원생누대
원생누대는 약 25억 년 전부터 5억 4200만 년 전까지를 뜻합니다. 이 시기에 대륙괴는 현대와 같은 대륙의 크기로 자라났습니다. 산소가 풍부한 대기가 형성된 것도 중요한 사건입니다. 원핵생물에서 진핵생물로, 또 다세포 생물로의 진화가 일어났습니다. 또 원생누대에는 눈덩이 지구라고 불리는 빙하기가 몇 차례 있었으며, 마지막 빙하기가 6억 년 전에 있은 후로 생명체의 진화가 가속되었습니다. 5.8억 년 전에는 에디아카라 생물군이 형성되면서 캄브리아기의 대폭발이 시작되었습니다.
산소 혁명
최초의 세포는 주변 환경에서 에너지와 음식물을 섭취하였으며, 발효 과정으로 에너지를 만들어냈습니다. 발효는 혐기성, 산소가 없는 환경에서만 가능한 과정이었으며, 광합성하는 세포가 만들어지면서 에너지원을 직접 생산해내는 세포가 생겨났습니다.
지구 위 모든 생물의 에너지는 광합성에 직간접적으로 의존합니다. 가장 흔한 형태인 산소 광합성은 이산화탄소, 물, 햇빛으로 에너지원 (포도당)을 만드는 과정입니다. 홍색 황세균, 녹색 황세균 등은 전자 공여자를 물이 아닌 황화수소, 황, 철 등을 사용하는 무산소 광합성을 합니다. 그러한 생물체는 온천이나 열수공 등 극한의 환경에서 발견됩니다.
혐기성 세포는 생명이 출현한지 얼마 안 되어 38억 년 전 나타났습니다. 산소 광합성이 처음 출현한 시기는 논란이 많아, 24억 년 전부터 32억 년 전까지 다양한 의견이 있습니다. 산소를 생성하는 생명체가 처음 발견된 것은 스트로마톨라이트 화석에서였습니다.
처음 만들어진 산소는 대리석, 철 등의 광물과 반응하였습니다. 산화철은 호상철광층이라 하는 적색층을 지층에 형성하였는데, 특히 시테리아기 (25억년 ~ 23억 년 전)에 많이 형성되었습니다. 반응성 높은 광물들이 대부분 산화된 후에야 산소는 대기에 축적되기 시작하였습니다. 한 세포가 만들어내는 산소량은 적었지만, 오랜 시간 이것이 축적되면서 현재의 대기 산소 농도가 만들어졌습니다. 이것이 지구의 세 번째 대기입니다.
대기 내 산소 중 일부는 자외선과 반응하여 오존을 형성하였고, 곧 오존층을 만들었습니다. 오존층은 자외선을 흡수하여 지구상 생명체가 생존할 수 있게 해주었습니다: 오존층이 없이는 자외선의 폭격에 생명체들이 치명적인 돌연변이를 일으켜 살아남을 수 없었던 것입니다.
또 산소량이 늘어나자 산소의 독성으로 인해 대부분의 생물이 죽었으며 (산소 대재앙(oxygen catastrophe)이라고 합니다), 독성에 저항이 있는 생물만 살아남았고, 일부는 산소로 자신의 신진대사를 촉진시키는 쪽으로 진화하였습니다.
눈덩이 지구
태양의 광도는 시간이 지날수록 밝아져, 평균 10억년 당 6%씩 증가하였고, 지구가 받는 열도 증가하였습니다. 그러나 연구에 따르면, 원생누대 초기는 오히려 그전에 비해 지구가 냉각되었습니다. 남아프리카 쪽에서 발견되는 빙하는 22억 년 전쯤의 것입니다. 이러한 빙하 생성기를 휴로니안 빙기라 하며, 적도 부근까지 얼어붙어 “눈덩이 지구”를 만들었을 것으로 과학자들은 보고 있습니다.
23억 년 전쯤의 빙하기에는 대기 산소 농도가 증가하여 메탄이 희석되었다. 이는 메탄이 산소와 반응하기 때문으로, 메탄의 온실 효과보다 이산화탄소의 온실 효과가 약하여 지구의 열이 탈출하면서 온도가 낮아졌을 것으로 봅니다.
진핵생물의 출현
현대의 분류학은 생명체를 3 역으로 나눕니다. 각각 도메인이 기원한 시기는 확실치 않습니다. 세균역이 처음 갈라져 나왔으며, 20억 년 전쯤 고균역과 진핵생물역이 만들어졌을 것으로 봅니다. 진핵생물은 세균과 고균, 즉 원핵생물보다 훨씬 복잡한 시스템을 가졌으며 크기가 컸습니다.
이 시기에는 원시 미토콘드리아가 만들어졌습니다. 이는 오늘날의 리케차와 연관 있는 세균 세포가 더 큰 원핵 생물원핵생물 안으로 들어가면서, 기생하면서 또는 큰 원핵생물이 세균을 잡아먹었으나 소화시키지 못하면서 만들어진 것으로 보며, 세포 호흡이 시작된 계기였습니다. 산소를 이용한 물질대사는 더 많은 에너지를 생산했고, 이 에너지는 숙주 세포에 공급되었으며, 이로써 작은 세균 세포와 큰 원핵생물 세포 사이의 공생이 이루어졌습니다. 시간이 지나면서 둘 사이의 유전자 교환이 이루어졌고, 둘은 서로가 없이는 살 수 없게 되었습니다. 현재 둘을 포함해서 하나의 유기체로, 그리고 작은 세균 세포는 미토콘드리아라는 세포 소기관으로 분류됩니다.
비슷한 과정으로, 광합성을 할 수 있는 세균 세포가 큰 세포로 들어가 엽록체가 되었습니다. 이것은 10억년 이상 된 사건으로 광합성할 수 있는 세포와 할 수 없는 세포로 분류되게 한 사건이었습니다. 이외에도 퍼옥시솜을 생성한 세포, 섬모, 편모를 생성한 스피로헤타, 세포핵을 만든 DNA 바이러스 등에 대한 가설이 있으나 미토콘드리아, 엽록체만큼 널리 인정받지는 못하고 있습니다.
고균, 세균, 진핵생물은 분리된 이후로 환경에 적응하면서 더욱 복잡하게 진화해갔습니다. 약 11억 년 전쯤, 초대륙 로디니아가 형성되었습니다. 식물, 동물, 진균이 출현하였으나 아직은 단세포로 존재하였습니다. 이들 중 일부는 군락을 형성하였고, 점차 위치에 따라 다른 “업무 분담”이 이뤄졌습니다. 대략 10억 년 전 최초의 다세포 식물이 출현하였으며, 9억 년 전쯤에는 진정한 의미의 다세포 동물이 나타났습니다. 이는 처음에는 모든 세포가 전능성을 띈, 오늘날의 해면동물과 비슷한 형태였으며 점차 업무 분담이 이루어지면서 세포들이 서로서로에게 의존하는 형태로 진화하였습니다.
원생누대의 초대륙
2.5억년 전까지의 판의 이동 경로는 대륙 경계, 해양 지각의 자기장 방향과 원시 자기 극 등을 통해 비교적 정확하게 추측할 수 있습니다. 그 이전의 경우 단서가 부족하여 이동을 추측해 내기가 훨씬 어렵습니다.
지구의 역사상, 모든 대륙이 하나로 뭉쳐 초대륙을 형성한 때가 간간히 있었습니다. 정확히는 알 수 없으나, 적어도 10억 ~ 8.3억년 전에는 모든 대륙이 하나로 뭉쳐 초대륙 로디니아 (Rodinia)를 형성하였습니다. 이는 첫 초대륙은 아니었는데, 첫 초대륙은 20억 년 전 처음 만들어졌으며 컬럼비아 (Columbia) 또는 누나 (Nuna)라는 이름으로 불립니다.
로디니아가 8억년 전 해체된 후, 대략 5.5억 년 전 판노니아 (Pannotia) 또는 벤디아 (Vendia)라 불리는 초대륙이 형성되었을 것으로 추측됩니다. 그러나 6.1억 년 전 로렌시아 (Laurentia)라는 대륙이 떨어져 나오면서 모든 대륙이 하나로 뭉치진 못했을 것이며, 원생누대 말기에는 대부분의 대륙이 하나로 뭉쳐 남극 부근에 위치하였을 것이라고 추측됩니다.
원생누대 후기
원생누대가 끝날 때까지 눈덩이 지구는 적어도 두 번 있었습니다. 이것은 크라이오제니아기인 7.1억 ~ 6.4억년 전에 일어났습니다. 당시에 빙하기가 생긴 이유는 확실치 않으나, 로디니아 초대륙의 형성과 관계가 있다고 봅니다. 로디니아 초대륙이 적도 부근에 위치했기 때문에 화학적 풍화 작용이 증가했고 이에 따라 이산화탄소 농도가 감소하면서 기온이 낮아졌다는 것입니다. 빙하기에는 지구가 만년설로 뒤덮이면서 화학적 풍화가 감소하였고, 이는 빙하기가 끝나게 되는 원인이 되었을 것으로 봅니다. 이외에도 화산 작용이 증가하면서 빙하기가 종결되었다는 설도 있습니다.
크라이오제니아기 후에는 에디아카라기가 시작되었는데, 이때 새로운 다세포 생명체가 많이 생겨났습니다. 왜 이러한 사건이 이 시기에 일어났는지는 확실치 않으나 빙하기의 종결과 관련이 있어 보입니다. 에디아카라 생물군이라 불리는 새로운 생명체들은 이전에 비해 더 크고 다양하였습니다. 에디아카라 생물군 대부분은 분류 체계가 확실치 않으나 일부는 현대 생물의 기원이 되었습니다.