고대 하등생명체가 만든 석회암 – 캘사이트(calcite)

석탄과 석유는 자연(自然)이 준 천연자원이다. 화석연료(fossil fuel)라 불리는 이들은 고대의 수목과 하등생물에 의해 생겨났다. 현대의 모든 건축물 건조에 사용되는 시멘트와 대리석은 탄산칼슘(CaCO₃)이 주성분인 석회석 또는 캘사이트(calcite 방해석方解石)라 불리는 암석이다. 일반적으로 잘 인식하지 않고 있지만, 알고 보면 지구상에서 채굴되는 모든 석회석과 대리석은 석회생물(lime organism)이라 불리는 고대의 생명체들이 만들어 퇴적해놓은 화석화된 암석 자원이다.​

고대로부터 지금까지, 건축 현장에서 가장 대량 사용되는 자재가 있다면 피라미드를 건축한 대리석과 콘크리트의 원료인 석회암으로 만든 시멘트일 것이다. 이 두 가지 자재가 없다면 무엇이 이들만큼 풍부히 존재하고, 가공하기 쉬우며, 강도와 내구성이 좋을까?

석회암은 수성암으로 분류된다. 석회암의 성분은 고대 생명체들의 외피와 골격을 형성하던 탄산칼슘이 퇴적된 것이다. 그러므로 석회암 역시 화석암석자원이라 불러도 마땅할 것이다. 화석암석(fossil stone)이라고 하면, 고대 생명체가 매몰되어 있는 바위를 의미하므로, 화석화된 암석자원을 의미하는 국제적 전문용어는 아직 없는 것 같다.​

미생물은 단세포이거나 수적으로 많지 않은 세포 덩어리 같은 하등한 생명체이다. 석유는 그러한 미소 생물의 세포 내용물인 세포질(원형질)이 고열과 고압의 작용에 의해 석유로 변화되었다. 반면에 그러한 미소 생물의 세포벽(cell wall) 또는 외피(外皮 껍데기)가 퇴적하여 형성된 것이 화석화된 암석자원(캘사이트)이다. 미소 생물은 지구상에 먼저 태어났고 어디에서나 무수하게 번성해왔다.

​담수이든 해수이든 물에는 규조(硅藻 diatom)라 불리는 단세포식물이 무한히 번성하고 있다. 대기층에 공급되는 모든 산소량의 20-50%가 규조의 광합성 작용에 의해 공급된다는 것을 알고 나면, 그들이 바다에 얼마나 많이 살며, 얼마나 중요한 생명체인지 새삼스럽게 느껴진다.

물에는 다양한 형태를 가진 수많은 종류의 규조가 산다. 그들은 대표적인 식물성 플랑크톤이다. 규조라고 부르는 것은 세포벽 성분이 모래의 성분인 규소(硅素 silicon)인 종류가 대부분이기 때문이다. 규조는 단세포이거나 소수가 서로 덩어리(colony)를 이루고 있다. 크기가 2-20μm에 불과하지만, 현재 바다에 사는 규조의 양을 전부 합하면, 모든 해양동물과 식물 전체를 합한 양(생물량 biomass)의 절반을 차지한다. 그들이 세포벽을 만드느라 1년 동안에 물에서 흡수하는 규소의 양은 매년 약 67억 톤이라고 한다.​

규조의 세포벽을 전자현미경으로 보면 기하학적 모습이 다양하다. 규조의 세포벽은 규소만으로 이루어진 것이 아니라 석회석이 주성분인 종류도 많다.​

생체가 만드는 광물질

유공충(有孔蟲 foraminifera)이라고 불리는 단세포의 하등동물을 비롯하여 산호, 해면, 조개, 굴, 소라, 새우, 게 등의 껍데기 성분은 모두 탄산칼슘이다. 탄산칼슘이 주성분인 암석을 방해석(캘사이트)이라 부른다. 동물의 뼈, 이빨, 생선 비늘 역시 대량의 탄산칼슘이 포함된 캘사이트이다. 생명체의 몸에서 만들어지는 무기물질을 ‘생물광물질’(biomineral 바이오미너럴)이라 부르며, 생물광물질이 생성되는 것을 생물광물질화(biomineralization)라 한다.​

생명체 내에서 합성되는 생물광물질(생광물) 종류는 여러 가지이다. 그중에 가장 대표적인 생광물이 캘사이트이고, 규산(SiO₂) 또는 인산(PO₄) 외에 Fe₃O₄와 같은 철이 포함된 것도 있다. 식물의 광합성을 주관하는 엽록소 분자의 중심과 적혈구의 헤모글로빈 분자에도 생광물인 철이 포함되어 있다. 곰팡이 종류 중에는 (NH₄)₂CO₃, CuCl₂를 합성하는 것이 알려져 있다.

하등동물인 유공충의 껍데기는 탄산칼슘이 주성분이다. 바다의 모래나 개펄을 현미경으로 조사하면 이런 유공충을 대량 발견할 수 있다. 유공충은 그들의 껍데기에 구멍이 많기 때문에 붙여진 이름이다. 그들의 크기는 대개 1mm 이하이지만 20cm나 되는 종류도 있다. 지금까지 화석으로 약 40,000종, 현존(現存)하는 것이 약 10,000종 알려져 있다.​

조개, 굴, 소라 등(연체동물)의 부드러운 몸을 보호하는 껍데기는 단단한 캘사이트이다. 이런 캘사이트가 수억 년 동안 해저에 두껍게 쌓이면 압력과 열에 의해 석회암이 된다. 석회암(limestone) 중에 특히 단단하고 불순물이 적게 포함된 것이 대리석(marble)이다.

해면 종류 중에는 사진과 같이 특이한 형태를 가진 것도 있다. 이들의 주성분 역시 캘사이트이다.

오늘의 인류는 온실가스에 의한 기후변화를 걱정한다. 1950년대까지만 해도 대기 중의 이산화탄소 농도는 310ppm(1,000,000분의 310)이었으나, 2022년 말에는 그 농도가 420ppm까지 상승했고, 앞으로는 더 높아질 것이라고 한다.​

약 5억 년 전에는 대기 중의 이산화탄소 농도가 약 6%나 되었다. 즉 초기의 지구는 대규모로 화산이 터지면서 내부로부터 암모니아, 메탄가스, 이산화탄소가 대량 발생했기 때문에 대기 중에는 엄청나게 많은 이산화탄소가 존재했다.​

그러나 35억 년 전, 바다에 최초로 생명체가 나타나고, 차츰 식물이 등장하면서 대기 중의 이산화탄소는 감소하기 시작했다. 특히 바다의 하등생물들은 해수에 녹은 CO2와 Ca로 탄산칼슘을 합성하여 세포벽과 껍데기를 만들었고, 식물은 H2O와 CO2로 탄수화물을 합성(광합성)했다. 그리하여 약 10,000년 전에는 CO2의 농도가 겨우 280ppm 정도로 감소하고, 대신 산소가 지금처럼 풍부하게 되었다.​

해수 속에는 이산화탄소가 대기보다 더 많이 녹아 있다. 그러므로 생명체가 탄생한 이후 수십억 년이 지나는 동안, 단세포생물을 비롯한 유공충, 불가사리, 조개, 소라, 산호 등의 사체가 남긴 껍데기는 해저에 수백 수천m 높이로 퇴적되어 석회암(캘사이트)이 되었다. 현재 지표면을 덮고 있는 암반의 10% 정도는 석회암이다. 석회동굴, 대리석 채석장, 석회암 광산은 모두 그렇게 형성된 것이다.​

이런 사실을 생각해보면, 대기 중의 이산화탄소를 감축하는 경제적이고 효과적인 방법은 고대 에 일어났던 자연현상으로부터 배울 수 있을 것이라는 생각이 든다. 또한 어민들이 바다에서 수확하거나 인공양식하여 채취한 패류(貝類)들의 껍데기를 바다에 버리지 않고 수거하여 적당한 방법으로 저장하는 것도 도움이 될 것이다.

버진아일랜드의 어민들이 채취하고 해변에 버린 소라껍데기의 산이다.

바다에 쓰레기로 버린 조개의 껍데기는 해수 속에서 천천히 분해될 것이고, 거기서 나온 이산화탄소는 다시 대기 중으로 들어가게 된다. 조개무덤(패총貝塚)은 해변에 살던 석기시대의 선조들이 버린 것이다. 수만 년 전의 패총이 지금까지 잘 보존된 것을 보면, 양식조개나 소라, 굴 등의 껍데기를 바다에 버리지 않고 장기 퇴적하여 보존하는 것도 온실가스 감축 방법의 하나가 될 것으로 생각된다. – YS