지구 진화 10단계, 미행성부터 박테리아까지

[vicfalls]

지구 진화 10단계, 미행성부터 박테리아까지

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『지구 이야기(오파비니아 11)』 로버트 M. 헤이즌(지은이)ㅣ김미선(옮긴이)ㅣ뿌리와이파리ㅣ2014

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오파비니아 시리즈 1~10

오파비니아 복원도
ⓒNobu Tamura

『지구 46억년의 고독』 마쓰이 다카후미(
지은이)ㅣ김원석(옮긴이)ㅣ푸른미디어ㅣ2000

태양계 소행성대 구조
ⓒNASA/ESA/STScI
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머치슨 운석
ⓒBasilicofresco
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1969년 호주 머치슨 인근에 떨어진 콘드라이트 유형의 운석으로 지구와 태양계가 생성되기 이전의 입자(Presolar grains)로 구성되어 있다.

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지구 형성 초기, 용암 바다

지구 형성 초기, 대기 중 수소 분자와 용암 바다간 상호작용
ⓒEdward Young and Katherine Cain

시간 변화에 따른 지구 판 구조 형성 과정ⓒBkilli1

테이아
거대충돌 가설에 등장하는 초기 태양계의 고대 행성으로 초기 지구와 충돌했다고 여겨진다. 테이아 가설을 채용할 경우, 지구가 크기에 비해서 핵이 큰 이유와 초기 달의 형성 과정에 대한 설명이 가능하다.

『지구 격동의 이력서, 암석 25(오파비니아 21)』 도널드 R. 프로세로(지은이)ㅣ김정은(옮긴이)ㅣ뿌리와이파리ㅣ2021

탄소 순환 과정ⓒDavid W. Capelle

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지구 대기의 산소 함량(지난 10억년)

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미행성 충돌로 생성된 초기 지구의 반지름이 커지면서 원시 대기와 용융 상태의 마그마 바다가 형성되었다. 용융 상태에서 중심부 철핵이 형성되고 표층이 굳어지면서 원시 대양을 만들었다.
출처: 『박문호 박사의 빅히스토리 공부』 박문호 지음ㅣ김영사, 2022
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지구 과학을 기본적으로 생명체가 출연하기 이전부터 확립을 해 보자. 생명체의 출연은 고생대 실루리아기 약4억년.
암석의 종류가 무엇이냐가 핵심 문제. 전문가들도 화강암 편마암 현무암 정도만 알 뿐. 광물이 모여서 암석을 이룬다. 4500 여종 광물이 있다. 광물의 파우더를 만들어 엑스레이 결정 분석으로 조성을 알 수 있다. X-ray diffraction 이라는 결정 구조를 분석하는 장비에 넣는다. 광물을 구성하는 원자 패턴이 그림자로 나오고 함량이 원소별로 분포 곡선을 그린다. 지구 45억년의 역사는 암석. 즉, 바위에 관한 이야기.
1990년. 지구 이야기와 오파비니아 시리즈로 광물학 전체를 보고 큰 획을 긋는 시기. 지금까지 지구 역사 5억년을 생물에 진화 과정으로 봤는데, 광물학자가 지구 전체 역사를 생물과 광물의 공진화 역사로 봇물을 열었다. 지구와 비슷한 행성. 화성의 광물은 600 종류가 다. 지구와 화성은 같은 돌덩어리 행성인데 화성은 600 종, 지구는 4500 종. 지구에서 가장 흔한 화강암이 태양계 어느 행성에서도 대규모로 발견 된 곳이 없다. 화강암은 지구라는 행성에만 있다. 혜성에는 대략 60 종의 광물.
지구의 4500 종 광물. 몇 가지예로 운모, 장석, 휘석, 감람석 등
장석, 운모, 석영이 결합한 암석을 화강암.
지구라는 행성에 생명이 이렇게 번성하게 된 결정적 요인이 광물이라는 것. 바다와 암석 중 현무암이 녹아서 물이 들어가면 화강암이 만들어진다. 대규모 물이 없으면 화강암은 만들어지지 않는다.
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01 지구형성 이전 수십억 년
탄생 - 지구의 형성
미행성 합체설 : 화성과 목성 사이 소행성대가 있다. 태양이 만들어지면서 지구도 만들어진다. 제주의 오름 ; 분출 하면서 화산재가 엉겨 붙어 형성. 콘드라이트가 모인 주먹 만한 것을 운석(석질 운석 95%, 철질 운석 5%) 콘드라이트 미행성을 만들었다. 콘드라이트는 presolar grains으로 태양이전 다른 별에서 온 것.
AGB별에서 카본과 산소를 많이 만든다. 소행성대에 수십 만 개 운석이 태양 주위를 돌다가 다른 천체나 중력의 영향을 받아 요동을 치다 궤도를 이탈. 지구로 들어오게 된다.
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02 지구나이 0~ 약 5,000만 살
대충돌 - 달의 형성
충돌한 베이비 지구는 액체 상태. 전부 마그마.
액체라 무거운 마그마는 중심으로 내려와 지구가 층상으로 분화 되었다.
테이아 가설 : 몰랑몰랑 지구가 화성만한 미행성(테이아)에 또 한번 충돌. 한방 맞고 지축이 23.5° 기울어짐으로 생명이 탄생.
테이아의 코어. 철 성분이 지구와 섞여서 중심으로 모이고 충돌한 파편들이 모여 달이 된다. 달의 코어에는 철 성분이 거의 없다. 따라서 유동화하는 철 성분이 없으면 자기장이 미약하다. 태양풍(양성자+전자)으로부터 보호를 못 해 폭격(bombardment) ,달 표면은 먼지 덩어리.
바위를 강한 철심으로 난도질 했다. 생각하면 된다.
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03 지구나이 5000만~1억 살
검은 지구 - 최초의 현무암 지각
지각(지구 껍질)이 생긴다. 45억년~40억년 사이 5억년간 대략1억년 후에 바다가 만들어졌다고 추정. 뜨거운 마그마 상태의 수증기는 대기 중에 있다가 지구가 쿨다운 되면서 구름의 형태. 어마어마한 폭우가 쏟아진다. 그러면서 지구 껍질은 딱딱하게 굳는다. 그 껍질이 현무암. 수증기가 바로 내려올 수도.,자외선을 받아 분해,수소는 우주로, 산소는 지구 표면을 산화시킬 수도 있는데 이 단계에 있는 행성이 금성이다.
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04 지구나이 1억-2억 살
파란 지구 - 대양의 형성
지구는 어떻게 바다가 만들어졌는가? 200 기압의 구름은 액체인데 이 액체가 650° 보다 높으면 기체로 바뀌는데 태양에서 지구는 금성보다 멀어 액체로 바뀌고, 비가 되어 바다가 만들어졌다. 골디락스 존.(habitable zone) 44억년부터 바다는 만들어졌다. 생명체가 존재할 수 있는 물이 있는.(45억년-40억년) 5억년에 걸쳐 지구 껍데기가 계속 만들어진다. 지구 껍데기가 만들어지려면 어마어마한 마그마가 바다에서 올라오고 상상초월 화산 활동,현무암질이 물을 만나 화강암으로. 지구 전체가 바다로 덮힌.산맥 없다, 대륙(화강암) 없다.
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05 지구나이 2억-5억살
잿빛 지구- 최초의 화강암 지각
39억년(45억년~ 39억년 ) 운석 극대기
운석이 떨어져, 집체만한 운석이 150° 산성바다. 1000m, 2000m(현재 평균 3600m) 바다의 현무암 밑바닥을 내리치고 녹아 현무암질 마그마가 형성. 물이 들어가 마그마 성질이 바뀌어 화강암이 만들어지며 솟아 섬이 만들어진다. 왜 솟는가. 화강암이 현무암보다 가벼워서.
90% 바다, 섬들이 모여 소대륙이 만들어진다(dominant가설)
대륙이 만들어졌다. 바다 밑은 해양판.
해양 지각(현무암)과 대륙 지각(화강암)이 생겼다.
대륙 지각은 화강암 해양지각은 현무암. 해양판이 무거워 대륙판 밑으로 들어간다. 그것이 섭입.
판 구조 이론이 지구과학. 물리학은 양자역학.
지구과학의 모든 것. 판 구조 이론 ; 분자 단위에서 대륙까지 모두 설명할 수 있는 유일한 것이 판 구조 이론
섭입(subduction)= 판구조 이론(plate tectonics)
해양판이 대륙판 밑으로 100km 들어가면 온도와 압력이 높아져 해양판(현무암)이 녹는다. 녹으면 액체 마그마가 가벼워 올라온다. 올라와서 백두산 밑에 마그마 챔버에 갇힐 수 있다. 녹은 현무암 해양판이 물과 만나 성질이 바뀌어 화강암질이 된다. 지구상 대부분 화강암은 이 현상으로 만들어진다. 처음에 운석이 떨어져 만들어진 화강암은 1%. 섭입에 의해 만들어진 화강암이 90% 이상.
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06 지구나이 5억~ 10억살
살아 있는 지구-생명의 기원
Anoxinic biological world대기 중에 산소가 없다. 산소 없는 상황의 생명체 ; 박테리아(원핵 세포)
대륙에 오존층이 없었다. 오존층이 없으면 자외선이 지구 표면까지 내려 온다. 자외선은 이중 결합 carbon을 쪼갠다. 생명체 포도당 여섯 개의 결합을 끊어 버린다. 생명체는 유기체, carbon의 연결인데.
오존층이 27억년 전 쯤 생긴다.
우리도 세포, 식물도 세포로.
우리는 썬크림, 식물도 썬크림과 같은 비타민 C로 자외선에 대한 방어벽을 만든다. 자외선을 방어하는 방패단백질 2가지의 결합에서 광합성이 출현(식물).
150° 산성 바다의 농도를 떨어뜨려야 하는데 대륙이 그 해결책 .대륙에 비가 내리고 화강암이.
깍여 나가고 빗물에 분해되어 석영, 장석, 운모의 화강암 중 장석이 녹아 세 종류 칼슘장석>나트륨장석, 칼륨장석이 바다로 흘러 들어간다.
바다는 탄산수(H2CO3산성) 칼슘이 결합, 탄산 칼슘(CaCO3), 석회암(무생물적 석회암, 중성화)
H2SO4 + Ca —-> CaSO4 (황산 칼슘, 석고)
몽마르뜨 아래 석고 광산
초기 대기에는 CO2가 20%, 바닷물에 산소보다 100배 잘 녹아 석회암으로 바뀐다. 질소는 그대로.
탄산으로 바뀐다.
최초 5억 년(bio weathering, bio mineralization)
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지구 45억 년의 역사는
이산화탄소가 대기와 대양과 대륙을 순환하면서 지구를 점차 안정시켜 가는 역사다
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07 지구나이 10억 ~ 27억살
붉은 지구 - 광합성과 산소급증사건
Great oxidation event(20억년)
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08 지구나이 27억~ 37억 살
‘지루한’ 10억년 -광물 혁명
Intermediate ocean(10억 년 중간바다)
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09 지구나이 37억~ 40억 살
하얀 지구 - 눈덩이 지구와 온실 지구의 순환
Snowball Earth
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10 지구나이 40억~ 45억 살
푸른 지구- 육상 생물권의 탄생