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캄브리아기의 지배자, 삼엽충

- 월간 과학 (Newton) 1992년 7월호에서 발췌

캄브리아기는 삼엽충들의 춘추 전국 시대라 할 수 있다.

우리의 지구가 태양계를 구성하는 하나의 행성으로 탄생한 것은, 지금으로부터 약 46억 년 전의 일이다. 그 때 지구의 표면 온도는 1000 'C 이상이나 되었으므로, 생명체가 존재하기는 어려운 상황이었다.시간이 지나감에 따라 원시 지구의 표면은 서서히 식게 되었고, 대륙과 해양이 형성되기 시작하면서 지구상에는 여러가지 변화가 일어났다. 아마도 지구의 첫 생명체는 이러한 과정 속에서 발생하였을 것으로 추측된다.

지구의 대기 조성이나 해양 환경이 생명의 탄생에 적합한 상태에 이르렀거나, 아니면 외계에서 만들어진 생명체의 원료가 지구로 들어와서 발전하여 생물의 모습을 이루게 되었는지도 모른다.

화석의 기록에 의하면, 지금으로부터 약 35억년 전에 광합성 활동을 하는 단세포 원핵 생물이 출현하였고, 약 20억 년 전 무렵에는 단세포 진핵 생물이 생활하기 시작하였다. 그러나 우리에게 좀더 친숙한 다세포 동물의 출현은, 지구가 탄생하고 나서 40억 년이 지난 후였다. 그렇지만 그 당시 (약 6억년 전) 의 다세포 동물들은 모두 부드러운 육질로 이루어져 있었기 때문에, 화석으로 발견되는 경우는 상당히 드물다. 따라서 당시의 동물들이 얼마나 다양했는지 정확히 추정하기는 어려워도, 생물의 구조나 기관이 이미 놀라울 정도로 복잡한 단계에 도달해 있었음을 알 수 있다.

그로부터 3000만 년이 지난 후인 5억 7000만 년 전에는, 생물들은 광물질로 이루어진 단단한 골격을 가지게 되었다. 생물이 단단한 골격을 가지게 되었다는 것은, 생물학적인 면에서 뿐만 아니라 지질학적인 면에서도 매우 중요한 의미를 갖는다. 생물계의 변혁은 지질 시대의 구분에 있어서 가장 중요한 시점인 선캄브리아대 (지구가 탄생하였던 46억 년 전부터 5억 7000만 년 전까지의 기간)와, 캄브리아기 (5억 7000만 년 전부터 5억 1000만 년 전까지의 기간) 의 경계를 정하는 기준이 되기 때문이다. 다시 말해 캄브리아기의 시작은, 지구상에 광물질의 골격을 가진 생물들이 출현한 시점으로 보면 되는 것이다.

캄브리아기의 처음 1000만 년 동안은 골격을 가진 생물들의 크기가 아주 작아서, 1 mm 미만의 것이 대부분이었다. 그러나 억 6000만 년 전에 이르면 크기가 비교적 크고, 더욱 발전된 동물들이 출현하게 되는데, 그 대표적인 것이 삼엽충, 완족동물, 그리고 극피동물 등이다. 특히 삼엽충은 이 후 급격한 번성을 이루어 캄브리아기를 대표하는 생물이 되었다. 이에 따라 캄브리아기를 '삼엽충의 시대' 라 부르기도 한다.

삼엽충 화석을 연구함에 따라, 당시의 해양환경을 밝힐 수 있다.

삼엽충 (三葉蟲)은 절지동물에 속하는 종류로 절지동물 중 가장 먼저 지구상에 출현한 생물이다. 이들은 캄브리아기에 출현하여 처음 1억 년 동안은 해양생물계를 지배하며 번성하다가, 실루리아기 이후 쇠퇴의 길로 접어들어, 마침내 페름기 (약 2억 5000만 년 전) 말에 지구상에서 사라졌다. 몸의 크기는 수 cm 의 것이 보통이지만, 0.5 mm 의 아주 작은 것도 있고, 70cm 나 되는 큰 것도 있다. 현재까지 1500속, 1만 종 이상의 삼엽충이 보고되어 있다.

오늘날의 곤충이나 다른 절지동물과 마찬가지로, 삼엽충은 등껍질이 여러 개의 마디로 이루어졌다. 크게 머리, 몸통, 꼬리로 구분되어지면, 배 쪽에는 촉각과 다리가 달려 있다. 머리에는 보통 한 쌍의 눈이 달려 있는데 상당히 복잡한 형태로 되어 있기 때문에, 삼엽충을 분류하는 데 가장 중요한 연구 대상이 된다. 몸통은 2-40 개의 마디로 이루어져 있어서 몸을 동그랗게 움츠릴 수도 있다. 꼬리는 반원형이고, 가장자리에는 가시 모양의 돌기가 나 있는 경우가 많다.

삼엽충은 다른 절지동물처럼 탈피(脫皮)에 의해 성장한다. 그러므로 허물을 벗고 난 후에 남긴 많은 껍질들이 화석으로 보존되어 있다. 허물을 벗을 때 삼엽충의 마디를 이루고 있던 각 부분들이 쉽게 분리되므로 화석으로 발견되는 삼엽충 중에서 머리, 몸통, 꼬리가 모두 붙어 있는 상태로 발견되는 경우는 드물다.

대부분의 삼엽충들은 해저를 기어다니며 생활하였지만, 어떤 종류들은 물 속을 떠다니거나 헤엄치거나 하면서 생활하였다. 이들 삼엽충 화석을 자세히 연구하면, 당시의 해양 환경이 어떠하였는지 알 수 있다. 또, 다른 나라의 삼엽충 화석과 비교하여 지질 시대를 밝혀 낼 수도 있다.

5억 4000만 년 전부터 1억 년 동안, 강원도 일대는 바다였다.

삼엽충은 바다에서 살았던 생물이다. 따라서 만일 어떤 암석에서 삼엽충 화석이 발견되었다면, 그 암석은 바다에서 퇴적된 것이라고 생각할 수 있다.

우리 나라에서 삼엽충 화석이 발견된 곳은 강원도 남부의 삼청, 태백, 상동, 영월 일대와 충청 북도의 단양, 그리고 경상 북도의 문경 지역 등으로, 주로 석회암이 분포하는 지겨이다. 이들 석회암과 석회암 사이에 간혹 끼어있는 셰일 (shale, 이판암) 에서는, 삼엽충 이외에도 옛날에 바다에서 살았던 생물의 화석이 발견되고 있다. 그러므로 이 지역은 먼 옛날에는 바다였을 것으로 추측된다.

삼엽충의 연구 결과에 따르면, 이들 암석의 시대는 캄브리아기에서 오르도비스기에 걸치는 것으로 알려져 있다. (단 캄브리아기 초기에 해당하는 암석은 아려져 있지 않다) 좀더 구체적으로 말하면, 지금으로부터 약 5억 4000만 년 전부터 4억 4000만 년 전까지의 1억 년 동안, 우리 나라의 강원도 일대는 바다였다고 할 수 있는 것이다.

이 무렵의 세계 지도 (각 지질 시대별 지도는 화석 자료와 그 밖의 지질학적 사항을 고려하여 그릴 수 있다) 를 보면, 우리 나라는 북중국과 함께 하나의 독립된 대륙을 이루고 있었고, 남중국과 동남 아시아와는 상당히 멀리 떨어져 있었다. 오히려 오스트레일리아 대륙에 더 근접해 있었다. 특히 주목할 일은 현재 우리 나라의 위도가 북위 38' 부근인데 비하여 5억 년 전에는 적도 부근에 위치하였다는 사실이다. 분명히 적도 부근의 따뜻한 바다는 생물이 번성하기에 알맞은 환경이었을 것이고, 이러한 환경은 현재의 석회암을 구성하고 있는 물질들이 퇴적하기에 적합하였을 것이다.

우리 나라에서 산출된 삼엽충은 200종이 넘는다.

삼엽충은 지금으로부터 5억 6000만 년 전에 지구상에 출현한 후, 캄브리아기동안 매우 빠른 진화 양상을 보여 준다. 진화가 빠르다는 것은, 어떤 삼엽충 군집이 짧은 시간 동안 다른 종류의 삼엽충 군집으로 바뀌었다는 것을 의미한다.

현재 캄브리아기는 특정한 삼엽충의 생존 기간에 의하여 30여 개의 작은 단위 (지질학에서는 생물대 또는 화석대라고 한다) 로 나누어져 있다. 캄브리아기의 지속 기간을 6000만 년으로 계산할 경우, 삼엽충에 의하여 나누어진 다누이 하나의 기간은 200만 년 이내가 된다. 200만 년이라는 기간이 긴 시간임에는 틀림없지만, 46억 년 이라는 지구의 나이를 생각할 때, 아주 오래 전에 일어났던 사건을 200만 년 이내의 단위로 표현할 수 있다는 것은 아주 정확한 측정이라 할 수 있다.

이제까지 우리 나라에서 산출된 삼엽충은 200종이 넘는 것으로 알려져 있다. 그 가운데 80% 이상이 캄브리아기의 지층으로부터 보고되었는데, 이것은 캄브리아기 동안 삼엽충이 얼마나 다양하였는가를 단적으로 보여 주는 사실이다.

우리 나라에서 가장 오래 된 삼엽충으로 알려진 종류는, 경상 북도 문경 지역의 5억 4000만 년 전의 암석에서 보고된 레드리키아 (Redlichia)이다. 강원도 영월 지역에서는 그보다 약간 후인 5억 3000만 년 전의 삼엽충 화석들이 풍부하게 발견되었다. 그 가운데 대표적인 종류가 올레노이데스 (Olenoides) 와 통키넬라 (Tonkinella)이다.

Olenoides asiaticus

Tonkinella breviceps

올레노이데스는 영월 지역 이외에도 평안 남도의 중화 지역, 만주, 오스트레일리아, 그리고 북미의 여러 지역에서 보고되었다. 통키넬라 또한 우리 나라의 영월 지역, 중국의 산둥성, 시베리아, 베트남, 북미 지역에서 보고되었다. 이들은 대륙붕의 깊은 곳을 기어다니며 생활하였던 종류이다.

생활 영역의 축소와 해양 환경의 변화가 멸망의 원인인가.

캄브리아기 후기 (5억 1600만 년 전) 에 접어들면 종전에 살던 무리들이 모두 사라지고, 새로운 종류가 등장한다. 그 중 글립타그노스투스 (Glyptagnostus)가 유명하다. 이 종류는 매우 짧은 기간동안 생존하였지만, 우리 나라, 오스트레일리아, 남중국, 카자흐 공화국(카자크스탄), 시베리아, 유럽, 북미 등에서 보고되고 있어, 캄브리아기 당시 적도와 중위도 부근의 원양성 해양 환경에서 널리 서식하였던 것을 알 수 있다.

아마도 이들은 오늘날 적도 부근을 순환하는 해류와 비슷한 양상을 보여 주는 캄브리아기 바다의 해류를 따라 이동하였기 때문에, 그처럼 넓은 지역에 걸쳐 분포할 수 있었던 것으로 추정되고 있다.

글립타그노스투스의 시대가 지난 후, 한반도 주변의 바다는 프로세라토피지 (Proceratopyge) 의 전성기로 들어간다. 이들은 후기 캄브리아기의 삼엽충 중에서 가장 오랫동안 생존하였고, 생태학적으로도 서식할 수 있는 범위가 매우 넓어서 아프리카와 남극 대륙을 제외한 전 지역에서 보고되었다. 이 종류의 특징은 꼬리 양쪽에 가시 모양의 긴 돌기가 있다는 것이다. 프로세라토피지의 전성기 동안에도 이따금 새로운 강자가 등장하여 그들의 세력에 도전하였지만, 결국 멸망시키지는 못하였다.

그 가운데 한때 수적으로 프로세라토피지를 능가하였던 에오추앙기아 (Eochuangia) 가 있다. 에오추앙기아의 가장 큰 특징은 꼬리의 위쪽 가운데에 꼬리 길이의 3배가 넘는 긴 돌기가 있다는 점이다. 이 종류는 우리 나라에서만 산출되는 것으로 알려져 있지만, 이들과 계통적으로 가까운 종류들이 이웃 중구고가 오스트레일리아에서 보고된 적이 있다. 아마도 이들은 우리 나라 부근에서 출현하여 잠시 번영한 후 세력을 널리 확산시키지 못하고 멸망해 버린 것 같다.

한편 에오추앙기아의 소멸 직후인 5억 1400만 년 전에 이르면, 프로세라토피지와 함께 비교적 많은 산출을 보여 주는 종류로 어빙겔라 (Irvingella) 가 있다. 이 어빙겔라는 눈이 무척 크고, 몸통의 마디마다 날개 모양의 긴 돌기가 양쪽으로 배열된 특이한 종류로, 물 속을 헤엄쳐 다녔던 삼엽추으이 대표적인 것으로 아려져 있다. 이들의 산출 또한 아프리카와 남극 대륙을 제외한 모든 지역에서 보고되어, 그들의 생활 양식이 유영성 (游泳性) 이었다는 해석을 뒷받침하고 있다.

후기 캄브리아기 당시, 프로세라토피지와 어빙겔라는 각각 저서성 (底棲性) 환경과 부유성(浮遊性) 환경의 영역으로 나뉘어 생활하면서, 평화적 공존 체제를 유지하였던 것으로 생각된다. 물론 이들이 모든 지역에서 항상 우위를 차지하였던 것은 아니며, 이따금 지역성이 강한 종류들에 의해 밀려나기도 하였다. 특히 부유성 환경에서 살았던 삼엽충 가운데 크기가 수 mm 에 지나지 않았던 아그노스티드 (Agnostid) 종류들은, 개체수와 종수가 풍부하였다. 이상에서 소개한 우리 나라의 캄브리아기를 대표하는 삼엽충들은 캄브리아기가 끝날 무렵 (약 5억 1000만 년 전) 거의 대부분이 멸종하게 된다. 이들의 멸종 원인에 대해서는 아직 명확한 해석이 제시되고 있지 않지만, 아마도 캄브리아기 말에 전세계적으로 일어났던 해수면의 하강으로 인한 생활 영역의 축소와, 해양 환경의 변화에 따른 것이었으리라는 설명이 지배적이다

오르도비스기의 새로운 환경에 적응하여, 다시 번성하기 시작

캄브리아기 말의 멸종의 위기를 넘긴 극소소의 삼엽충들은, 경쟁자들이 별로 없는 오르도비스기의 새로운 환경에 적응하면서 다시 번성하기 시작하였다. 그러나 저서성 삼엽충들이 비교적 쉽게 새로운 환경에 적응하였던 반면, 캄브리아기에 다양했던 부유성 삼엽충인 아그노스티드 종류들은 계속 쇠퇴의 길을 걷고 있었다.

부유성 삼엽충의 쇠퇴는 오르도비스기의 새로운 부유성 생물인 필석류 (筆石類) 의 번성과 대조를 이룬다. 필석류의 등장이 같은 생활 영역을 필요로 하였던 아그노스티드의 번성에 장애 요인이 되었거나, 아니면 부유성 육식 동물의 출현으로 아그노스티드들이 선택적으로 잡아먹혔기 때문인지도 모른다.

우리 나라의 오르도비스기 삼엽충은 종류에 있어서 그다지 다양하지는 않지만, 특정한 층에서는 많은 종류의 화석이 산출되기도 한다. 예를 들면 강원도 태백 지역의 직운산 층은 우리 나라에서 삼엽충화석을 채집하기에 가장 좋은 곳으로 알려져 있다.

오르도비스기 초엽, 우리 나라의 삼엽충은 영월지역에서 산출되는 요시무라스피스 (Yosimuraspis) 로 대표되며, 이 종류는 현재 우리 나라와 중국에서만 국한적으로 보고되었다. 이들보다 약간 후에 출현한 특징적인 종류는 코라잎시스 (Koraipsis) 로, 머리 앞쪽에 뿔 모양의 돌출부와 꼬리에 달린 가시 모양의 돌기가 이채롭다.

이들은 모두 5억 년 전 무렵에 살았던 종류이며, 그 후 약 3000만 년 동안 우리 나라에서 삼엽충이 서식하였던 기록은 찾아보기 힘들다.

앞에서 언급한 직운산 층은 4억 7000만 년경에 퇴적된 지층으로, 커다란 크기 (15cm까지도 보고되었다) 의 삼엽충이 산출되는 것으로 유명하다. 그 중 대표적인 종류가 돌러로바실리쿠스 (Dolerobasilicus) 인데, 다른 나라에서는 보고된 적이 없다.

전반적으로 시대가 젊어질수록 삼엽충의 종의 수가 감소하고 있어, 그들의 생활영역을 다른 생물들에게 넘겨 주고 있는 양상을 보여 주고 있다.

화석의 비밀을 캐는 것은 곧 자연의 역사를 밝히는 일이다.

우리 주변의 암석이나 화석들은 말이 없지만, 그 속에는 옛날에 일어났던 사건들이 여러 가지 형태로 기록되어 있다. 우리가 그 기록을 제대로 읽을 수 있느냐 하는 것은, 우리가 얼마만큼 자연이 쓴 언어를 잘 이해할 수 있느냐에 달렸다. 바꾸어 말하면, 우리가 자연을 충분히 이해하고 또 잘 이해하기 위하여 노력한다면, 자연의 역사를 더욱 정확히 알아 낼 수 있다는 뜻이다.

우리 나라에서 삼엽충의 화석이 다양하고 풍부하게 산출된다는 사실은 전세계적으로 잘 알려져 있다. 그렇지만 지난 30여 년 동안 이 흥미로운 생물에 대한 연구는 거의 이루어지지 않고 있었다. 지금까지 언급한 내용은 우리 나라 삼엽충의 복잡한 역사 중에서 극히 일부분일 뿐이다. 그러므로 우리는 아직 궁금한 점이 너무 많다.

오랜 옛날 삼엽충들이 살고 있던 때의 우리 나라 주변의 모습은, 구체적으로 과연 어떠하였을까? 아마도 그 내용 중 상당한 부분은, 당시에 가장 번성하였던 생물인 삼엽충의 연구에 의하여 밝혀질 수 있을 것이다. 그것이 밝혀지면, 우리는 이제까지 알지 못했던 흥미로운 과학적 사실도 어쩌면 알게 될 수 있을 것이다.