Formation of Silica-Containing Thrombolites: A Case Study of Visean Limestone in Fukushima Prefecture, Japan

고대의 파도 아래 깊은 곳에서, 생명체는 종종 뼈나 껍데기 그 이상의 흔적을 남기곤 합니다. 때때로 이들은 미생물암(microbialites)이라고 알려진, 박테리아와 조류라는 보이지 않는 공동체에 의해 구축된 암석을 남깁니다. 이러한 살아있는 구조물은 거대하고 층이 진 언덕으로 자라기도 하고, 쓰로몰로라이트(thrombolites)라고 불리는 덩어리진 스펀지 같은 덩어리를 형성하기도 합니다. 1세기 넘게 과학자들은 이 암석들을 연구하며 이들이 형성된 환경과 이를 구축한 미세한 유기체들을 이해하고자 노력해 왔습니다. 이 분야의 핵심 질문 중 하나는 어떻게 이 암석의 특정 부분들이 규질(silica), 즉 단단하고 유리 같은 물질로 채워지게 되었는가 하는 점이었습니다. 일부 연구자들은 고대 암석 속의 규질 층이 특정 유형의 규소 생성 유기체에 의해 직접 만들어졌다고 가정해 온 반면, 다른 이들은 이 층들이 암석이 매몰된 후 지표면의 화학적 변화를 통해 형성되었을 것이라고 의구로워했습니다. 이 차이를 이해하는 것은 매우 중요한데, 왜냐에 따라 지구 생명의 역사를 읽는 방식이 달라지기 때문입니다. 만약 규소가 나중에 추가된 것이라면, 그것은 특정 고대 생물의 직접적인 활동보다는 화학 반응의 이야기를 들려주는 것이 됩니다.

최근 한 연구에서 연구진은 이 수수께끼를 풀기 위해 일본 후쿠시마현의 특정 고대 석회암 패치를 조사했습니다. 그들이 연구한 암석은 약 3억 4천만 년 전, 지구가 대멸종으로부터 회복하며 새로운 형태의 산호초가 번성하기 시작하던 비제안(Visean) 시기의 것입니다. 연구팀은 산호와 다른 해양 생물의 화석을 포함하고 있는 것으로 유명한 다크 그레이 색상의 석회암인 다테이시(Tateishi) 층에 집중했습니다. 그러나 연구진은 커다란 화석들보다는 암석 자체의 미세한 질감에 더 주목했습니다. 그들은 이 석회암의 상당 부분이 매끄러운 층 대신 덩어리지고 울퉁불퉁한 질감을 특징으로 하는 미생물 암석의 일종인 쓰로몰로라이트라는 것을 발견했습니다. 이 덩어리 안에서 그들은 특이한 점을 발견했는데, 덩어리의 가장자리가 규질로 풍부하게 채워져 있었으며, 또한 일부 암석에는 흔히 "바보의 금"이라 불리는 광물인 황철석(pyrite)의 미세한 결정들도 포함되어 있었습니다.

이러한 특징들이 어떻게 형성되었는지 이해하기 위해, 팀은 수십 개의 암석 샘사를 수집하여 빛이 통과할 수 있을 정도로 아주 얇게 절단했습니다. 그런 다음 강력한 현미경과 화학 분석기를 사용하여 암석 내 원소의 분포를 지도화했습니다. 그들이 발견한 것은 명확한 패턴이었습니다. 덩어리 구조의 중심부는 석회암의 주성분인 칼슘이 풍able한 반면, 바깥쪽 가장자리는 규소(silicon)가 풍부했습니다. 이 규소는 때때로 최대 3밀리미터 두께의 뚜렷한 층을 형성하며 칼슘이 풍부한 핵을 둘러싸고 있었습니다. 연구진은 또한 미세한 황철석 결정들이 규소 층이 나머지 암석과 만나는 경계 지점에 주로 위치한다는 사실을 알아냈습니다. 이러한 특정한 배치는 규소가 유기체에 의해 직접 구축된 단단한 껍데기로 시작된 것이 아님을 시사했습니다. 대신, 증거는 이 과정이 암석이 매립된 후에 일어난 과정을 가리켰습니다.

연구진은 새로운 종류의 고대 유기체를 발명할 필요 없이 이러한 발견을 설명할 수 있는 일련의 사건 과정을 제안합니다. 그들은 이 덩어리 구조들이 미세한 석회화 조류와 박테리아 같은 미세한 유기체들의 밀집된 군집에서 시작되었다고 제안합니다. 이 유기체들이 죽고 그 잔해들이 퇴적물 아래에 매립됨에 따라, 덩어리 내부의 유기물은 분해되기 시작했습니다. 이 분해 과정은 산소를 소비하고 산을 방출하여, 암석의 미세한 구멍 속에 갇힌 물의 산성도를 낮추었습니다. 이러한 산도 저하는 주변의 석회암을 약간 용해시켜 더 많은 공간을 만들어냈습니다. 동시에, 화학적 변화는 물속에 녹아 있던 용존 규소가 고체화되어 용액으로부터 침전되도록 유었습니다. 이 규소는 분해되는 덩어리의 바깥쪽 가장자리에 가라앉아, 연구진이 관찰한 단단하고 유리 같은 테두리를 형성했습니다. 황철석의 존재는 저산소 환경에서 박테리아가 유기물을 분해할 때 황을 방출하여 철과 반응한다는 사실을 뒷받침하며, 이 이야기를 지지합니다.

연구팀은 또한 얇은 판 모양의 층과 산호 화석의 표면을 포함한 암석 내의 다른 구조물들도 조사했습니다. 두 경우 모두 연구진은 유사한 규질 층을 발견했습니다. 예를 들어, 산호 화석은 종종 규소로 된 얇은 껍질로 덮여 있었는데, 이는 원래의 산호 표면을 갉아먹은 듯한 모습이었으며, 이는 규소가 자리 잡기 전에 석회암이 먼저 용해되었음을 시사했습니다. 연구팀은 규소를 생성하는 규조류(diatoms)와 같이 당시에 존재하지 않았던 생물이나, 훨씬 더 얇은 층을 만들었을 박테리아의 끈적한 외벽에 의한 것이라는 생각을 배제했습니다. 대신, 증거는 이 규질 층이 원래의 미생물 공동체의 부패로 인해 형성된 화학적 피막이라는 점을 강력하게 시사합니다.

이 발견은 고대 암석을 바라보는 새로운 방식을 제공합니다. 이는 과학자들이 미생물 구조에서 규질 테두리를 볼 때, 특정 유형의 규소 구축 유기체가 존재했다고 자동으로 가정해서는 안 된다는 것을 시사합니다. 대신, 이러한 특징들은 유기물의 분해가 규소의 침전을 유발하는 흔한 화학적 과정의 결과일 수 있습니다. 이 메커니즘은 독특한 환경이나 특별한 그룹의 유기체를 필요로 하지 않습니다. 규소가 풍부한 물속에서 유기물이 부패하는 곳이라면 어디에서나 일어날 수 있습니다. 과학자들이 이 고대 암석들의 단단하고 유리 같은 부분 중 일부가 원래의 생물학적 청사진이 아니라 초기 화학적 변화의 결과임을 인식함으로써, 수백만 년 전 살았던 미생물 공동체의 진정한 역사를 더 잘 재구성할 수 있게 됩니다. 연구는 결론적으로, 이 고대 암석들의 복잡한 질감은 원래의 생명체와 매립 후에 뒤따른 화학 반응의 조합이며, 이는 암석의 이야기가 종종 생물학과 화학의 층위로 기록된다는 사실을 상기시켜 준다고 밝히고 있습니다.