Taphonomic Patterns of Elemental Enrichment: Synchrotron X-ray Fluorescence of Diverse Fossils From Multiple Konservat-lagerstätten, Extant Organisms, and Artificial Maturation Experiments
본 연구는 방사광 X선 형광 분석법을 활용하여 화석의 원소 조성은 원래의 조직 화학 성분보다는 속성 작용 및 퇴적물과의 상호작용에 의해 주로 결정된다는 점을 입증하며, 이는 검출된 대부분의 원소 신호가 외생적임을 나타내고 조직 특이적 표지를 식별하려는 시도는 반드시 지질학적 형성 과정을 엄격히 통제해야 함을 시사한다.
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지구상의 생명체 역사를 이해하기 위해 과학자들은 종종 화석에 주목한다. 이 보존된 유해는 단순한 돌 형태 그 이상이다. 이론적으로 한때 걷고, 헤엄치고, 혹은 날아다녔던 생명체의 화학적 지문을 담고 있는 타임캡슐이다. 수십 년 동안 연구자들은 이 화학적 신호를 읽어내어 고대의 식단, 환경, 심지어 멸종한 동물의 색깔까지 알아내기를 희망해 왔다. 이 분야의 핵심 아이디어는 구리나 아연과 같은 특정 원소가 깃털과 피부에 어두운 색을 부여하는 멜라닌과 같은 특정 생물학적 분자에 달라붙을 수 있다는 것이다. 만약 이 금속들이 수백만 년의 매립과 암석 형성 과정을 거치며 살아남는다면, 그것들은 원래의 색소가 정확히 어디에 위치했는지를 알려주는 신뢰할 수 있는 표식 역할을 할 수 있다. 그러나 살아있는 동물에서 화석으로 가는 여정은 길고도 혼란스럽다. 죽음 이후, 사체는 부패하고, 퇴적층 아래에 묻히며, 엄청난 열과 압력을 받는다. '타포노미(taphonomy, 화석화 작로)'라고 알려진 이 과정 동안, 주변 토양에서 미네랄이 스며들거나 불안정한 유기물이 분해됨에 따라 유해의 화학 성분은 급격하게 변할 수 있다. 여기서 핵심적인 질문은 다음과 같다. 우리가 특정 금속이 풍부한 화석을 발견했을 때, 우리는 그 동물의 원래 화학 성분을 보고 있는 것인가, 아니면 그것을 묻었던 암석의 화학 성분을 보고 있는 것인가?
한 연구팀은 다양한 종류의 화석, 현대 동물, 그리고 실험실에서 만든 '합성 화석'의 원소 구성을 조사함으로써 이 질문에 답하고자 했다. 그들은 고대 강바닥에서부터 석회암 채석장에 이르기까지 세계의 다섯 유명 화석 산지에서 표본을 수집하였으며, 곤충, 식물, 물고기, 그리고 새를 조사했다. 어떤 원소들이 존재하는지 확인하기 위해 그들은 '싱크로트론 X선 형광 분석법(synchrotron X-ray fluorescence)'이라는 강력한 도구를 사용했다. 이 기술은 초정밀 스캐너처럼 작동하여, 시료에 고에너지 X선을 쏘아 내부의 원자들이 고유한 빛을 내게 함으로써 정확히 어떤 원소가 어떤 양으로 존재하는지를 밝혀낸다. 복잡한 데이터를 해석하기 위해, 과학자들은 이 고대 화석들을 오늘날의 살아있는 새의 신선한 깃털과 같은 현대의 대응물뿐만 아니라 일련의 실험들과도 비교했다. 이 실험에서 그들은 현대의 깃털, 곤사, 잎을 점토로 감싼 뒤, 자연적인 화석화 과정을 모사하기 위해 높은 열과 압력을 가했다. 이를 통해 과학자들은 수백만 년의 부패와 지하수의 상호작용이라는 복잡한 변수 없이, 실험실 환경에서 매립될 때 동물의 화학 성분이 어떻게 변하는지 관찰할 수 있었다.
이 방대한 연구의 결과는 명확하면서도 다소 놀라웠다. 연구진이 화석의 원소 구성을 분석했을 때, 존재하는 원소들은 그 화석이 발견된 특정 암석층에 의해 거의 전적으로 결정된다는 사실을 발견했다. 한 고대 호수에서 발견된 새 화석은 현대의 살아있는 새와 닮기보다는, 같은 호수에서 발견된 고대 물고기 화와 화학적으로 더 유사했다. 실제로 화석의 화학적 구성은 원래의 살아있는 조직보다 주변의 진흙이나 돌에 더 가까운 경우가 많았다. 연구는 현대의 조직이 화석화 과정 중에 특정 원소에 의해 수십 배에서 수백 배까지 농축되거나 결핍될 수 있음을 보여주었다. 예를 들어, 화석들은 현대의 대응물보다 구리, 아연, 철과 같은 금속 농도가 훨씬 높게 나타났는데, 이는 이 원소들이 동물로부터 보존된 것이 아니라 환경으로부터 추가되었음을 시사한다. 반대로, 특정 단백질에 포함된 황과 같이 살아있는 조직에서 발견되는 일부 원소들은 완전히 소실되기도 했다.
실험은 왜 이런 현상이 발생하는지에 대한 결정적인 단서를 제공했다. 과학자들이 열과 압력만을 이용해 실험실에서 현대의 조직을 숙성시켰을 때, 생성된 '합성 화석'은 실제 화석보다 원래의 살아있는 조직에 훨씬 더 가까운 화학적 프로필을 유지했다. 합성 화석은 실제 화석에서 보이는 극단적인 원소 구성의 변화를 보이지 않았다. 이는 자연 화석에서의 극적인 화학적 변화가 단순히 시간 경과에 따른 열과 압력에 의해 발생하는 것이 아님을 시사한다. 대신, 이러한 변화는 부패, 미생물의 활동, 그리고 퇴적물을 통과하는 미네랄이 풍부한 지하수의 흐름이라는 복잡한 상호작용에 의해 주도된다. 이 연구는 환경이 마치 도장처럼 작용하여 유해 위에 자신의 화학적 신호를 찍어낸다는 것을 보여준다. 비록 일부 미량 원소들이 매우 안정적인 유기 구조에 단단히 결합되어 있다면 살아남을 수도 있겠지만, 화석의 전반적인 화학적 모습은 매립지의 지질학적 특성에 의해 지배된다.
이 발견의 가장 중요한 함의 중 하나는 고대의 색을 찾는 작업과 관련이 있다. 한동안 과학자들은 화석 깃털에서 구리나 아연을 발견하는 것이 해당 동물이 멜라닌 색소를 가졌다는 증거라고 제안해 왔다. 본 연구는 이 아이디어에 직접적으로 도전한다. 연구진은 이 금속들이 멜라닌에 특이적인 것이 아니라, 멜라닌을 전혀 포함하지 않는 식물 섬유나 곤충 껍질을 포함한 매우 다양한 유기 물질에 결합(킬레이트화)될 수 있다는 것을 발견했다. 더욱이, 이 금속들은 동물이 죽은 후 한참 뒤에 지하수가 암석을 통해 운반해 오면서 유해에 달라붙을 수도 있다. 연구는 화석에서 구리나 아연을 발견하는 것만으로는 멜라닌의 존재를 주장하기에 충분한 근거가 되지 못한다고 결론짓는다. 화석의 화학적 신호는 생물학적 스냅샷이라기보다는 주로 그 매립 역사의 기록이다. 비록 일부 원래의 화학적 신호가 생존할 가능성은 남아 있으나, 그것들은 보존을 담당한 암석의 압도적인 영향력에 의해 심하게 가려진다. 고대 생물의 진정한 생물학을 이해하기 위해서, 과학자들은 이제 각 화석을 형성한 특정 지질학적 조건을 반드시 고려해야 하며, 돌 자체가 화학적 이야기의 상당 부분을 다시 써 내려갔음을 인식해야 한다.
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