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지구 101 고생대

캄브리아기 대폭발

— 2천만 년 만에 나타난 거의 모든 동물

5억 3,900만 년 전, 화석 기록에 갑자기 온갖 동물이 등장한다. 다윈을 괴롭혔던 이 사건은 정말 '폭발'이었을까? 무엇이 방아쇠를 당겼는지 추적한다.

101 · 지구 101LESSON 036

지구 101 036

오늘의 질문

다윈은 『종의 기원』에서 자기 이론에 치명적일 수 있는 문제를 하나 스스로 털어놓습니다. 캄브리아기 지층 아래에는 화석이 거의 없는데, 그 위에서는 갑자기 복잡한 동물이 쏟아져 나온다는 것이었죠. 점진적 진화라면 왜 중간 단계가 안 보일까요?

오늘의 수업

오늘의 학습 목표

증거의 한계 인식 — 안 보이는 것이 없는 것은 아니다 (4장)

다중 원인 분석 — 하나의 사건에 다섯 개의 방아쇠 후보 (3장)

모형의 수정 가능성 — 할루키게니아를 거꾸로 복원했던 일 (2장)

시간 규모 감각 — 2천만 년이 "짧다"는 말의 의미 (4장)

캄브리아기 대폭발 — 2천만 년 만에 나타난 거의 모든 동물

숫자로 보는 오늘

5억 3,900만

년 전 캄브리아기의 시작

약 2천만 년

대폭발이 진행된 기간

30억 년

그 전까지 생명이 보낸 시간

거의 전부

지금 동물문의 등장 시기

1. WHAT HAPPENED

무슨 일이 일어났나

지구의 나이는 46억 년, 생명이 등장한 것은 적어도 35억 년 전입니다. 그런데 그 긴 시간의 대부분 동안 지구의 생물은 단세포이거나, 아주 단순한 형태였습니다. 눈도 없고, 다리도 없고, 먹고 먹히는 관계도 뚜렷하지 않았습니다.

절지동물문 — 마디로 된 다리와 외골격 (곤충·새우·거미)
척삭동물문 — 등쪽에 지지대가 있는 몸 (물고기·개구리·사람)
연체동물문 — 부드러운 몸과 외투막 (조개·오징어)
극피동물문 — 다섯 방향 대칭 (불가사리·성게)

2. THE CAST

그때 무엇이 살았나

캄브리아기 바다에는 지금 기준으로 보면 기괴한 생물이 많았습니다. 현대 동물의 조상이면서도, 아직 익숙한 모습은 아니었죠.

아노말로카리스(Anomalocaris) — 몸길이 수십 cm에 이르는 당대 최상위 포식자. 처음 발견됐을 때는 몸의 각 부분이 따로 발견돼 세 종류의 다른 생물로 잘못 분류됐습니다. 앞의 갈고리 부속지는 새우로, 입은 해파리로, 몸통은 해면으로요.
할루키게니아(Hallucigenia) — "환각"이라는 이름이 붙은 벌레 모양 동물. 처음 복원할 때 위아래와 앞뒤가 모두 거꾸로였습니다. 가시를 다리로 착각했다가 나중에 뒤집었죠.
오파비니아(Opabinia) — 눈이 다섯 개, 앞에는 집게 달린 코 같은 부속지 하나. 학회에서 처음 복원도가 발표됐을 때 청중이 웃음을 터뜨렸다는 일화가 남아 있습니다.
피카이아(Pikaia) — 몸을 지탱하는 척삭을 가진 작은 동물. 척추동물 계통의 초기 친척으로 자주 언급됩니다.

3. TRIGGERS

왜 하필 그때였나 — 방아쇠 후보들

이것이 이 사건의 진짜 질문입니다. 30억 년 동안 잠잠하던 생명이 왜 갑자기 다양해졌을까요? 아직 하나의 정답은 없고, 여러 요인이 함께 작용했다고 봅니다.

산소 농도의 상승 — 몸집이 크고 활발히 움직이는 동물은 산소를 많이 씁니다. 특히 콜라겐(동물의 몸을 지탱하는 단백질)을 만들려면 산소가 필요합니다. 바다와 대기의 산소가 일정 수준을 넘기 전까지는 큰 동물 자체가 불가능했다는 설명입니다.
눈의 등장 — 볼 수 있게 되자 사냥이 가능해졌습니다. 포식자가 생기면 피식자는 껍데기·가시·빠른 도망을 발달시키고, 그러면 포식자는 더 강한 턱을 만듭니다. 군비 경쟁이 시작된 것입니다.
발생 유전자 도구상자 — 몸의 어느 위치에 무엇을 만들지 지시하는 Hox 유전자 같은 조절 시스템이 갖춰지자, 새로운 몸 설계를 시도하기 쉬워졌습니다. 부품이 아니라 조립 설명서가 생긴 셈입니다.
바다 화학의 변화 — 바닷물의 칼슘 농도가 오르면서 탄산칼슘 껍데기를 만들기 유리해졌다는 설명입니다. 껍데기가 생기면 화석으로도 훨씬 잘 남습니다.
눈덩이 지구 이후의 빈 무대 — 극심한 빙하기가 끝난 뒤 경쟁자가 적은 환경이 열렸고, 새로운 시도가 살아남기 쉬웠다는 설명입니다.

4. A MISLEADING NAME

"폭발"이라는 말의 함정

대중적으로 가장 오해가 많은 지점입니다. 짚고 갑시다.

확인 문제 1 / 6

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캄브리아기 대폭발에서 '폭발적으로 늘어난' 것은 정확히 무엇인가?

①지구 전체 생물의 개체 수
②현생 동물문(몸의 기본 설계도) 대부분의 등장
③육상 식물의 종류
④단세포 생물의 크기

정답 ② — 핵심은 개체 수가 아니라 '문(phylum)' 수준의 다양성입니다. 절지동물·척삭동물·연체동물 등 오늘날 동물을 나누는 큰 갈래 대부분이 이 시기에 화석 기록에 처음 나타납니다.

확인 문제 2 / 6

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'눈의 등장'이 대폭발의 방아쇠로 지목되는 이유는?

①광합성 효율이 높아졌기 때문
②볼 수 있게 되면서 포식이 가능해져 군비 경쟁이 시작됐기 때문
③눈이 있어야 껍데기를 만들 수 있기 때문
④눈이 산소를 직접 흡수하기 때문

정답 ② — 포식자가 생기면 피식자는 껍데기·가시·도주 능력을 발달시키고, 그에 맞춰 포식자도 강해집니다. 이 상호작용이 다양성을 빠르게 늘립니다.

확인 문제 3 / 6

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산소 농도 상승이 큰 동물의 등장에 필요했던 이유로 본문이 든 근거는?

①산소가 있어야 물이 만들어지기 때문
②몸을 지탱하는 콜라겐 합성에 산소가 필요하고, 활발한 활동에 많은 산소가 들기 때문
③산소가 바닷물의 염분을 낮추기 때문
④산소가 있어야 유전자가 복제되기 때문

정답 ② — 동물의 결합조직을 이루는 콜라겐 합성에 산소가 관여합니다. 또 크고 활동적인 몸은 대사량이 커서 더 많은 산소를 요구합니다.

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'캄브리아기 대폭발'이라는 이름에 대해 본문이 지적한 오해는?

①실제로는 1만 년 만에 끝났다
②약 2천만 년에 걸친 사건이며, 그 이전에도 생물은 존재했다
③캄브리아기가 아니라 오르도비스기의 사건이다
④동물이 아니라 식물에서 일어난 사건이다

정답 ② — 2천만 년은 지구 역사에 비해 짧을 뿐 절대적으로는 긴 시간입니다. 또한 직전 에디아카라기에도 생물이 있었고, 분자시계는 더 이른 분기를 시사합니다.

확인 문제 5 / 6

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몸의 각 부분이 따로 발견되어 세 종류의 다른 생물로 잘못 분류됐던 캄브리아기 최상위 포식자는?

①아노말로카리스
②피카이아
③삼엽충
④할루키게니아

정답 ① — 앞의 부속지는 새우로, 입은 해파리로, 몸통은 해면으로 각각 분류됐다가 나중에 하나의 동물임이 밝혀졌습니다.

확인 문제 6 / 6

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'폭발의 상당 부분은 화석 기록의 폭발일 수 있다'는 주장의 근거로 가장 적절한 것은?

①캄브리아기 지층이 다른 시대보다 훨씬 두껍기 때문
②껍데기 같은 단단한 부분이 생기기 전에는 화석으로 거의 남지 않기 때문
③캄브리아기 화석만 특별히 잘 보존되는 광물로 되어 있기 때문
④그 이전 지층이 모두 침식되어 사라졌기 때문

정답 ② — 부드러운 몸은 화석이 되기 극히 어렵습니다. 따라서 '이 시기에 처음 나타났다'가 아니라 '이 시기부터 기록에 남기 시작했다'일 가능성이 큽니다.

마무리 확인

오늘의 정리 — 생각해보기

분자시계는 동물 갈래가 캄브리아기보다 더 일찍 갈라졌다고 하고, 화석은 캄브리아기에 갑자기 나타났다고 합니다. 두 증거가 다를 때 과학자는 어느 쪽을 믿어야 할까요? 둘 다 맞을 수 있는 시나리오를 하나 만들어 보세요.

3장의 방아쇠 다섯 가지 중, "이것이 없었다면 나머지도 소용없었을" 하나를 고른다면 무엇일까요? 고른 이유를 다른 네 가지와의 관계로 설명해 보세요.

캄브리아기 이후로는 새로운 동물문이 거의 등장하지 않았습니다. 종은 계속 늘었는데 왜 "기본 설계도"는 더 안 늘었을까요? 이미 자리를 차지한 설계도가 있다는 사실이 신규 진입을 어떻게 막을지 생각해 보세요.

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