Ep26 생명의 진화(9): 석탄기(고생대)

인공지능이 들려주는 과학이야기

26.1. 지구의 생태환경

석탄기는 약 3억 5,900만 년 전부터 2억 9,900만 년 전까지의 시기로, 지구 역사상 가장 중요한 변화가 일어난 시대이다. 이름에서 알 수 있듯이, 이 시기 지구에 대규모의 석탄층이 형성되었다.

데본기부터 시작된 대륙의 충돌이 계속되면서, 현재의 북아메리카와 유럽이 합쳐진 유라메리카 대륙과 남반구의 곤드와나 초대륙이 충돌하여 판게아(Pangaea)라고 불리는 초대륙의 형성이 가속화되었다. 이로 인해 거대한 산맥들이 형성되었다. 석탄기 전반은 따뜻하고 습한 기후가 특징이었다. 해수면이 높았고, 대륙에 광범위한 열대 습지가 존재하였다. 이 습지들은 거대한 식물이 자라기에 이상적인 환경을 제공하였다. 그러나 석탄기 말기에는 빙하기가 시작되어 남반구의 곤드와나 대륙 일부가 빙하로 덮이기도 하였다.

석탄기 식물은 지구의 모습을 완전히 바꾸었다. 덥고 습한 기후와 높은 이산화탄소 농도 덕분에 석송류, 쇠뜨기류, 양치식물이 거대한 나무로 진화하여 지구 곳곳에 울창한 숲을 형성하였다. 이들은 높이 30m 이상 자랐다. 이 시기에 나무를 분해하는 미생물이나 균류가 충분히 발달하지 못하여, 죽은 식물들이 완전히 썩지 않고 그대로 퇴적되었다. 이 퇴적물은 오랜 시간 동안 열과 압력을 받아 석탄으로 변하였다.

석탄기 지구의 모습

석탄기의 울창한 숲

식물의 폭발적인 성장으로 인해 대기 중 산소 농도가 현재의 약 1.5배인 30%까지 높아졌다. 이 높은 산소 농도는 동물, 특히 절지동물의 크기 성장에 영향을 미쳤다. 석탄기 초기와 말기는 기후, 지형, 생물군에서 뚜렷한 차이가 있다. 전반적으로 따뜻하고 습했던 초기와 달리, 말기에는 빙하기가 시작되며 지구 환경에 큰 변화가 일어났다. 석탄기 후기에는 거대한 석탄 숲이 절정에 달했으나, 기후가 급격히 변화하며 빙하기가 시작되었다.

대륙들이 충돌하여 초대륙 판게아(Pangaea)가 형성되면서 지형이 변하고, 기후가 점차 추워져 대규모 빙하기가 시작되었다. 이는 해수면을 낮추고 습지를 감소시켰다. 석탄기 말의 빙하기로 해수면이 낮아지면서, 바다 생물군이 큰 변화를 겪었다. 암모나이트와 같은 두족류가 번성하였다.

메가네우라와 거대 지네

석탄기 최초의 파충류

석탄기 말기의 빙하기

25.2 육상 생태계

25.2.1. 육상동물

석탄기의 육상 동물은 높은 산소 농도와 풍부한 숲 덕분에 크게 번성하고 진화하였다. 데본기에 육지로 진출한 양서류는 석탄기에 다양하게 분화하며 번성하였다. 이들은 여전히 물에 의존하여 번식하였지만, 다양한 크기와 형태를 갖추며 숲과 습지의 지배적인 척추동물이 되었다.

석탄기 중반에 최초의 파충류가 나타났다. 파충류는 양막란을 통해 물에서 완전히 벗어나 육상 생활에 적응할 수 있었다. 이들의 등장으로 척추동물은 육지의 더욱 건조한 환경까지 서식지를 넓힐 수 있었다.

석탄기의 높은 산소 농도 덕분에 절지동물은 거대한 크기로 진화하였다. 메가네우라(Meganeura): 날개폭이 75cm에 달하는 거대한 잠자리로, 공중의 주요 포식자였다. 아르트로플레우라(Arthropleura): 몸길이가 2.6m에 이르는 거대 지네로, 초식 동물이었다.

석탄기의 육상 동물은 울창한 숲에서 새로운 생태계를 구축하였다. 양서류와 파충류는 숲의 포식자로 활동하였고, 거대 절지동물은 공중과 지상에서 각각 다른 생태적 지위를 차지하였다. 이러한 생물들의 번성은 석탄기 숲이 제공하는 풍부한 먹이와 높은 산소 농도에 의해 가능하였다.

￭ 양서류

석탄기는 양서류가 육상 환경에 성공적으로 정착하고 다양하게 번성한 시기이다. 이들은 습한 기후와 풍부한 숲을 기반으로 다양한 형태로 진화하였다. 석탄기의 양서류는 데본기 양서류보다 육상 생활에 더 잘 적응하였다. 이들은 폐를 발달시키고, 다리가 몸의 하중을 더 잘 지탱할 수 있도록 진화하였다. 이들은 크기와 형태가 다양해지면서, 숲과 습지에서 포식자 또는 초식동물로 다양한 생태적 지위를 차지하였다. 주요 양서류로는 다음과 같은 것들이 있다.

석탄기의 양서류

• 히일로노무스 (Hylonomus): 석탄기 초기에 나타난 작은 양서류이다. 몸길이가 약 20cm 정도이며, 곤충을 잡아먹고 살았다. 히일로노무스는 나무 그루터기 화석에서 발견되어, 초기 숲 생태계에 적응했음을 보여준다.

• 안트라코사우루스 (Anthracosaur): 석탄기를 대표하는 양서류 그룹으로, 현재 파충류의 조상으로 여겨지는 동물이다. 이들은 육상 생활에 더 잘 적응하여, 파충류로 진화하는 데 중요한 역할을 하였다.

• 카스토로사우루스 (Castorosaurus): 몸길이가 2m에 달하는 거대한 양서류로, 악어와 유사한 형태를 하고 있었다. 주로 습지나 강가에서 물고기를 사냥하며 살았다.

히일로노무스 (Hylonomus)

안트라코사우루스 (Anthracosaur)

카스토로사우루스(Castorosaurus)

￭ 파충류

안트라코사우루스와 같은 일부 양서류는 양막란을 낳는 능력을 발달시켜 물에서 완전히 벗어난 최초의 파충류로 진화하였다. 석탄기의 파충류는 육상 척추동물 진화의 중요한 이정표이며, 양서류에서 진화하여 육지 생활에 완전히 적응하였다.

석탄기 중기에 나타난 파충류는 양서류의 한 갈래에서 진화하였다. 이들은 양서류가 물에서만 번식할 수 있었던 한계를 극복하였다. 이 시기에 나타난 히일로노무스 (Hylonomus)는 현재까지 알려진 가장 오래된 파충류이다. 몸길이는 약 20cm 정도이며, 곤충을 먹고 살았다. 히일로노무스 화석은 석탄기 숲의 나무 그루터기 안에서 발견되는데, 이는 이들이 육상 환경에 완전히 적응했음을 보여준다.

파충류가 양서류와 구분되는 가장 중요한 특징은 바로 양막란의 발달이다. 양막란(Amniotic Egg)은 단단한 껍질과 내부의 여러 막을 가지고 있어, 건조한 환경에서도 알 속의 배아를 보호하고 발달시킬 수 있다. 이 덕분에 파충류는 물가에서 멀리 떨어진 육지에서도 번식할 수 있게 되었다. 파충류는 건조한 공기에서 수분 손실을 줄이는 딱딱한 비늘이나 비늘 같은 피부를 발달시켰고, 보다 효율적인 폐 호흡을 통해 육지 생활에 적응하였다.

이러한 적응을 통해 파충류는 석탄기 말의 건조한 기후 변화에도 살아남을 수 있었으며, 다음 시대인 페름기에 크게 번성하는 기반을 다졌다.

￭ 절지동물

석탄기에는 양서류와 파충류 외에도 거대하게 진화한 절지동물이 육상 환경을 지배하였다. 높은 산소 농도와 풍부한 숲이 이들의 성장에 큰 영향을 미쳤다.

• 메가네우라(Meganeura): 날개폭이 75cm에 달하는 거대한 잠자리의 조상이다. 높은 산소 농도 덕분에 몸집이 커질 수 있었으며, 공중의 주요 포식자로 활동하였다. 높은 산소 농도가 곤충의 호흡 시스템인 기관(tracheae)을 통해 산소를 효율적으로 공급하여 이처럼 큰 몸집을 유지할 수 있었다.

• 아르트로플레우라(Arthropleura): 몸길이 2.6m에 이르는 거대한 지네와 유사한 동물이다. 이들은 육상 생태계에서 초식동물 역할을 하였다.

• 팔레오딕티오프테라(Palaeodictyoptera): 오늘날의 날개 달린 곤충의 조상 중 하나로, 긴 입을 가지고 식물의 즙을 빨아 먹었다.

팔레오딕티오프테라(Palaeodictyoptera)

석탄기에는 식물의 폭발적인 성장으로 대기 중 산소 농도가 현재의 약 1.5배인 30%에 달하였다. 곤충의 호흡은 확산에 의존하기 때문에, 높은 산소 농도는 몸집이 커지는 데 유리한 환경을 제공하였다. 석탄기의 곤충은 초식동물로서 식물 생태계의 주요 소비자가 되었고, 일부는 포식자로서 생태계의 균형을 유지하는 역할을 하였다.

25.2.2. 육상식물

석탄기는 “숲의 시대”이다. 석탄기의 숲은 지구 역사상 최초의 거대한 숲으로, 오늘날의 숲과는 전혀 다른 모습을 하고 있었다. 이 숲은 지구의 대기 구성과 환경에 중대한 영향을 미쳐, 오늘날의 석탄층을 형성하였다.

석탄기 숲은 주로 포자 식물들로 이루어져 있었다. 오늘날처럼 꽃을 피우고 씨앗으로 번식하는 식물은 드물었고, 대신 거대한 크기로 자란 석송류, 쇠뜨기류, 양치식물이 숲을 지배하였다. 이 시대의 주요 식물들은 다음과 같다.

• 석송류: 오늘날의 작은 석송과 달리, 높이 30m가 넘는 거대한 나무로 자랐다. 레피도덴드론(Lepidodendron)과 실라리아(Sigillaria)가 대표적이다.

• 쇠뜨기류: 높이가 20m에 달하는 칼라미테스(Calamites)가 대표적인 쇠뜨기류이다.

• 양치식물: 거대한 나무처럼 자라 나무고사리를 형성하였다.

석탄기의 숲

이 숲은 매우 습한 환경에서 자랐으며, 대부분이 늪지대를 이루고 있었다. 이는 높은 습도, 높은 산소 농도, 낮은 분해율 때문이었다. 석탄기 숲의 가장 중요한 결과는 바로 석탄층의 형성이다. 늪지에 퇴적된 식물 사체들이 오랜 시간 동안 열과 압력을 받아 탄소 성분이 농축되면서 오늘날의 석탄이 되었다. 지구의 주요 석탄 매장량 대부분이 이 시기에 형성된 것이다. 데본기 말에 출현한 종자식물은 석탄기에 계속해서 진화하였다. 종자식물은 포자로 번식하는 다른 식물들과 달리 씨앗을 통해 번식하여 건조한 환경에서도 생존할 수 있었다.

칼라미테스(Calamites) 숲

이러한 식물들은 지구 환경에 중대한 영향을 미쳤다. 석탄기 숲을 이루는 식물들의 사체가 습지에 쌓여 썩지 않고 퇴적되었다. 이 퇴적물은 오랜 시간 동안 압력과 열을 받아 오늘날 우리가 사용하는 석탄으로 변하였다. 식물의 광합성 활동으로 인해 대기 중의 이산화탄소 농도는 크게 낮아지고, 산소 농도는 증가하여 지구의 기후가 변화하는 데 기여하였다.

25.3. 해양생태계

25.3.1. 해양동물

석탄기의 바다에는 데본기 말 대멸종을 거쳐 살아남은 생물들이 다시 번성하였다. 어류는 여전히 주요 포식자였으며, 무척추동물도 다양하게 존재하였다.

￭ 척추동물 (어류)

• 경골어류(Bony Fishes): 데본기에 출현한 경골어류는 석탄기에 다양한 형태로 분화하며 바다의 주요 구성원이 되었다.

• 연골어류(Cartilaginous Fishes): 상어와 가오리의 조상들이 번성하였다. 이들은 데본기 말의 대멸종에서 살아남아 해양 생태계의 주요 포식자 역할을 유지하였다.

• 총기어류(Lobe-finned Fishes): 육지 척추동물인 양서류의 조상인 총기어류는 여전히 바다에 존재하였다.

경골어류

연골어류

총기어류

￭ 무척추동물

• 유공충(Foraminifera): 석탄기 바다에서는 미세한 단세포 생물인 유공충이 특히 번성하였다. 이들은 거대한 석회암 지층을 형성하였다.

• 두족류(Cephalopods): 암모나이트와 같은 두족류가 다양하게 진화하였다.

• 삼엽충(Trilobites): 데본기 대멸종 이후 쇠퇴하였지만, 여전히 일부 종이 바다에 남아 있었다.

• 극피동물(Echinoderms): 바다나리라고도 불리는 해백합(Crinoids)이 바닷속에 숲처럼 군락을 이루며 번성하였다.

• 완족류(Brachiopods): 해안가 얕은 바다에 서식하며 풍부하게 존재하였다.

완족류

이 시기에는 대형 해양 동물들이 많이 나타난다. 상어의 일종인 헬리코프리온(Helicoprion)은 나선형 이빨을 가지고 있으며, 몸길이가 최대 10~13m에 달했을 것으로 추정된다. 헬리코프리온 외에도 다양한 상어류가 번성하였으며, 그 크기는 종에 따라 다양하였다.

헬리코프리온

석탄기에도 바다전갈(Eurypterids) 일부 종이 존재하였는데, 이들의 몸길이는 1m를 넘는 경우도 있었다. 또 팔레오스퀼라(Paleosquilla)는 길이가 1.3m에 달하는 거대한 갑각류로, 새우와 유사한 형태를 하고 있었다. 이러한 동물들은 석탄기 바다 생태계에서 주요 포식자 역할을 하였다.

25.3.2. 해양식물

석탄기의 해양 식물은 주로 해조류와 원시적인 조류였다. 육상 식물이 크게 번성했던 것과는 대조적으로, 해양 환경은 데본기와 큰 변화 없이 해조류와 미세 조류가 생태계의 주요 생산자 역할을 하였다. 주요 해양 식물은 다음과 같다.

• 녹조류: 오늘날의 녹조류와 유사한 해양 식물들이 존재하였다.

• 갈조류: 일부 갈조류도 이 시기에 나타나 해양 생태계에 기여하였다.

• 미세 조류: 규조류, 편모조류 등과 같은 미세한 단세포 조류들이 번성하여 해양 먹이 사슬의 가장 아래를 구성하였다.

석탄기는 육상에서 거대한 숲이 형성되었지만, 바다에서는 식물들이 육상에서처럼 극적인 크기로 진화하지는 않았다. 육상 식물과는 달리, 해양 식물은 주로 물에 떠다니거나 해저에 붙어 사는 형태로 존재하였다.

석탄기의 해양식물