분화석

분화석의 과학적 인식은 19세기 초 영국에서 시작되었다. 메리 애닝(Mary Anning)은 1820년대 중반 라임 레지스(Lyme Regis) 해안 절벽에서 어룡(ichthyosaur) 화석의 늑골 사이나 골반 부근에서 반복적으로 발견되는 특이한 형태의 암석에 주목하였다. 이 암석을 쪼개자 내부에 물고기 뼈와 비늘이 포함되어 있었고, 애닝은 이를 화석화된 배설물로 추정하였다. 당시까지 이 물체들은 '화석 소나무 방울(fossil fir cones)' 또는 '베조아르 돌(bezoar stones)'로 불리고 있었다.

윌리엄 버클랜드(William Buckland)는 1822년 영국 커크데일(Kirkdale) 동굴에서 하이에나 배설물 화석을 연구한 경험을 바탕으로, 애닝이 제공한 표본들의 배설물 기원을 확인하였다. 그는 실제 점박이하이에나의 배설물을 수집하여 화학 분석을 의뢰하고, 물고기 장에 시멘트를 주입하여 형태를 기록하는 등 실험적 방법을 동원하였다. 1829년 런던 지질학회에서 이 연구를 발표하였고, 논문은 1835년 학회 회보(Transactions of the Geological Society of London)에 정식 출판되었다. 버클랜드는 논문에서 애닝의 발견과 추론에 대한 공로를 명시적으로 인정하였다.

19세기 중반에는 분화석이 경제적 가치를 갖게 되었다. 영국 케임브리지 주변에서 대규모 분화석 퇴적층이 발견되어 인산염 비료 원료로 채굴되었으며, 1840년대부터 1909년까지 약 200만 톤이 채굴되었다. 영국 입스위치(Ipswich)에는 오늘날에도 'Coprolite Street'라는 도로명이 남아 있다.

배설물이 화석으로 보존되려면 특정 조건이 충족되어야 한다. 일반적으로 배설물은 풍화, 답압, 곤충에 의한 분해(분식성, coprophagy), 미생물 분해 등에 의해 빠르게 소실된다. 보존이 이루어지려면 배설 직후 급속한 매몰 또는 건조가 발생하여 분해 과정이 차단되어야 한다.

광물화는 주로 인산칼슘(calcium phosphate)에 의해 진행된다. 육식 동물의 배설물에는 소화된 뼈에서 유래하는 인산염이 풍부하여 자체적으로 광물화가 촉진된다. 카렌 친(Karen Chin)에 따르면, 적절한 조건에서 경화는 2주 이내에 시작될 수 있다. 초식 동물의 배설물은 자체 인산염 함량이 낮아 보존이 더 어렵고, 해양 퇴적물 등 외부 인산염 공급원이 필요하다. 이러한 이유로 화석 기록에서 육식 동물의 분화석이 초식 동물보다 훨씬 빈번하게 발견된다.

분화석의 형태는 생산자의 크기와 소화계 구조에 따라 다양하다. 상어·폐어 등 원시 어류는 장의 나선형 판막(spiral valve)을 통과하면서 특징적인 나선형 분화석(spiral coprolite)을 생성한다. 대형 공룡의 배설물은 높은 곳에서 떨어져 착지 시 형태가 무너지는 경우가 많아, 뚜렷한 외형을 유지한 대형 분화석은 드물다.

티라노사우루스 렉스 분화석 (사스캐처원, 캐나다, 1998년):

캐나다 사스캐처원에서 발견된 길이 약 44cm(약 1.5피트)의 거대한 분화석으로, 카렌 친(Karen Chin)과 동료들이 1998년 Nature에 보고하였다. 내용물의 30~50%가 분쇄된 뼈 파편으로 구성되어 있었으며, 이는 당시 알려진 유일한 대형 육식 공룡인 Tyrannosaurus rex가 생산한 것으로 추정되었다. 이 발견은 티라노사우루스가 먹이의 뼈를 분쇄하고 소화할 수 있었다는 직접 증거를 제공하였다.

마이아사우라 분화석 (투 메디슨 층, 와이오밍):

카렌 친의 연구에 따르면, 약 7,700만 년 전의 투 메디슨 층(Two Medicine Formation)에서 농구공 크기의 초식 공룡 분화석이 발견되었다. 인근 뼈와 알껍질 화석을 근거로 마이아사우라(Maiasaura)가 생산한 것으로 추정되었다. 이 분화석에는 목재 조직이 포함되어 있어, 초식 공룡이 나무를 먹었다는 예상 밖의 증거를 제공하였다. 또한 분화석 내부에 쇠똥구리(dung beetle)의 굴 흔적이 발견되어 고대 분식 생태계의 존재를 입증하였다.

초기 쥐라기~삼첩기 분화석 (2024년 연구):

2024년 Nature에 발표된 대규모 연구에서는 수백 점의 분화석과 소화관 내용물 화석을 분석하여 삼첩기 후기~쥐라기 초기에 걸친 공룡의 먹이 그물 변화를 추적하였다. 이 연구는 공룡이 지배적 지위를 확립하는 과정에서 먹이 전략이 어떻게 변화했는지를 분화석 증거로 재구성한 최초의 대규모 시도이다.

박편 현미경 관찰(Thin Section Microscopy):

분화석을 얇게 절단하여 편광 현미경으로 관찰하는 전통적 방법이다. 꽃가루, 포자, 식물 규소체(phytolith), 뼈 파편, 근육 조직, 세균 등의 미세 포함물을 식별할 수 있다.

화학 분석(Chemical Analysis):

X선 형광분석(XRF), 마이크로프로브 분석 등을 통해 분화석의 인산염·칼슘 함량을 측정하여 배설물 기원을 확인한다. 높은 인산칼슘 함량은 분화석 여부를 판별하는 핵심 기준이다.

CT 스캔:

비파괴적으로 내부 구조를 관찰하여 뼈 파편의 분포와 크기, 내부 공동 구조를 분석할 수 있다. AMNH의 마크 노렐(Mark Norell)은 고해상도 CT 스캔을 통해 티라노사우루스 분화석 내부의 먹이 종을 규명하는 연구가 진행 중임을 언급한 바 있다.

고대 DNA 및 생체표지자(Biomarker) 분석:

건조된 비교적 젊은 분화석(주로 인류 고고학 분야)에서는 DNA 추출이 가능하며, 기생충 알의 DNA 분석을 통해 숙주와 기생충의 계통관계를 추적할 수 있다. 광물화된 매우 오래된 분화석에서는 DNA가 보존되지 않으나, 지질 생체표지자(lipid biomarker) 분석이 가능한 경우도 있다.

싱크로트론 촬영:

2017년 연구에서는 싱크로트론 방사광을 이용하여 에오세 폐어 분화석의 미세 내부 구조를 비파괴적으로 관찰하는 데 성공하였다.

분화석은 체화석만으로는 얻을 수 없는 고생태학적 정보를 제공하는 독보적인 자료이다.

식성 복원: 특정 동물이 실제로 무엇을 먹었는지에 대한 가장 직접적인 증거를 제공한다. 티라노사우루스 분화석은 뼈를 분쇄·소화할 수 있었다는 것을, 마이아사우라 분화석은 나무를 먹었다는 것을 보여주었다.

고대 식물 생태계 복원: 초식 동물 분화석에 포함된 꽃가루, 포자, 규소체를 통해 당시 식생 구성과 계절성을 파악할 수 있다.

기생충학(Paleoparasitology): 분화석에서 기생충 알이 발견되면 고대 동물의 질병 상태와 기생충-숙주 관계를 연구할 수 있다.

먹이 그물과 생태계 구조: 누가 누구를 먹었는지에 대한 정보를 통해 고대 먹이 그물을 복원하고 생태계 내 에너지 흐름을 이해할 수 있다.

소화 생리학: 뼈 파편의 부식 정도, 식물 섬유의 소화 상태 등은 동물의 소화 효율과 소화계 구조에 대한 단서를 제공한다.

분화석은 외관상 일반 암석이나 광물 결절과 유사하여 현장에서 식별이 어려운 경우가 많다. 워싱턴 주 남서부의 한 개울에서는 1920년대부터 분화석으로 여겨진 물체들이 수집되었으나, 인산칼슘이 검출되지 않고 인근에 다른 화석이 없어 실제 분화석이 아닌 능철석(siderite) 퇴적물로 판명되었다. 이처럼 분화석 여부의 확인에는 반드시 화학 분석, 미세 구조 관찰, 주변 지질학적 맥락의 종합적 평가가 필요하다. 또한 분화석의 생산자를 특정하는 것도 어려운데, 대형 분화석은 인근에서 발견된 체화석과의 연관성, 크기, 내용물 등을 종합하여 추정할 뿐, 확정적으로 특정 종에 귀속시키기 어려운 경우가 대부분이다.