공룡 이빨이 지구 고대 온실 기후 비밀을 풀어내다

치아 법랑질 산소 동위원소는 높은 이산화탄소 농도 보여줘

 

미국 몬태나 주 머레이 랜치Murray Ranch에서 발견된 티라노사우루스 렉스Tyrannosaurus rex 골격. 출처: 자연사 생물다양성 센터

이전에는 활용되지 않던 정보원이 이제 공룡 시대 지구 기후에 대한 새로운 통찰을 제공한다? 

공룡 이빨 화석이 메소조이크 시대Mesozoic Era(2억 5,200만 년 전부터 6,600만 년 전) 동안 대기 중 이산화탄소 농도가 현재보다 훨씬 높았음을 보여준다.

이는 괴팅겐, 마인츠, 보훔 대학 연구진이 공룡 이빨의 치아 법랑질enamel에 있는 산소 동위 원소oxygen isotopes 분석을 통해 확인했다. 

과학자들은 세 가지 자연산 산소 동위원소의 상대적 비율을 측정하기 위해 새로운 혁신적인 방법을 사용했으며, 이는 지질학적 기후 연구에 새로운 가능성을 열었다.

또한 동위원소 데이터는 당시 모든 식물의 일차 생산량이 현재의 두 배였음을 보여준다.

이는 공룡이 지구를 배회하던 시절의 기후가 특히 역동적이었을 가능성이 높음을 시사한다. 

이 연구 프로젝트 결과는 최근 《국립과학원 회보》(Proceedings of the National Academy of Sciences)에 게재되었다.

캐나다 앨버타에서 발굴된 티라노사우루스 렉스 이빨. 사진 제공: 토마스 튀트켄

연구팀은 북아메리카, 아프리카, 유럽에서 발견된 공룡 이빨의 치아 법랑질을 조사했으며, 이 이빨들은 후기 쥐라기 및 후기 백악기 시대로 거슬러 올라간다.

치아 법랑질은 가장 안정적인 생물학적 재료 중 하나다. 이 법랑질에는 공룡이 호흡 과정에서 공기 중으로 흡입한 산소의 세 가지 동위 원소가 포함된다.

공기 중 산소의 개별 동위원소 비율은 대기 중 이산화탄소 농도의 변화와 식물의 광합성 활동으로 결정된다.

이 연관성은 공룡 시대 기후와 식물상 특성을 추론하는 데 공룡 이빨을 활용할 수 있음을 의미한다.

후기 쥐라기 시대(약 1억 5천만 년 전)에는 대기 중 이산화탄소(CO₂) 농도가 산업화 이전 시대(즉, 인간 활동으로 인해 대기 중 온실가스 대량 배출이 시작되기 전) 네 배에 달했다.

후기 백악기 시대(약 7천3백만~6천6백만 년 전)에는 해당 CO₂ 농도가 산업화 이전 수준의 3배에 달했다.

연구팀은 티라노사우루스 렉스Tyrannosaurus rex와 카테도쿠스 시베리Kaatedocus siberi의 특정 이빨에서 이례적인 산소 동위 원소 조합을 발견했다.

이는 대기 중 이산화탄소 농도의 급증 현상이 화산 활동, 특히 백악기 말기 인도 지역 데칸 트랩(Deccan Traps)의 홍수 현무암 지역 flood basalt region에서 발생한 대규모 분화 활동과 관련될 수 있음을 시사한다.

전 세계적으로 육지와 수생 식물의 광합성 활동이 더 활발했던 것은 이산화탄소 수준과 평균 연간 기온이 높았기 때문일 가능성이 높다.

새로운 결과는 고기후학 분야에서 획기적인 성과를 의미한다.
 

미국 와이오밍 주 하우 랜치Howe Ranch에서 발견된 카테도쿠스 시베리(Kaatedocus siberi) 이빨 있는 두개골. 출처: Sauriermuseum Aathal

현재까지 연구자들은 주로 토양 탄산염soil carbonates과 이른바 해양 대리 지표marine proxies를 사용하여 과거 기후를 재구성했다.

해양 대리 지표는 조사 대상 파라미터와 매우 밀접하게 연관되어 있어 이를 대신하는 지표로 사용되는 해양 환경에 존재하는 간접적 지표다. 

불행히도 얻은 결과는 불확실성에 노출되어 있다.

화석화한 이빨의 세 가지 산소 동위 원소를 분석함으로써 연구진은 육상 척추동물을 중심으로 한 첫 번째 방법을 개발했다.

“우리의 방법은 지구 과거에 대한 완전히 새로운 통찰력을 제공한다”라고 괴팅겐 대학교 지화학과 동위원소 지질학과 논문 주저자 딩수 펑Dingsu Feng 박사가 밝혔다.

“이제 우리는 화석화한 치아 법랑질을 활용해 초기 지구의 대기 구성과 당시 육상 및 해양 식물의 생산성을 연구할 수 있게 되었습니다. 이는 장기적 기후 동역학에 대한 이해에 결정적인 역할을 합니다.” 

펑 박사가 지적하듯, 공룡은 기후 전문가로 변모하고 있다.

“그들의 치아는 1억 5천만 년 전의 기후를 기록했으며, 이제 우리는 그 기록을 읽을 수 있게 되었습니다.”

“우리 연구를 통해 얻은 전지구적 일차 생산량에 대한 정보는 식물 생물량이 생태계 내 종의 풍부함과 수, 식량 사슬의 길이를 제한하기 때문에, 그렇지 않으면 얻기 어려운 해양과 육상 식량 사슬에 대한 중요한 증거를 제공한다”고 공동 저자 요하네스 구트링겐 대학교 유기체 및 분자 진화 연구소 교수 에바 M. 그라이벨러Eva M. Griebeler 박사는 강조했다.

JGU 고생물학자 토마스 투트켄 Thomas Tütken 교수(박사)는 해당 논문 공동 저자로 다음과 같이 덧붙였다.

“치아 법랑질에 존재하는 세 가지 산소 동위 원소 분석을 통해 호흡용 공기와 음용수로부터 흡수된 산소 비율을 측정할 수 있다. 이는 공룡의 생리학과 고생물학에 대한 이해를 높여주며, 다른 척추동물 종 연구에도 동일하게 적용될 수 있다.” 

따라서, 육상 척추동물 치아 법랑질에 존재하는 세 가지 산소 동위원소 정량화는 지구 역사 전반에 걸쳐 대기 구성 변화와 기후 및 환경 조건에 대한 새로운 통찰을 제공한다.

More information: Dingsu Feng et al, Mesozoic atmospheric CO2 concentrations reconstructed from dinosaur tooth enamel, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2504324122