 년"은 일상적인 시간 감각으로는 매우 긴 시간이지만, 진화생물학에서는 이것이 거의 순식간의 사건으로 분류된다.

왜 이렇게 갑자기였는가를 두고 여러 가설이 제안됐다. 산소 농도의 상승이 복잡한 동물 대사에 필요한 에너지를 공급할 수 있게 됐다는 산소 가설, 시각의 진화가 포식-피식 관계의 폭발적 다양화를 불러왔다는 눈 가설, 칼슘 등 광물 자원의 가용성이 높아져 단단한 구조물을 만들 수 있게 됐다는 광물 가설 등이 있다. 이 가설들이 서로 배타적이지 않다는 점이 중요하다. 여러 요인이 동시에 맞물려 임계점을 넘어선 것이 폭발의 원인일 가능성이 높다.

 

캄브리아기 삼엽충 화석 — 복잡한 외골격과 분절 구조를 가진 캄브리아기 대표 동물

캄브리아기 대폭발이 현재 동물 분류 체계에 어떤 의미인가

캄브리아기 대폭발에서 가장 의미 있는 사실 중 하나는, 이때 등장한 동물 문들이 이후 거의 그대로 유지되고 있다는 점이다. 현재 지구에 사는 동물은 척추동물, 절지동물, 연체동물, 환형동물, 극피동물, 자포동물을 포함해 약 30여 개의 문으로 분류된다. 이 문들 대부분이 캄브리아기에 이미 등장했다. 그 이후로 종의 수는 수백만에서 수천만으로 증가하고, 대멸종으로 줄었다가 다시 늘어나기를 반복했지만, 문 자체가 새로 추가된 경우는 거의 없다.

이것은 진화적으로 깊은 의미를 가진다. 동물의 기본 설계도가 캄브리아기에 한꺼번에 만들어지고 이후에는 그 설계도 안에서만 변형이 일어난다는 뜻이다. 인간도 결국 캄브리아기에 등장한 척추동물 계통의 후손이다. 바퀴벌레도, 오징어도, 불가사리도 모두 그 시기에 계통의 뿌리가 생겼다. 우리가 식탁에서 먹는 새우, 조개, 생선, 그리고 우리 자신까지 — 이 모든 것의 기원이 5억 4천만 년 전 한 번의 폭발에 닿아 있다.

한편 이 폭발이 왜 딱 그 시기에 일어났는지는 아직 명확하지 않다. 화석 기록 자체의 불완전성 때문에 실제로는 더 긴 시간에 걸쳐 서서히 일어난 과정이 화석에는 갑작스럽게 보이는 것일 수도 있다는 반론도 있다. 하지만 최근의 정밀한 연대 측정과 다양한 지역 화석 분석은 이 전환이 실제로 지질학적으로 짧은 시간 안에 일어났음을 지지하는 방향으로 수렴하고 있다.

마무리

캄브리아기 대폭발은 지구 생명 역사에서 가장 큰 수수께끼 중 하나다. 수십억 년 동안 단순함을 유지하던 생명의 세계가 왜 갑자기, 그리고 왜 그 특정 시점에 폭발적으로 복잡해졌는가. 이 질문은 진화생물학, 고생물학, 지구화학이 모두 함께 달려들어 풀어야 하는 문제다.

다음 편에서는 폭발이 일어나기 직전의 세계로 들어간다. 캄브리아기 이전 바다를 채우던 에디아카라 생물군이 정확히 무엇이었는지, 그리고 그들이 캄브리아기 동물들과 어떤 관계인지를 살펴본다.

 

▶ 다음 글: 에디아카라 생물군 — 캄브리아기 이전의 수수께끼 생명체들