화석과 지층

깃털이 있으면서 이빨과 뼈 꼬리도 있는 시조새의 첫 골격은 『종의 기원』이 나오고 2년 뒤인 1861년 독일에서 나왔습니다.

생물 대부분은 죽고 나면 아무 흔적도 남기지 않고 사라집니다. 화석(fossil)은 유해나 발자국 같은 흔적이 재빨리 묻혀 보존될 때에만 생깁니다. 대개는 퇴적물 속에 묻히고, 그 퇴적물이 나중에 굳어 암석이 됩니다. 껍데기나 뼈, 이빨 같은 단단한 부분은 부드러운 몸보다 훨씬 더 자주 살아남습니다. 그렇다 해도 세계 곳곳에서 나온 화석을 모으면 언제 무엇이 살았는지 알려 주는 기록이 됩니다. 그리고 그 기록은 과거의 생물이 오늘날의 생물과 같지 않았다는 것을 보여 줍니다. 이때 땅에 묻히는 것이 큰 도움이 됩니다. 네안데르탈인의 화석 기록이 유난히 풍부한 까닭 가운데 하나는 그들이 죽은 이를 묻었기 때문입니다.

지층을 읽는 법

퇴적물은 층층이 가라앉아 쌓이는데, 이 층을 지층(strata)이라고 부릅니다. 새로 생긴 층은 언제나 앞서 생긴 층 위에 놓입니다. 여기서 지층 누중의 법칙(law of superposition)이 나옵니다. 흐트러지지 않고 차곡차곡 쌓인 지층에서는 어느 층이든 그 아래에 있는 층보다 젊고, 그 위에 있는 층보다 오래되었습니다. 두 번째 규칙은 지층을 뚫고 들어온 암석에 관한 것입니다. 녹았던 암석이 지층을 가로질러 굳은 판 모양의 암맥은 자기가 자르고 지나간 모든 층보다 젊고, 그 위를 덮은 층보다는 오래되었습니다. 이것을 관입의 법칙이라고 합니다. 두 규칙 모두 몇 년 전인지는 알려 주지 않습니다. 알려 주는 것은 먼저와 나중의 순서뿐이고, 이렇게 순서를 정하는 일을 상대 연대 측정(relative dating)이라고 합니다.

화석 가운데 어떤 것은 특히 좋은 시계 노릇을 합니다. 표준 화석(index fossil)은 지질 시대 가운데 제한된 기간에만 살았지만, 그동안 넓은 지역에 퍼져 있던 생물의 화석입니다. 어떤 나라의 암석에서 나온 표준 화석이 멀리 떨어진 다른 곳의 암석에서도 나온다면, 지질학자는 그것을 보고 두 암석이 대략 같은 시기에 생겼다는 것을 압니다. 표준 화석은 캄브리아기, 데본기, 쥐라기처럼 이름이 붙은 상대적인 지질 시대표와 짝을 이룹니다.

몇 년 전인지 알아내기

몇 년 전인지를 숫자로 알려 주는 것은 방사성 원자입니다. 방사성 원자는 일정한 빠르기로 붕괴하기 때문입니다. 반감기(half-life)란 시료 속에 있는 모원자의 절반이 붕괴하는 데 걸리는 시간을 말합니다. 미국 지질조사국은 두 가지를 예로 듭니다. 하나는 반감기 45억 년으로 납-206이 되는 우라늄-238이고, 다른 하나는 반감기 13억 년으로 아르곤-40이 되는 칼륨-40입니다. 이렇게 느리게 가는 시계로는 오래된 화산암의 나이를 잽니다. 예를 들어 화석층 사이에 끼어 있는 용암류나 암맥이 그렇습니다. 탄소-14는 반감기가 5,730년입니다. 생물은 살아 있는 동안 탄소-14를 몸 안에 받아들입니다. 그래서 탄소-14는 비교적 가까운 과거의 나무나 뼈, 껍데기의 나이를 잴 때 씁니다. 반감기가 한 번 지나면 모원자가 절반 남고, 두 번 지나면 4분의 1, 세 번 지나면 8분의 1이 남습니다. 이렇게 재면 지구는 약 45억 년이 되었고, 그 시간의 80퍼센트 넘게 지난 뒤에야 복잡한 생물이 암석에 나타납니다.

두 무리 사이에 있는 화석

다윈의 이론이 맞다면, 두 무리의 특징이 섞여 있는 화석이 이따금 발견되어야 합니다. 시조새는 쥐라기 후기인 1억 4,900만~1억 4,500만 년 전 지금의 독일 땅에 살았습니다. 첫 골격은 1861년에 발견되었고, 이듬해인 1862년에 런던 자연사박물관이 사들였습니다. 지금도 「런던 표본」이라는 이름으로 그곳에 전시되어 있습니다. 시조새에게는 새처럼 깃털로 덮인 넓은 날개가 있었지만, 그와 함께 날카로운 이빨과 뼈로 된 긴 꼬리도 있었습니다. 오늘날 과학자들은 새를 공룡 가운데 지금까지 살아남은 한 갈래로 봅니다. 틱타알릭 로제(Tiktaalik roseae)도 그런 예입니다. 틱타알릭은 2004년 캐나다 북극 지방의 엘즈미어섬에서 발견된 3억 7,500만 년 전의 물고기로, 앞지느러미 안에 뼈와 관절이 있었습니다. 이 화석을 찾은 시카고 대학교 연구진에 따르면 틱타알릭은 최초의 네발 동물보다 약 1,200만 년 앞서 살았고, 네발 동물의 특징이 물고기에서 먼저 나타났다는 것을 보여 줍니다. 연구진은 이 화석을 우연히 찾은 것이 아닙니다. 알맞은 나이의 암석, 그 가운데서도 옛날에 얕은 개울이었던 곳의 암석을 골라 일부러 찾아다녔습니다.