다른 곳에선 수만년, 수십억년의 시간을 계산하며 과거를 캐는 사람들이 있다. 먼 과거에서 찾아온 화석과 유물의 연대를 추적하는 지질학·고생물학·고고학·인류학의 연대측정은 상상하기조차 어려운 먼 과거로 되돌아가 600만년 전 침팬지와 사람이 처음 갈라졌으며, 6500만년 전 공룡이 멸종했고, 39억년 전 원시생물이 출현했으며, 무려 45억6500만년 전 지구가 태어났음을 밝혀낸다. 먼 과거를 족집게처럼 집어내는 비결은 무얼까.

● 자연은 ‘시간의 기록’을 남긴다

“나이테가 나무의 나이를 기록하듯이 자연은 언제나 시간의 기록을 남깁니다. 분침과 시침이 일정하게 움직이듯이 자연엔 몇년, 심지어 수십억년마다 움직이는 시계가 숨겨진 채 존재하죠. 과학은 자연에서 그 시계를 발굴해 그동안 흐른 시간을 계산할 뿐이죠.”

권성택 연세대 교수(지구시스템과학과)는 “주검의 체온, 굳은 정도, 위의 음식물을 살핀 뒤 사망시각을 계산하는 것과 마찬가지로 연대측정학자는 자연에 존재하는 여러 단서를 통해 ‘지질학적 사건’이 처음 일어났던 시간을 찾는 것”이라고 말한다. 이런 점에서 연대측정 학자는 자연에서 일어난 지질학적 사건의 발생 시기와 상황 그리고 자연의 알리바이를 추적하는 수사관이기도 하다.

자연의 모든 것이 ‘수사’의 단서가 된다.

우형주 지질자원연구원 박사(책임연구원)는 “암석이나 흙은 물론 산호, 나무, 뼈, 도자기 등에서 적절한 방사성 동위원소를 얻을 수 있다면 시간 찾기는 시간문제”라고 말한다. 이융남 지질연 박사(선임연구원)는 “또한 깊은 땅속에서 발굴되는 수만, 수천만, 수억년 전 동물 이빨이나 꽃가루, 씨앗, 미생물은 모두 앞선 것과 뒤진 것의 진화과정의 시간 순서를 보여주기 때문에 연대를 추정하는 단서”라고 말한다.

● 방사성 동위원소는 ‘자연의 시계’

“모든 연대측정의 원리는 모래시계의 원리와 같다”고 이희권 강원대 교수(지질학)는 말한다. “추리를 해봅시다. 시간이 흐르면서 어떤 양이 일정하게 늘거나 줄어드는 성질이 있다면, 먼저 감소율과 증가율을 정확히 알아내고 그런 다음에 현재의 양과 변화율을 계산하면 지금까지 흘러온 시간도 셈할 수 있는 것이죠.”

이 교수가 간단한 퀴즈를 하나 던진다. ‘엄마가 사온 100개의 사과를 내가 날마다 아침에 하나, 저녁에 하나씩 먹어 지금 70개가 남았다면 엄마가 사과를 사온 날은 언제일까.’ 쉽게 ‘15일 전’이란 답을 셈할 수 있다.

방사성 동위원소 연대측정은 이런 단순한 원리를 극미량으로 존재하는 동위원소의 매우 복잡한 붕괴속도 계산에 적용한 것이다. 안정된 동위원소와 달리, 우라늄238·탄소14 등 방사성 동위원소들은 일정한 시간마다 붕괴해 다른 원소로 변하는 자연의 성질을 지니는데 이런 붕괴속도가 지구의 어떤 압력이나 온도에서도 늘 똑같기 때문에 “정확한 자연 시계” 구실을 한다.

이 가운데 탄소14는 유기물의 연대측정에 요긴하게 쓰인다. 진명식 지질연 박사(책임연구원)는 “지구의 모든 생물체는 살아 있는 동안 똑같은 비율의 탄소14 동위원소를 몸에 지니는데 숨을 멈춘 순간부터 붕괴하는 탄소14의 비율은 줄어들기만 한다”며 “탄소14가 얼마나 붕괴했는지를 알면 모든 생물체와 유기물이 어떤 시대의 것인지를 알 수 있다”고 설명한다. 이렇게 뼈와 머리카락은 물론, 옷가지·종이 등의 연대를 짐작할 수 있다. 그러나 탄소14 원소는 평균 5730년마다 양이 절반으로 주는 붕괴속도(반감기)를 지녀 거의 대부분이 붕괴해 사라지는 4만~7만년 전 유물에선 연대측정 방법으로 사용하기 어렵다.

수천만년, 수십억년 전의 사건을 추적할 땐 엄청나게 긴 반감기를 지닌 동위원소들이 쓰인다. 우라늄238의 반감기는 44억7천만년이며, 사마륨147은 우주 나이보다 긴 1060억년이나 된다. 권 교수는 “이들의 붕괴속도는 극미량의 붕괴를 오랜 동안 정밀하게 측정해 얻어진 것”이라며 “이미 확인된 방사성 동위원소들의 붕괴속도를 오래된 암석 안에서 붕괴하다가 현재 남은 동위원소의 양에 적용하면 그 암석이 처음 만들어진 때를 알 수 있다”고 말한다. 이런 식으로 지구의 나이 45억6500만년이 계산됐다.

● 이빨·꽃가루도 시간의 증거물

공룡 연구자인 이융남 박사는 공룡 화석·발자국과 같은 고생물학 연구 분야에서 종종 쓰이는 다른 연대측정법을 일러준다.

“한반도에서 공룡의 화석과 발자국을 찾는다고 칩시다. 먼저 공룡이 살았던 2억3천만년 전부터 6500만년 전의 중생대 지층을 찾아야 하겠고, 화석은 늘 퇴적층에서 발견되므로 옛 호숫가나 강가로 추정되는 곳을 탐사합니다.” 남한 지층 가운데 4분의 1이 중생대 지층이어서, 경상도를 비롯해 전국 곳곳에 이미 많은 공룡 발자국과 뼈화석, 공룡알들이 발견됐을 정도로 우리나라는 공룡 연구에 매우 좋은 환경이다.

“그런데 연구자가 공룡 화석이나 발자국의 흔적을 발견했다면, 이들의 생존 시기를 확인하기 위해선 주변에서 함께 발굴된 물고기나 식물 화석 등을 참고해야 합니다. 물론 용암이 굳은 암석이나 화산재가 같은 지층에서 발견된다면 동위원소 연대측정법으로 암석의 연대를 바로 얻을 수 있으니까 대단한 ‘행운’이겠죠.” 그는 “그런 행운이 없다면 함께 발굴된 여러 화석들을 통해 공룡 화석과 발자국의 연대를 추정한다”고 말한다. 꽃가루는 이렇게 시간의 퍼즐 맞추기를 할 때에 중요한 판단기준이 된다. “생식과 관련한 물질이나 기관은 매우 오랫동안 보존되는 특성이 있습니다. 수만년 전 볍씨가 지금 남아 있듯이 공룡 시대의 꽃가루도 화석으로 남아 당시 연대의 증거물로 이용되는 것이죠.” 이 박사는 “이런 꽃가루의 진화 순서만을 연구하는 연대측정의 학문분야가 따로 있을 정도”라고 말했다.

꽃가루 외에도 지구상에 가장 폭넓게 생존했던 설치류의 이빨도 신생대 지층의 연대를 짐작하는 데 널리 이용된다. 이빨은 다른 뼈와 달리 보존력이 뛰어난 ‘에나멜’로 덮여 고생물학과 고고학에서 중요한 시간의 증거물이 되고 있다.

과학적 연대측정이 남긴 영향과 관련해, 연세대 권 교수는 “우리의 과거를 캐려는 인류의 호기심은 수세기 동안 갖가지 연대측정법을 만들어냈으며, 무엇보다 정확한 ‘자연의 시계’로 꼽히는 방사성 동위원소 연대측정이 등장하면서 우리는 수십억년 전의 사건을 상상하고 이해할 수 있게 됐다”고 말했다. 오철우 기자 cheolwoo@hani.co.kr ⓒ 한겨레(http://www.hani.co.kr), 무단전재 및 재배포 금지