[함께 읽는 과학도서] 천천히 곱씹으며 느리게 읽기 <지구의 짧은 역사> 2부

“ 광합성은 빛 에너지를 이용하여 이산화탄소에서 당(탄수화물)을 합성하고 산소 기체를 부산물로 내보내는 과정이다. ... 동물은 광합성을 뒤집은 과정을 수행한다. 유기분자를 먹어서 그 분자를 산소와 반응시켜 에너지를 얻는다. 이를 호흡이라고 한다(물론 식물도 호흡한다). ... 이 두 반응은 서로 반대 방향을 향해 있고, 상보적이다. 그 결과 탄소와 산소는 생물과 환경 사이를 끊임없이 순환하면서 계속 생명을 지탱한다. ”

“ 화학적으로 말해 산화oxidation란 원자나 분자에서 전자가 떨어져 나가는 것을 말한다. 반대로 전자가 더해지는 것을 환원reduction이라고 한다. 산화는 산소에서 따온 명칭이다. 산소는 분자에게서 전자를 잘 떼어내는 성질이 있다. 산소가 사물을 부식시키거나 파괴하는 성질이 있다고 생각하면 기억하기 쉬울 것이다. 이를테면 페인트 제거제와 비슷하다고 할 수 있다. 산화는 전자 페인트를 벗겨내고, 환원은 새로 전자 페인트를 칠해 덮는 효과가 있다. 요점은 이런 것이다. 산소는 유기분자에서 전자를 떼어낼 수 있으며, 그 과정에서 전자를 내놓은 분자들이 자주 분해되기도 한다. 오늘날 세포들은 항산화제를 이용해 이런 손상에 대항하지만 처음에는 항산화제가 없었다. 자유 산소는 감당하기 어려운 문제였을 것이다. 만약 산소가 존재했다면 어떠한 유기분자나 초기 형태의 생물도 산산이 분해되고 말았을 것이기 때문이다. 생명이 시작되었다는 사실은 산소가 조금도 존재하지 않았음을 의미할 수밖에 없다. ”

“ 시아노박테리아는 태양의 에너지를 이용하는 방법을 익혔다. 현미경으로나 볼 수 있을 정도로 아주 작은 생물이었지만 오랜 세월이 지나면서 그 수가 터무니없이 많아졌고(물 한 방울에 수십억 마리씩 들어갈 정도다) 유독성 산소 폐기물로 주위 환경을 소리 없이 더럽혔다. 배출된 산소는 우선 바다에 녹아 있거나 바위에서 침식되어 나온 무기물질들과 반응했을 것이다. 무기물질이 산화되면서 산소는 무기화합물 안에 갇혔다. 거대한 천연자원이 수억 년 동안 자유 산소를 막아주는 방패 역할을 했던 것이다. 하지만 결국 이 방패도 완전히 산화되었다. 이제 막을 수단이 아무것도 남아 있지 않은 상태에서, 대기와 바다는 갑자기(지질학적으로 볼 때 그렇다는 얘기다) 산소로 오염되었다. 그 결과는 끔찍했다. 말하자면 산소 대학살이 일어난 것이다. 미국 매사추세츠 주 애머스트 대학의 유명한 생물학 교수인 린 마굴리스는 1986년에 다음과 같이 썼다. ”

“ 지난 20년 동안 우리는 과학적 상상력에서 기인한 판타지의 영역에서 벗어나 지구의 변화에 대한 새로운 모델들을 분자적 증거를 들어 뒷받침하는 시대에 접어들었다. 비록 새로운 진술이 산소가 유독하다는 사실에 어긋나고 때로는 상식에 맞지 않는다 해도, 증거들을 종합해보면 설득력이 있다. 증거를 고찰하고 그것이 어떻게 해서 오늘날 우리 생활에 영향을 미치는지 묻기 전에, 우선 새로 등장할 그림을 바라보는 방향을 바꿔야 한다. 앞서 요약했던 이야기는 대부분 뒤집혔다. 새로운 이론에 따르면, 생물은 원시 수프에서 합체한 것이 아니다. 대양의 중앙해령 깊은 곳에는 유황 성분이 풍부하고 검으며 뜨거운 물을 뿜어내는 구멍이 있다. 흔히 연기 열수공black smoker이라고 하는데, 이곳이 바로 생명이 시작된 장소다. 지구상의 모든 생물들이 하나의 조상으로부터 진화했다고 할 때 이 조상 생물이 다른 종류로 나뉘기 직전의 단계를 가리켜 모든 생물의 마지막 공통조상the Last Universal Common Ancestor(LUCA)이라고 한다. 앞뒤가 안 맞는 이야기 같겠지만, 이 공통조상은 호흡하는 데에 극소량의 산소를 사용했다. 후손들이 광합성을 시작하기도 전에(그러니까 적어도 산소를 생성하기 전에) 말이다. 최초의 세포들은 발효를 하면서 그럭저럭 살아간 게 아니라 질산염이나 아질산염, 황산염, 아황산염, 산소 같은 여러 무기질 원소와 화합물에서 에너지를 추출했다고 추정된다. 만일 그렇다면, 우리 모든 생물의 마지막 공통조상은 공기 중에 자유 산소가 존재하기 전부터 이미 산소의 유독성에 대한 저항력이 있었다는 이야기가 된다. 그리고 아마 시아노박테리아 같은 후손들도 그 비슷하게 자기들이 내놓은 노폐물로부터 스스로를 보호했을 것이고, 따라서 산소 대학살에 죽지도 않았을 것이다. ”

“ 사실, 산소가 일찍이 대멸종을 일으켰다는 믿을 만한 증거는 하나도 없다. 지구의 산소량은 생물권에 의해 조절된 평형 상태까지 한 방에 휙 하고 늘어난 게 아니라 일련의 뚜렷한 단계를 이루며 증가한 듯하다. 그러나 단계적 변화는 판구조론과 빙결작용 같은 비생물적 요소들에 의해 촉진되었다. 각 단계별로 대기 중의 산소가 늘어날 때마다 생물은 크게 다양해졌고, 점점 퍼져 나가 생태계의 빈틈을 메웠다. 미국 서부 개척시대의 빈 초원에 사람들이 퍼져 나간 것과 아주 똑같다. 공기 중에 산소가 늘어나면서 곧이어 단세포 진핵생물이 생겨났다. 진핵생물은 세포에 핵이 있는 생물을 말하는데, 우리 인간을 포함해 모든 다세포 생물들의 조상이다. 이와 비슷하게 캄브리아기 초(5억 4300만 년 전)에 산소가 늘어났을 때는 바로 뒤이어 다세포 동식물들이 폭발적으로 늘어났고, 석탄기와 초기 페름기(3억 2000만 년 전부터 2억 7000만 년 전까지) 사이에 산소가 늘어났을 때에는 거대 곤충들과 식물들이 등장했다. 아마 공룡도 그때 나타났을 것이다. 반대로 몇몇 대멸종은 산소 농도가 하락한 시기와 연관되어 있다. 페름기 말(약 2억 5000만 년 전)에 일어났던 대멸종인 '모든 멸종의 어머니'도 마찬가지였다. 결국 산소는 '좋은 것'이라는 결론을 내릴 수밖에 없다. 이런 결론 때문에 잠을 설칠 사람은 얼마 없을지도 모르겠지만, 노화와 질병에 미치는 산소의 독성에 대한 생각을 잠재우는 데에는 확실히 도움이 될 것이다. ”

“ 고대 세계의 강철 혁명 쇠는 구리와 주석의 합금인 청동이 갖지 못한 두 가지 장점이 있었다. 첫째, 쇠의 원료인 불그스름한 철광석은 구리나 주석보다 흔했다. 둘째, 잘 만든 철은 청동만큼 강하고 철과 탄소의 혼합물인 강철은 그보다 더 강했다. 그러나 철의 제조 방법은 청동보다 훨씬 복잡하며, 완벽한 제철 기술을 익히려면 많은 시행착오가 필요했다. 철은 구리나 주석보다 녹는점이 높다. 고온의 용광로 안에서 구리와 주석 광석이 녹으면 두 가지 종류의 액체가 생긴다. 하나는 녹은 금속이고, 다른 하나는 ‘슬래그’라고 부르는 잡동사니가 섞인 용액이다. 하지만 철을 같은 온도로 가열하면, 슬래그는 대부분 흘러가 버리고 순수 상태의 철만 남는다. 철을 주조할 정도의 액체 상태로 녹이는 데 필요한 온도를 유럽에서는 수세기 이후에나 만들어 냈지만, 중국에서는 이미 기원전 4세기에 철을 주조했다. 고대 지중해 세계에서 했던 것처럼 낮은 온도에서 철을 녹이면 괴철이 나온다. 괴철에는 벌집처럼 조그만 구멍이 뚫려 있는데, 이 구멍에 슬래그가 들어차서 냉각되면서 굳는다. 괴철을 다시 가열하면 슬래그가 부드러워지고, 여기에 망치질을 하면 슬래그가 빠져나와 철 덩이만 남는다. ‘단조(鍛造)’라고 부르는 이 과정은 용광로에서 이루어진다. 고대 문명권의 금속 기술자는 단조된 철 가운데서도 단단한 것과 무른 것이 있다는 사실을 알았다. 또 많은 시행착오 끝에 가열 과정에서 사용된 숯의 양이 금속의 굳기에 영향을 준다는 것도 깨쳤다. 물론 그 이유가 용광로 안에 들어 있는 탄소 때문이라는 사실까지는 알지 못했다. 탄소가 용광로 안에서 괴철과 결합하면, 그 혼합물인 강철은 합금의 성질을 일부 띠게 된다. 이렇게 만들어진 강철은 보통 철보다 더 단단하며, 가열과 망치질을 반복하면 끝을 날카롭게 만들 수 있다. 이 기술은 금속 기술자가 구리와 청동을 다룰 때 이미 사용하던 기술인 담금질과 비슷하다. ”

“ 초기 금속 기술자는 놀라운 사실을 한 가지 더 발견했다. 강철은 가열했다가 급속히 냉각시키면 더욱 단단해지는 독특한 성질이 있다는 것이었다. 이렇게 만들어진 강철은 고대인이 아는 다른 어떤 금속보다도 단단했다. 제철 기술자는 이내 이 획기적인 발견을 응용하여 여러 가지 새 기술을 개발했다. 제철은 좋은 솜씨와 고된 노동이 필요한 작업이었다. 철광석을 용광로에서 녹이는 작업과 단조에는 각기 다른 지식과 기술이 필요했는데, 특히 단조를 잘하려면 상당한 손재주와 시간, 노력이 있어야 했다. 그래서 제철공이라는 새로운 직업이 생겨났다. 제철 기술을 배우려면 장인 밑에서 힘든 도제 생활을 거쳐야 했다. 철을 도입하려면 사회적으로도 많은 전문 기술자를 부양할 수 있을 만한 경제력을 갖춰야 했다. 그리하여 철을 생산하게 되면, 우수한 철제와 강철제 도구 및 무기로 더 큰 부를 쌓을 수 있었다. ”

“ p.121 대기의 화학적 과정이 지구의 황 순환에 주된 역할을 하다가, 그 이후에는 중단되었음을 알려준다. pp.123~124 그러나 빛은 있지만 산소가 없다면, 다른 전자의 원천도 이용할 수 있게 된다. 수소 기체, 썩은 달걀 냄새를 풍기는 황화수소, 용액 상태의 철 이온 등이 그렇다. pp.125~126 당신과 나는 산소를 써서 유기분자를 분해하는 호흡을 하지만, 일부 세균은 황산이온이나 산화철 같은 화합물을 써서도 호흡할 수 있다. 즉 동물이 식물이 생산한 산소를 이용하는 호흡을 하여 유기분자를 다시 이산화탄소로 바꾸는 것처럼, 이런 세균은 광합성 세균이 황화수소, 용해된 철 같은 화합물에서 얻은 전자를 써서 생산한 분자를 무산소 호흡을 통해 분해한다. 이런 식으로 햇빛이 들지만 산소가 없는 환경에서 탄소 순환은 철 및 황의 순환과 연결된다. 그러니 지구의 유년기는 최초의 철기 시대였다고도 할 수 있다. 탄소 순환이 산소가 없는 강, 호수, 바다에서 철의 생물학적 순환과 긴밀하게 얽혀 있던 시대였다. ”