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숲길을 걸을 때면 나무 사이로 들어오는 햇빛과 발밑의 낙엽이 먼저 눈에 들어옵니다. 너무 익숙한 풍경이라서, 지구에도 숲이 없던 시절이 있었다는 사실은 조금 낯설게 느껴집니다.

육지에 자리 잡은 작은 식물들이 처음부터 커다란 나무였던 것은 아닙니다. 낮은 줄기들이 자라던 땅에 사람 키를 훌쩍 넘는 식물들이 나타나고, 나무가 모여 자라는 숲이 생기기까지는 긴 시간이 필요했습니다. 그 변화가 뚜렷하게 드러나는 때가 데본기입니다.

오래된 숲은 바위 속에 흔적을 남겼습니다

2024년 발표된 연구에서는 영국 서머싯과 데번 해안의 약 3억 9천만 년 전 지층에서 오래된 숲의 흔적을 보고했습니다. 칼라모피톤이라는 식물의 줄기와 가지 조각뿐 아니라, 나무가 서 있던 자리와 뿌리 흔적도 함께 살펴봤습니다. 연구 논문에서는 이를 당시까지 알려진 가장 오래된 화석 숲의 증거로 설명했습니다.

여기서 중요한 것은 나무 화석 하나의 나이만이 아닙니다. 나무들이 어느 정도 간격을 두고 함께 자랐는지, 주변에 어떤 흙과 모래가 쌓였는지도 숲을 알아보는 단서가 됩니다. 나무 한 그루의 사진과 숲 전체의 풍경이 서로 다른 정보를 주는 것과 비슷합니다.

칼라모피톤은 멀리서 보면 야자나무를 떠올리게 하는 모습이었습니다. 하지만 야자나무는 아니었고, 오늘날 나무에서 흔히 보는 넓은 잎 대신 가느다란 가지 구조를 지녔습니다. 겉모습이 비슷하다고 같은 종류의 식물은 아닌 셈입니다.

그루터기와 가지를 이어 보니 나무가 보였습니다

미국 뉴욕주의 길보아에서도 오래전부터 나무 밑동 화석이 알려져 있었습니다. 그런데 밑동만으로는 꼭대기가 어떻게 생겼는지 알기 어려웠습니다. 마치 손잡이만 보고 물건 전체의 모양을 짐작해야 하는 것과 같습니다.

2007년 연구에서는 와티에자라는 식물의 가지 부분이 에오스페르마토프테리스라고 불리던 줄기와 밑동에 연결된 화석을 보고했습니다. 덕분에 적어도 8미터 높이로 자라는 나무 같은 식물의 모습을 복원할 수 있었습니다. 밑동과 가지가 따로 발견될 때보다 훨씬 구체적인 그림이 나온 것입니다. 연결된 화석을 분석한 연구가 오래된 숲의 모습을 밝히는 데 큰 도움이 됐습니다.

잎이 펼쳐지고, 땅속에도 변화가 생겼습니다

데본기의 숲을 이야기할 때 빼놓기 어려운 식물이 아르카이오프테리스입니다. 가지에 붙은 잎은 얼핏 고사리처럼 보이지만, 오늘날의 고사리와 같은 식물은 아닙니다. 단단한 목질부를 만드는 줄기와 잎, 포자로 번식하는 특징을 함께 지녔습니다.

나무의 변화는 땅 위에서만 일어나지 않았습니다. 뉴욕주 카이로의 약 3억 8천5백만 년 전 옛 토양에서는 사방으로 넓게 뻗고 다시 갈라지는 복잡한 뿌리들이 발견됐습니다. 연구진은 이를 아르카이오프테리스 계통의 뿌리로 해석했습니다. 2019년 온라인으로 발표된 이 연구는 초기 숲의 땅속 구조가 예상보다 정교했다는 점을 보여줬습니다.

뿌리는 나무를 붙잡는 말뚝이면서 물과 영양분을 얻는 통로이기도 합니다. 땅속으로 뻗은 뿌리와 떨어져 쌓인 식물 조각들은 흙과 물의 움직임에도 영향을 줬습니다. 나무들이 들어선 땅은 식물이 드물던 땅과 조금씩 다른 모습으로 바뀌어 갔습니다.

나무가 있어도 꽃과 씨앗이 당연한 것은 아니었습니다

지금은 나무에서 꽃이 피고 열매가 맺히는 모습을 흔히 보지만, 초기 숲에 그 모습을 그대로 옮겨 놓으면 곤란합니다. 아르카이오프테리스는 나무처럼 자라면서도 씨앗 대신 포자를 만들었습니다. 키가 커지는 변화와 씨앗이 생기는 변화가 늘 한 묶음으로 일어난 것은 아닙니다.

나무가 하늘로 가지를 뻗으면 그 아래에는 그늘이 생기고, 떨어진 가지와 잎은 땅 위에 쌓입니다. 숲의 탄생은 커다란 식물이 많아진 사건이면서 다른 생명들이 살아갈 공간이 달라지는 과정이기도 했습니다. 다만 숲이 기후와 공기, 물의 흐름을 얼마나 빠르게 바꿨는지까지 하나의 화석만으로 모두 알 수는 없습니다.

화석 숲이라는 말을 들으면 나무 전체가 돌로 서 있는 풍경이 먼저 떠오릅니다. 실제로는 납작한 가지 한 조각이나 바닥에 남은 뿌리 자국이 숲의 흔적일 때도 있습니다. 그 작은 조각들을 이어 보면, 지금은 익숙한 나무 그늘이 지구에 자리 잡던 시간이 조금씩 보입니다.

참고한 자료
Davies 외(2024), 영국 데본기 초기 숲과 퇴적물의 상호작용
Stein 외(2007), 길보아 나무의 밑동과 꼭대기를 연결한 화석
Stein 외(2020, 온라인 발표 2019), 카이로 화석 숲의 복잡한 뿌리 구조
Beck(1962), 아르카이오프테리스의 복원과 계통 연구

지금의 산에는 나무가 높이 자라고, 그 아래에는 풀과 작은 식물들이 겹겹이 살아갑니다. 이런 풍경에 익숙하다 보니 식물이 처음 땅에 자리 잡았을 때도 작은 숲이 있었을 것처럼 느껴집니다. 하지만 오래된 식물 화석은 훨씬 소박한 모습을 보여 줍니다.

오르도비스기 뒤에 이어지는 실루리아기에는 갈라진 가느다란 줄기와 그 끝에 달린 작은 주머니를 가진 식물들이 살았습니다. 꽃도, 넓은 잎도 없는 모습입니다. 그 가운데 자주 등장하는 이름이 ‘쿡소니아’입니다.

작은 줄기 끝에는 무엇이 달렸을까요?

쿡소니아의 화석에서는 줄기가 두 갈래로 나뉘고, 끝에 포자를 만드는 주머니가 달린 모습을 볼 수 있습니다. 이 주머니를 ‘포자낭’이라고 합니다. 꽃봉오리나 열매처럼 보일 수 있지만, 꽃도 열매도 아닙니다.

쿡소니아라는 이름으로 묶인 화석들은 크기와 세부 모양이 모두 같지는 않습니다. 몇 센티미터 정도의 작은 몸으로 알려진 종류도 있습니다. 키 큰 나무를 작게 줄여 놓았다기보다, 잎 없는 줄기와 포자낭이라는 단순한 구조를 먼저 떠올리는 편이 좋겠습니다.

2018년 연구에서는 체코에서 나온 약 4억 3,200만 년 전의 쿡소니아 바란데이 화석을 소개했습니다. 연구진은 이 식물의 비교적 굵은 줄기를 근거로, 포자낭을 지닌 몸이 스스로 광합성하며 살아갔을 가능성을 제안했습니다. 줄기 모양은 관찰한 증거이고, 당시의 생활 방식은 그 증거로 추론한 해석입니다. 사진 속 페르토니와 이 연구의 바란데이는 서로 다른 종입니다.

그렇다면 쿡소니아가 맨 처음이었을까요?

유명한 초기 식물이라고 해서 지구 최초의 육상 식물이라고 단정할 수는 없습니다. 쿡소니아의 줄기 화석보다 앞선 오르도비스기 지층에서도 육상 식물의 것으로 해석되는 포자가 발견됩니다. 몸 전체가 남지 않아도 작은 흔적이 먼저 이야기를 들려주는 셈입니다.

2003년 오만의 화석 연구는 포자가 모여 들어 있는 아주 작은 식물 조각을 분석했습니다. 포자가 식물의 주머니 안에서 만들어졌다는 증거가 더해지면서, 초기 포자들이 육상 식물에서 왔다는 해석을 뒷받침했습니다. 다만 이 작은 조각만으로 그 식물의 전체 생김새를 모두 복원할 수는 없습니다.

포자는 새로운 세대로 이어지는 데 쓰이는 작은 세포입니다. 씨앗과는 구조와 생활 과정이 다릅니다. 오늘날 이끼나 양치식물도 포자를 만듭니다. 이런 살아 있는 식물을 보면 꽃과 씨앗 없이도 삶을 이어가는 방법을 살펴볼 수 있습니다. 물론 지금의 이끼가 수억 년 동안 아무 변화 없이 남았다고 생각해서는 안 됩니다.

땅에서 살려면 물을 지키고 옮겨야 합니다

물속과 땅 위는 생활 조건이 다릅니다. 공기 중에 드러난 몸은 마르기 쉽고, 물의 도움 없이 몸을 받쳐야 합니다. 바닥에서 얻은 물을 몸의 다른 부분으로 보내는 일도 중요해집니다. 작은 줄기 하나가 똑바로 서 있는 모습에도 이런 어려움과 관련된 구조가 담겨 있습니다.

육상 식물의 역사에서는 수분 손실을 줄이는 표면, 기체를 드나들게 하는 작은 구멍, 물을 이동시키는 조직 등 여러 구조가 중요합니다. 그렇다고 이 모든 특징이 어느 날 한 식물에 한꺼번에 생겼다고 볼 수는 없습니다. 화석마다 어떤 부분이 실제로 보존되어 있는지를 따로 살펴야 합니다.

특히 겉모습만으로 물을 운반하는 조직까지 확인했다고 말할 수는 없습니다. 얇게 자른 암석 속에 식물의 내부 조직이 남아 있으면 훨씬 자세한 비교가 가능합니다. 아래 사진은 실루리아기보다 뒤인 초기 데본기의 라이니아 줄기 단면입니다. 원처럼 보이는 몸 안에도 서로 다른 조직이 구분됩니다.

발견되는 지역도 계속 넓어지고 있습니다. 2024년 연구에서는 아르헨티나 린코나다층의 후기 실루리아기 식물 화석들을 보고했습니다. 여러 종류의 초기 식물과 필석이 함께 나온 지층을 분석해 시대와 퇴적 환경을 살폈습니다. 육상 식물의 조각이 바다 쪽 퇴적물에 묻히기도 하므로, 발견 장소가 곧 그 식물이 자란 자리인지는 구분해야 합니다.

이렇게 포자, 줄기, 주머니, 내부 조직을 하나씩 맞추어 가면 땅 위 식물의 역사가 드러납니다. 실루리아기의 땅을 오늘날의 숲처럼 그릴 수는 없습니다. 하지만 가느다란 줄기와 작은 포자낭만으로도 식물이 땅에서 살아가던 모습을 엿볼 수 있습니다.

발밑의 작은 이끼도 가까이 보면 꽤 복잡한 삶을 가지고 있습니다. 오래된 식물 화석을 보고 나면, 키가 작고 꽃이 없다는 이유만으로 그 식물을 단순하게 넘겨볼 수 없겠다는 생각이 듭니다.