지구, 그리고 지구과학

'한 권으로 충분한 지구사(地球史)'의 저자 중 한 사람인 가와카미 신이치의 개념 중 줄무늬 지구과학이 있다. 관심을 부르는 흥미로운 개념이다. '한 권으로 충분한 지구사'는 '지오포이트리', '내가 사랑한 지구', '지구의 깊은 역사', '지구의 짧은 역사', '지구 격동의 이력서, 암석 25', '지구 이야기', '지구 100(1권)' 등과 함께 내가 가지고 있는 지구란 이름이 들어 있는 책들 중 하나다. 얀 잘라시에비치의 '지질학' 역시 지구를 다룬 책으로 분류되어야 한다.

사고 싶은 책은 '지구표층 환경의 진화'와 '지구물리학', '최신 지구과학 실험서' 등이다. 지질학보다 지질, 해양, 기상, 우주를 다루는 지구과학이어야 할 것이다. 2022년 11월 공주대 지구과학교육과 학생들, 2023년 5월 교원대 지구과학교육과 학생들에게 한 해설이 좋은 계기가 되었다. 올해 안에 서가에 모셔두고 아직 읽지 못한 '기원 이론', '그랜드 캐니언, 오래된 지구의 기념비', '빅히스토리 공부'를 읽어야 한다.

'기원 이론'에 "지구와 행성들을 연구하는 지질학은 물리학, 화학, 그리고 생물학에 크게 의존한다. 그리스도인들에게 있어서 지질학은 창조의 서사 드라마 안으로 들어가는 또 다른 창을 제공한다."(249 페이지)란 글이 있다. 서사 안으로란 말이 나를 계속 움직이게 할 것이다.

선사 예술 이야기, 우리 인간의 아주 깊은 역사, 네안데르탈 등 빌림

남산도서관, 서울도서관, 종로도서관, 송파도서관 등을 자주 이용하던 시기를 거쳐 지난 2022년 1월 이후 양주(옥정호수, 덕정) 도서관, 파주(중앙, 교하) 도서관을 자주 이용하고 있습니다.(남산도서관은 택배 대출이 가능해 여전히 이용합니다.) 1호선 전철과 버스를 이용하여 갈 수 있거나(양주 도서관), 2022년 1월부터 참여하기 시작한 일산 예배처에서 돌아오는 길에 들를 수 있기(파주도서관) 때문입니다.

오늘은 예배 후 돌아오는 길에 파주중앙도서관을 찾아 장 클로트의 ‘선사 예술 이야기’, 레베카 랙 사익스의 ‘네안데르탈’, 조지프 르두의 ‘우리 인간의 아주 깊은 역사’ 등 세 권의 책을 빌렸습니다. 역사, 지질 등을 등한시 한 채 고고학, 고생물학 등에 관심을 기울이는 것은 다소 상궤(常軌)를 벗어난 일일 수도 있습니다. 단 고생물학 책을 읽다 보면 같은 계열인 지질학 책이 읽고 싶어집니다. 그리 하여 지난 주(7월 31일) 알라딘 노원역점에서 로버트 헤이즌의 ‘지구 이야기’를 구입했습니다.

조지프 르두의 책은 빌릴 생각이 아니었으나 ‘클릭 서양 미술사‘가 대출 상태여서 대신 빌린 것입니다. 세 권의 책을 빌린 것은 7권까지만 대출할 수 있는 규정과 무관합니다. 주말이어서 6시에 도서관이 문을 닫기에 빌리고 싶었어도 더 빌릴 수 없었습니다.

신경과학자 르두의 책에서 미토콘드리아를 만납니다. “포도당이 세포로 분해되면 미토콘드리아는 포도당이 분해되는 과정에서 생긴 부산물과 산소를 이용해 에너지를 생성한다. 이 과정을 세포 호흡이라 한다. 식물은 주로 엽록체를 이용해 햇빛을 흡수하여 에너지를 만드는데 이 과정을 광합성이라 한다. 포도당은 뿌리로 흡수한 물과 잎에서 얻은 이산화탄소로부터 획득하며 녹말의 형태로 저장되었다가 나중에 연료로 사용한다.

식물에도 미토콘드리아가 있으며 햇빛이 없을 때 에너지를 생성하는 용도로 활용한다. 이처럼 동물(및 균류)꽈 식물이 서로 다른 방식으로 에너지를 생성하게 된 이유는 고세균이 박테리아를 잡아먹을 때 두 가지 종류의 진핵생물이 출현했다는 사실과 관련이 있다. 일부 원시 박테리아 세포는 산소를 흡수해 이를 유기화합물로 분해하는 대 사용함으로써 화학적 에너지를 얻는 반면 또 다른 박테리아는 이산화탄소를 흡수해 광합성에 사용함으로써 화학적 에너지를 얻었다.”

와이오밍과 지질, 그리고 걷기

지난해 자주 들은 말이 후크 고지, 폭찹 고지, 와이오(Wyoming) 라인 등의 말이었다. 연천군 장남면 판부리 사미천 왼쪽인 후크 고지의 후크는 지형이 쇠고리 모양이어서 붙은 이름이고 연천군 천덕산 일대의 폭찹 고지는 지형이 미국식 돼지고기 요리인 폭찹을 닮았다고 하여 붙은 이름이다. 와이오밍은 의문이었다. 이 라인은 한국전쟁 당시 미 8군 사령관인 리지웨이 장군에 의해 설정된 연천 - 전곡 - 철원 - 화천의 방어선을 말한다. 리지웨이는 서쪽의 임진강에서 시작해 화천을 지나 양양까지 이어지는 캔자스 라인도 설정했다. 

중요한 사실은 와이오밍이라는 미국의 주명(州名)을 붙인 데에 별 이유가 없고 단지 와이오밍이 캔자스보다 위도상 북쪽에 자리하기 때문이란 점이다. 존 맥피는 북아메리카 대륙을 지질학적으로 탐사한 다섯 편의 작품을 하나로 묶은 '이전 세계의 연대기'에서 지질학자들의 연구방식에는 그들이 어떤 종류의 땅에서 자랐는지가 드러난다고 말하며 이와 관련해 와이오밍의 한가운데서 태어난 지질학자의 삶보다 더 훌륭한 본보기는 없다고 덧붙였다. 

맥피에 의하면 무심히 보고 지나칠 와이오밍 롤린스의 심심한 풍경 속에는 그랜드 캐니언의 웅장한 암벽보다 훨씬 더 긴 시간(26억년)이 펼쳐져 있다. 미국 최초의 국립공원인 옐로스톤 국립공원이 있는 이 주는 데이비드 러브라는 지질전문가로 인해 이름이 알려진 곳이기도 하다. 대부분의 지질도가 암석이 아닌 다양한 논문과 보고서를 짜깁기해 시간에 근거해 만든 것들인데 데이비드 러브는 오로지 암석만 보았다. 맥피는 데이비드 러브는 높은 자리에 앉아서 지구가 어떻게 작동하는지 생각하지 않고 현장을 지향한다고 말한다. 

인상적인 말은 데이비드 러브와 겨루려면 아주 많이 걸어야 한다는 말이다. 지질학은 이런 학문이다. 철학자 김영민 교수가 니체의 말을 빌려 "오직 걷고 있는 자만이 나와 인연이 있다"고 했거니와 이 선언에서 나를 지질학이라 바꿔도 좋을 듯 하다. 단 여기서 걷기는 필요조건일뿐이어서 그 자체로 결과물을 내는 것은 아니라는 점, 걷더라도 염천(炎天)의 8월은 지난 뒤에라야 가능하리라는 점이 중요하다.

얀 잘라시에비치의 지구과학 서사시

지질학 - 46억 년 지구의 시간을 여행하는 타임머신 ㅣ DEEP & BASIC 시리즈 9
얀 잘라시에비치 지음, 김정은 옮김 / 김영사 / 2023년 7월

미번역 책 ‘조약돌 속의 행성'(The planet in a pebble)의 저자 얀 잘라시에비치(Jan Zalasiewicz; 1954 - )의 책 ’지질학‘. 200 페이지가 조금 넘는 얇은 책이다. “이 책은 엄청나게 거대하고 다면적인 주제에 대한 간략한 밑그림이다.”란 저자의 말대로. 저자는 지질학적 기록이란 역동적이고 진화하는 경관의 기록이라 말한다. 우리는 항상 지질학에 둘러싸여 있다. 가령 우리가 살고 있는 집은 형태를 잡아서 빠르게 변성시킨 이암(泥巖)으로 만들어져 있으며 우리는 그런 이암을 벽돌이라 부른다.

우리의 일터는 석회와 진흙을 섞어서 만든 거대한 모래성이다. 우리는 그 모래성을 콘크리트 빌딩이라 부른다. 지질학은 사실상 화학, 물리학, 생물학, 지리학, 해양학 등 다른 과학을 아우르는 과학이며 인문학과 예술과도 여러모로 연관이 있다.(20 페이지) 저자는 지질학을 아는 사람들, 지질학을 업으로 삼고 있는 사람뿐 아니라 아마추어 애호가들까지도 지질학에 대한 충성심과 애정이 대단하다고 말한다.

본문에는 지질학이란 용어를 처음 사용한 사람 이름이 나온다. 그는 이탈리아의 자연주의자이자 곤충학자였던 울리세 알드로반디(1522 - 1605)다. 1603년에 시발이 된 지질학이란 단어는 19세기 중반 이전까지 사용되지 않았다. 지질 역사의 장구함을 나타내는 말이 ’지질학적 시간; 깊은 시간‘이란 말이다. 본문에 조르주 퀴비에와 찰스 라이엘의 대립(?)이 나온다. 퀴비에의 격변설 vs 라이엘의 동일과정설이다. 오늘날 두 사람의 주장은 부분적으로 옳다.(34 페이지, 113 페이지) 아주 오랜 지질학적 시간에 걸쳐서는 대체로 동일과정설이 작용하지만 갑작스러운 재앙이 일어나서 지구 역사의 방향이 크게 바뀔 수 있기에 격변설도 일리가 있는 것이다.

알렉산더 폰 훔볼트의 남미 전역 여행이 다윈에게 과학적 영감을 주었다는 사실도 흥미롭다. 지질시대의 이름 중 트라이아스기는 특별하다. 캄브리아, 오르도비스, 실루리아, 데본, 페름, 쥐라 등은 지역이나 부족 이름에서 유래한 반면 트라이아스는 삼첩(三疊)을 의미하기 때문이다. 지구의 시간 대부분은 선캄브리아기에 속하고 우리에게 친숙한 모든 시대는 지구 역사의 12 퍼센트 정도에 지나지 않는다.(48 페이지)

해저 산맥은 철, 마그네슘 등이 풍부해서 밀도가 높은 화산암인 현무암으로 이루어졌고 육상 산맥은 일반적으로 밀도가 낮고 규소, 알루미늄 등이 풍부한 화강암으로 이루어졌다.(62 페이지) 해양지각은 대륙지각에 비해 얇다. 해양지각은 10km 정도, 대륙 지각은 30 - 40km 정도다.(67 페이지) 지각과 맨틀 사이의 경계를 모호로비치치 불연속면이라 한다. 우리가 지구 속으로 더 깊이 들어가기 어려운 이유는 열과 압력이 상상할 수 없이 높기 때문이다. 오늘날 지구의 핵은 태양 표면 온도와 비슷한 섭씨 6000도 정도로 여겨지고 있다.

다이아몬드가 결정화하려면 적어도 지하 140km에서의 압력이 필요하다. 다이아몬드는 지하 수백 km의 대단히 높은 압력에서 형성된다. 섭입대에서 형성되는 광물 종류의 미세한 얼룩이 나타나기도 한다.(186 페이지) 지진의 p파는 음파와 비슷한 압력파여서 고체와 액체를 모두 통과한다. 흔들리는 움직임으로 전달되는 S파는 고체를 통해서만 이동할 수 있다. 두 지진파가 모두 맨틀을 지난다. 이는 맨틀이 기본적으로 고체라는 사실을 말해준다. 고온임에도 맨틀이 고체 상태를 유지하는 것은 높은 압력이 광범위하게 암석이 녹는 것을 막기 때문이다. 그래서 중앙해령의 지각이 갈라지는 곳에서는 고압에서 해방된 맨틀 물질이 온도가 상승하지 않아도 녹아서 마그마를 형성하고 이 마그마가 상승하여 해양지각의 현무암이 된다.(74, 75 페이지)

지질구조판은 지각으로만 구성되지 않고 맨틀 최상부도 포함한다. 맨틀의 이 부분이 지질구조판의 대부분을 차지한다. 지구 내부를 통과하는 파동은 온도나 압력, 조성 등이 다른 암석을 만나면 벽에서 튕겨나간 음파가 메아리가 되는 것처럼 반사되기도 하고 굴절되어 방향이 바뀌기도 한다.(76 페이지) 지구 내부는 밀도가 매우 높은 암석으로 이루어져 있다. 규산염 광물이 지하 깊은 곳에서 더 치밀한 형태로 압축되어 있고 핵의 조성이 니켈 - 철이기 때문이다.(79 페이지) 지구 자기장은 지구의 핵이 철로 된 단단한 막대자석이기 때문에 생기는 것이 아니다. 그것은 액체 상태의 철에서 생기는 흐름의 결과다.(81 페이지)

저자는 지구가 어려 면에서 독특한 것은 암석 순환의 놀라운 효율성 때문이기도 하다고 말한다. 암석 순환이란 화성암 - 퇴적암 - 변성암의 순환을 말한다.(89 페이지) 1차적으로 화성암이 바람과 비와 얼음에 의해 물리적, 화학적으로 분해되어 퇴적물이 되고 그 퇴적물이 땅속에 묻히고 고화(固化)되어 퇴적암이 되고 퇴적암은 열과 압력이 증가하는 동안 변성되고 결국 녹아 마그마가 된다. 물과 바람은 밀도가 크게 다르지만 움직일 때에는 둘 다 놀라울 정도로 비슷한 모양의 모래 언덕을 만들 수 있다.

화산 쇄설류는 백열광을 내는 화산재, 화산의 사면을 빠르게 내려가는 암석 파편으로 이루어져 있어 결코 가까이 다가갈 수 없고 안전한 거리에서 관찰하려고 해도 소용돌이 치는 짙은 구름에 휩싸여 있어서 내부에서 일어나는 작용은 전혀 보이지 않는다. 냉각되고 나면 사정이 달라진다. 지난 1억년의 지층 속에 들어 있는 화석 중에서 가장 널리 이용되는 화석 중 하나는 유공충의 화석이다. 아메바처럼 생긴 해양 단세포동물인 유공충은 탄산칼슘을 분비하여 만든 우아한 껍데기 속에 살면서 물속으로 위족을 뻗어 그보다 더 작은 유기체를 잡아먹으며 산다.(105 페이지)

기후와 온실기체의 변화는 규칙적이고 주기적인 양상을 띤다. 이 주기들은 20세기 초반의 세르비아의 수학자 밀란코비치가 예측한 것처럼 본질적으로 천문학적이다. 이런 주기성은 지구 자전축을 중심으로 일어나는 요동, 지구 자전축의 각도, 태양 주위를 도는 지구 공전 궤도 형태 변화로 인해 나타난다.(108, 109 페이지) outcrop은 일반적인 노두, exposure는 특별한(조사에 쓸만한) 노두를 가리킨다.(124 페이지)

우리가 우리 주위에 만든 친숙한 세계는 대체로 어떤 방식으로든 지질학에서 유래한다. 집, 사무실, 공장은 모래, 자갈, 이암, 석회암을 재구성해 만들었고 여기에 멋지게 광을 낸 화강암이나 대리암 석판 몇 장으로 장식한 것이다. 이런 건물 중 다수는 내부에 철골 구조를 가지고 있는데 거기에 쓰이는 철은 우리 행성의 여명기와 가까운 시절에 형성된 거대한 철광석 퇴적층에서 유래한다.(137 페이지) 화산은 마그마를 끌고 올라오는데 마그마는 맨틀에서부터 운반된 원시적인 물의 일부를 방출할 것이다.(147 페이지) 맨틀 깊은 곳에는 적어도 대양 정도의 물이 용해되어 있다.(14 페이지)

지질학의 유명한 선구자들 중에는 인구가 빠르게 증가하기 시작하는 시기를 살아가면서 영양적인 측면을 깊이 생각한 인물들도 있다.(153 페이지) 다윈의 스승 존 헨슬로가 대표적이다. 거름이 작물에 좋다는 사실을 알게 된 그는 화석 거름도 효과가 있는지 실험해 보았다. 효과가 있었다. 지역 농민들에게 이런 선사시대의 자원 활용을 장려했고 윌리엄 버클런드 목사는 이런 천연자원을 더욱 발전시켰다. 버클런드는 배설물 화석에 분석(糞石; coprolite)이란 이름을 붙였다.

지구는 매우 매끄럽게 작동하는 다목적 기계 장치다. 지구라는 기계 장치의 특징은 판구조 운동의 끊임없는 작용으로 나타난다.(159 페이지) 이 과정에서 대단히 중요한 지각의 재배열이 일어나고 대양이 갈라지면서 백열의 마그마가 지구 표면으로 방출된다. 그 사이 두께 약 200km의 지각판은 비슷한 두께의 다른 지각판을 밀치면서 수천 km를 미끄러져 내려가면서 지구 깊숙이 들어간다.(159, 160 페이지) 우리 행성은 아주 오래되었다. 46억년이라는 지구의 나이는 우주 나이의 거의 1/ 3에 해당한다. 그 시간 동안 지구는 엄청나게 바뀌었다. 사실 하나의 행성이라기보다 다른 행성들이 이어져온 것이다.(181 페이지)

BIF(banded iron formation)라 부르는 호상철광층(縞狀鐵鑛層)이 있다. 縞는 명주, 흰빛을 의미한다. 산화철과 규석이 번갈아 쌓인 얇은 지층이 호상철광층이다. 바다속에 용해된 철이 산소와 반응해 산화철로 반응해 침전된 철광이다. 산화철과 규석은 석회석, 점토 등과 함께 클링커를 이루는 요소들이란 점에서 흥미를 끈다.

스반테 페보, 네안데르탈인, 미라, 이집트학, PCR

2022년 노벨 생리의학상 수상자인 스반테 페보의 성취를 살피려니 PCR, 이집트학, 미라 등에 대해서도 공부를 하게 된다. 네안데르탈인의 유전체를 해독한 그는 이집트학을 할까 고생물학을 할까 고민했던 인물이다. 이집트학을 택하지 않았지만 미라에 대한 관심이 그의 길을 인도했음이 의미 있는 사안이다. 그는 네안데르탈인의 팔 뼈에서 추출한 DNA를 PCR(중합효소연쇄반응법)로 증폭해 성취를 이루었다.

관건은 그토록 오래된 네안데르탈인의 유전정보가 파괴되지 않은 채 이어져왔다는 점이다. 고대 이집트에서 미라를 만들던 사람들이 한 것처럼 조직을 건조시키면 DNA가 오랫동안 남을 것이라는 추측이 빛을 발했다. 2014년 출간(2015년 번역 출간)된 페보의 '잃어버린 게놈을 찾아서'를 읽으며 하는 생각이다. 기사도 중요하고 서평도 중요하지만 최선은 책을 완독하는 것임을 다시 한 번 실감했다. 좋은 책을 찾고자 애쓰는 마음은 그로부터 비롯되는 것이다.