[함께 읽는 과학도서] 천천히 곱씹으며 느리게 읽기 <지구의 짧은 역사> 1부

“ 겔-만은 제임스 조이스의 소설 <피네건의 경야(竟夜)>에 나오는 "머스터 마크에게 세 개의 쿼크를!(three quarks for Muster Mark!)"이라는 문장에서 쿼크라는 이름을 따왔다(날카로운 물리학자들은 "quark"를 "lark(콰크)"가 아니라 "stork(쿼크)"처럼 발음한다. 그러나 조이스가 의도했던 발음은 전자와 같은 운[韻]이었을 것이 확실하다)." 그러나 쿼크의 단순성도 오래가지 못했다. 쿼크의 정체가 알려지기 시작하면서, 쿼크들을 다시 분류해야 할 필요가 생겼다. 쿼크는 너무 작아서 우리가 알아낼 수 있는 색깔이나 맛이나 또는 다른 물리적이니 성질을 나타내지는 않지만, 업(up), 다운(down), 스트레인지(strange), 참(charm), 톱(top), 보텀(bottom)의 여섯 가지 종류로 나누어진다. 물리학자들은 이상하게도 그것들을 "향(香, flavor)"이라고 부르는데, 각각이 다시 적색(red), 녹색(green), 청색(blue)의 세 가지 색깔로 나누어진다(이런 용어들은 당시 캘리포니아 주에서 유행했던 사이키델릭 풍조와 무관하지 않다고 생각할 수도 있다). ”

“ 그리고 아마 가장 중요한 질문일 텐데, 우리 자신의 행동은 지구와 생태계에 어떤 변화를 일으킬까? 이런 질문들은 어느 정도는 과정에 관한 것이지만, 역사적인 것이기도 하다. 그리고 이 책의 기본 틀을 이룬다. ”

“ 우리가 먹는 음식은 대기나 바다에 있는 이산화탄소와 흙이나 바다에서 흡수한 물과 영양소로부터 만들어진다. 또 숨을 들이쉴 때마다 허파에 들어오는 풍부한 산소는 음식물의 에너지를 추출하는 데 쓰이며, 대기의 이산화탄소는 우리가 얼어붙지 않게 막아준다. 또 냉장고 문의 강철, 음료수 캔의 알루미늄, 동전의 구리, 스마트폰의 희토류 등 필수로 쓰이는 갖가지 금속도 모두 지구에서 나온다. 우리에게 이런 온갖 것을 내어주고 우리를 지탱하며 지진이나 태풍이 찾아올 때처럼 이따금 해를 끼치기도 하는 이 거대한 공에 대다수가 별 관심이 없다는 점을 생각하면 놀랍기 그지없다. ”

“ 약 27억 년 전에 생명체가 출현했다 생명체가 탄생한 시기에 대한 정확한 증거는 아직 없다. 과거의 암석과 화석의 기록은 불완전하다. 초기 지구는 너무 뜨거워서 생명체가 출현한 것은 지표가 안정된 약 40억 년 전 무렵이었을 것이다. 현재 가장 오래된 화석은 서호주 필바라 지역에서 발견된 35억 년 전의 박테리아 화석이다. 이 지역에서는 약 27억 년 전의 퇴적층에서 스트로마톨라이트(stromatolite) 화석도 발견됐다. 이를 만든 시아노박테리아(cyanobacteria)는 원핵생물(procaryote) 가운데 유일하게 광합성으로 산소를 발생시키는 생물로, 스트로마톨라이트가 번성했다는 것은 대기 중에 산소가 방출되기 시작했음을 뜻한다. 산소가 없는 환경에서 살아가던 생명체가 얕은 바다로 올라오면서 태양 에너지를 이용해 영양물질을 만드는 광합성 작용을 습득했다. 광합성은 태양 에너지와 물 분자, 이산화탄소를 이용해 탄수화물과 같은 영양물질을 만들고, 부산물로 산소를 방출한다. 시아노박테리아가 번성하자 산소량이 증가했다. 혐기성(嫌氣性 , anaerobic) 생명체만 있던 당시의 지구에 산소는 모든 것을 태워 버리는 유독 기체였다. 시아노박테리아 때문에 지구는 조금씩 산소로 오염됐고, 산소를 싫어하는 혐기성 미생물을 대부분 멸종됐다. 산소가 간단한 분자들을 산화시켜 에너지원을 없앴기 때문이다. 이는 지구 최초의 대규모 멸종 사건이었다. ”

“ 생물이 산소가 없는 조건에서 생육하는 성질로, 공기 중의 산소가 필요하지 않다는 의미이다. ‘혐기성’은 널리 자리 잡은 용어지만, 공기(산소)가 없다는 ‘anaerobic’의 일본식 한자 번역으로 용어 자체의 과학적 오류를 불러올 수 있다. 대부분의 혐기성 생명체는 산소가 있으면 산소 호흡을 수행할 수 있으며, 추가로 무산소 호흡을 할 수 있는 능력을 지니고 있다. 따라서 ‘산소 비요구성’이 더 정확한 표현일 것이다. ”

“ 공교롭게도, 낮은 산소 농도를 극복하게 만든 광합성 작용을 일으킨 것 역시 스트로마톨라이트를 만든 바로 그 시아노박테리아였다. 그렇게 되기까지 거의 30억 년이 걸렸지만, 시아노박테리아가 조금씩 뿜어낸 산소는 지각의 모든 암석이 흡수할 수 있는 양을 능가했고 결국 대기와 대양에 풍부한 기체가 되었다. 그러자 산소가 적은 환경에서만 살 수 있는 혐기성 세균이 대부분 죽는 '산소 대학살'이 일어났다. 마침내 산소 농도는 지렁이나 삼엽충처럼 산소호흡을 하는 다세포동물이 진화할 수 있는 수준까지 높아졌다. 사실 우리가 숨 쉬는 산소의 대부분은 나무가 아니라, 바닷속에서 급격히 발생한 광합성 조류와 세균에서 유래했다. 따라서 다음에 바닷가의 바위를 덮은 미끌미끌한 조류의 더껑이를 보면 고마워해야 할 것이다. 그 더껑이가 없었다면, 우리는 숨을 쉴 수도, 이곳에 있을 수도 없었기 때문이다. ”