[함께 읽는 과학도서] 천천히 곱씹으며 느리게 읽기 <지구의 짧은 역사> 3부

“ 나는 기후변화 문제를 대홍수 전설처럼 받아들이는 것은 옳지 않다고 생각한다. 기후변화는 지구를 멸망시키는 것이 아니라 우선 가뭄과 홍수, 폭염과 한파로 가난한 사람들을 괴롭힌다. 우리는 기후변화와 관련된 재난과 사고로 희생되는 사람의 숫자를 줄이기 위해 기후변화 문제에 대한 대책을 세워야 하는 것이지, 분노한 지구가 인류를 징벌하는 최후의 순간을 피하기 위해, 경건한 마음으로 구름과 바람에 사죄하기 위해 기후변화 문제에 대처하는 것은 아니다. ”

“ 산소의 두 얼굴 늘 곁에 있어 소중함을 잊고 살지만, 꼭 필요한 누군가를 우리는 ‘산소 같은 사람’이라고 부른다. 모든 생명에게 산소는 살아가는 데 없어서는 안 될 생명의 연료다. 여기서 잠깐 짚고 넘어가야 할 것은 산소와 결합하면서 열, 에너지를 내는 산화 반응이다. 불에 타는 것, 철이 녹스는 것, 산소를 가득 머금은 피가 밝은 붉은색을 띠는 것 등, 반응이 빠르고 느리고의 차이일 뿐 모두 산소와 결합하는 산화 현상이다. 우리 몸이 에너지를 내는 것도 일종의 산화 현상이다. 우리 몸을 구성하는 약 60조 개의 세포는 혈액을 통해 공급받은 영양소를 산소와 결합시켜 그로부터 나오는 에너지를 이용한다. 이러한 과정은 세포 속에 있는 작은 기관인 미토콘드리아에서 일어나는데, 탄수화물, 단백질, 지방 등이 산화되면 물과 이산화탄소라는 부산물이 만들어지면서 에너지가 나온다. 만들어낸 에너지는 아데노신삼인산ATP에 저장해서 사용한다. 산소는 생명이 에너지를 만들어 내는 데 없어서는 안 될 필수 요소다. 그럼 생명체의 몸속 산소 농도가 높아지면 어떻게 될까? 세포 속 산소 공급이 원활해지고 세포의 생명 활동도 활발해진다. 말 그대로 활력이 넘치는 상황이다. 그러나 조심! 한없이 산소 농도가 높아지면 자칫 독이 욀 수 있다. ”

“ 사람을 비롯한 수많은 생물들은 산소가 없으면, 단 몇 분을 버티지 못하고 죽어 버린다. 이런 산소가 생명을 해지는 독이 된다는 건 아니러니하다. 산소가 독이 되는 이유는 산소가 생명의 몸을 구성하는 탄소화합물, 즉 유기물을 산화시키는 작용을 하기 때문이다. 유기물이 산화되면, 그 구조가 변형되거나 파괴된다. 산소는 생물을 죽이는 데도 사용한다. 긁힌 상처가 나면 과산화수소수로 소독한 경험이 있을 것이다. 과산화수소수를 상처 부위에 바르면 하얀 거품이 일어나는데, 이 기체가 바로 산소다. 상처에서 흘러나온 카탈라아제라는 효소가 과산화수소를 분해하면서 산소를 발생시키는데, 이때 나온 산소는 혹시 상처에 있을지 모르는 세균들을 죽이는 살균 작용을 한다. 이러한 사실을 근거로 생각해 보면, 산소는 생명에게 안전한 존재가 아니다. 오히려 치명적이라는 것이 맞다. 어쩌면 우리는 우리 몸의 산화를 막으려고 평생 동안 소리 없이 산소와 싸우고 있는 셈이다. 여성들이 피부의 산화, 즉 노화를 막기 위해 항산화제가 함유된 화장품을 사용하는 이유도 같은 맥락이다. 생명이 탄생한 직후부터 지금까지 생명체들은 자신의 산화를 막는 다양한 전략을 개발했다. 그들이 갈고닦아 온 네 가지 전략을 소개한다. ”

“ 첫 번째, 삼십육계 줄행랑. 세균 중에 특히 산소를 싫어하는 종류가 있는데, 이를 ‘혐기성세균’이라고 한다. 이들은 산소가 없는 곳이라면 지구 어디에나 존재한다. 동물의 위장 속에도 산다. 아니, 숨어 있다는 표현이 맞다. 사람의 내장 속에 살고 있는 혐기성세균은 그 종류만 400여 종에 약 100조 마리쯤 된다(100조 마리면 우리 몸을 구성하는 세포 수보다 많다는 얘기다)고 한다. 특히 인간의 대장 속은 혐기성세균이 살기에 딱 좋은 장소다. 대장 속에서 산소가 있어야만 살 수 있는 호기성세균이 산소를 이용하여 미처 소화되지 않은 음식물을 에너지로 만들기 때문에, 대장의 산소 농도는 대기의 0.1퍼센트 이하에 불과하다. 사실상 산소가 없는 상태라고 볼 수 있다. ”

“ 두 번째, 안전 구역 만들기. 대규모로 집단생활을 하는 혐기성세균의 어떤 종류는 산소로부터 보호되는 자신만의 구역을 만들어 낸다. 마치 사방에 지뢰를 설치해서 적의 침입을 막는 것과도 같다. 예를 들어 황산염 환원 세균은 주위에 황화수소를 내뿜는데, 황화수소는 산소와 쉽게 결합해서 황산염이라는 물질을 만든다. 그런데 황산염은 황산염 환원 세균의 먹거리이기도 하다. 이 세균은 황화수소를 내뿜어 주변의 산소를 없애 보호구역을 만들고는 거기서 나오는 부산물을 먹거리로 확보하는 일석이조의 효과를 내고 있는 셈이다. 세 번째, 감지기 달고 다니기. 가령, 독립생활을 하는 섬모충들은 산소 농도가 높아지면 이를 감지해 그 장소를 재빨리 벗어난다. 그러자면 산소 농도를 감지하는 센서가 필요하다. 이 센서가 바로 헴heme*이 들어 있는 단백질이다. 햄 단백질은 산소가 있는 곳에서는 산소와 반응해서 붉은 색으로 변한다. 신호등이 붉은색으로 바뀌면, 섬모충은 재빨리 산소가 없는 곳으로 달아난다. *헴 일종의 철 화합물이다. 적혈구에서는 헴 색소가 단백질과 결합해 헤모글로빈을 만든다. 혐기성생물에게는 치명적인 산소를 감지하는 센서 역할을 하지만 사람 몸의 적혈구는 산소를 운반하는 배달부 역할을 한다는 점이 다르다. 결합에 따라 색깔이 변하는 성질을 지니고 있다. ”

“ 마지막으로 보호복 착용하기. 이 방법은 점액을 이용하는 것이다. 독립생활을 하는 혐기성세균은 게가 껍데기 두른 것처럼 산소를 차단하는 점액을 한 겹 분비해서 캡슐처럼 몸을 감싼다. 그런데 이런 전략들이 아주 작은 미생물이나 혐기성세균에게만 해당한다고 생각하면 안 된다. 사람도 똑같은 방법을 사용한다. 우리 역시 죽은 세포층. 이른바 피부라고 부르는 죽은 세포 속에 숨어 살고 있다. 섬모충처럼 헴 단백질을 산소 센서로 사용하면서 몸속 산소 농도를 일정하게 유지한다. 황산염 환원 세균처럼 산소를 막는 보호 장치로 황을 사용하는가 하면, 콧구멍과 기도와 폐에서처럼 산소와 직접 접촉되는 세포는 점액으로 감싸 산소에 의한 파괴를 막는다. 우리 몸도 나름의 전략으로 위험한 산소에 대응하고 있는 것이다. ”

“ 13. 산소호흡의 기원가설 앞에서 설명하였던 산소발생형 광합성 출현이 산소신드롬 또는 산소대학살oxygen holocaust이라고 불려진다. 생명의 대멸종을 불러왔다는 일반적인 이해는 정확한 것일까? 이 생각의 근본에는 산소발생형 광합성 이전 지구에 산소가 존재하지 않았다는 전제가 깔려있다. 그러나 산소에 대한 방어기구가 없었다면, 남조가 지구에 출현하는 것은 불가능하였을 것이다. 산소는 강력한 산화제로서 발생한 산소를 적절하게 처리하여 배제할 수 없게 되었다면, 많은 혐기성 세균과 같이 남조도 자신이 만든 산소에 의해 죽음을 면하기 어려웠을 것이다. 그렇게 되지 않고 서식이 가능하였다는 것에는 상당한 비밀이 감추어져 있다. 이것은 남조의 조상은 산소를 만들기 이전에 이미 산소방어기능을 가지고 있었던 것을 의미하는 것은 아닐까? 산소가 존재하지 않았다면 산소에 대한 방어기구를 발달시킬 필요도 없었다는 이유이다. 산소는 남조 출현 이전에 이미 존재하였고, 많은 생물은 기본적인 성질로서 산소를 대항하는 구조를 가지고 있었다는 가설이 있다. 이 가설에 의하면 산소호흡은 현존하는 모든 생물 공통조상인 LUCA가 획득한 대사계의 하나라는 것이다. 실제로 산소호흡은 진정세균에도 아케아에서도 보여 지기에 그 출현이 남조의 출현 이전 사건이라고 생각하는 것이 이치에 맞다. 아케아와 진정세균은 16개 호흡에 관한 유전자를 공유한다. ”

“ 활성산소라는 말을 자주 듣게 된다. 통상의 산소분자보다 산화력이 강한 산소이거나 산화력의 강한 산소를 포함한 물질을 말한다. 프리라디칼(free radical)이라고 하여 방사선에 의한 물 분해 과잉으로 산소가 존재하는 조건에서 생성된다. 이 때에 “활성”이라는 것은 전자를 빼앗는 힘이 강하다는 것이다. 즉 전자가 부족하기 때문에 불안정하여 가까운 물질에서 강인하게 전자를 빼앗는 성질을 말한다. 프리라디칼의 본질은 홀전자(unpaired electron, 부대전자)이다. 빈 장소를 메꾸기 위해 가까이에 있는 분자에서 전자를 빼앗는다. 라디칼 그 자체는 그것으로 안정성이 돌아오지만, 전자를 빼앗긴 분자는 라디칼로 변하여 홀전자의 짝을 채우기 위해 또 다른 분자를 공격하는 연쇄반응이 시작된다. 프리라디칼 반응의 특징은 제한 없이 계속되는 이러한 연쇄반응에 있다. 생체 속에서 활성산소가 발생하면 카탈라제(catalase)나 SOD 등의 항산화효소가 기능을 하여 이것을 제거한다. 그러나 활성산소가 대량으로 존재할 때에는 이러한 방어구조로는 효율면에서 충분하지 않다. 산소는 호흡을 위해서 반드시 필요한 물질이지만, 인간은 높은 농도의 산소에 노출되면 산소중독을 발생시킨다. 2기압의 순수산소 농도는 폐나 뇌에 손상을 주며, 때에 따라서는 죽음에 이르기도 한다. 산소중독이란 대량의 활성산소가 발생하는 것으로 라디칼의 연쇄반응을 발생시키는 것이 원인이다. 방사선에 의한 피폭은 많은 경우 피폭자를 죽음으로 몰아넣지만, 이것은 방사선이 생체 속 물질에 많이 포함되어 있는 물에 작용하여 대량의 활성산소를 생성하기 때문이다. 피폭에 의한 손상의 90% 이상은 활성산소에 의한 것이라고 한다. 그렇지 않더라도 보통 인간은 호흡할 때 마다 체내에 활성산소를 발생시킨다. 때문에 사람은 호흡하는 것만으로도 완만하게 산소 중독을 진행시키는 것이 된다는 짓궂은 운명을 가진다. 활성산소는 암이나 노화, 기타 질병의 원인으로 무서운 상대의 물질이다. ”

“ 30억년 이전에는 지구에 내리 쫴는 자외선의 농도는 현재보다 30배 이상 강하였다고 한다. 이 강력한 자외선이 지구표면에 도달하면, 그림8-20의 식에 의해 물에서 전자가 하나 분리되어 하이드록시 라디칼(hydroxy radical, OH)이 발생한다. 수명은 짧지만 활성산소 중에 최강의 산화제로서 가까이 있는 분자와 격렬하게 반응하여 전자를 강탈한다. 그러면 이번에는 전자를 강탈당한 분자가 라디칼 역할을 하여, 인접하는 분자와 반응하여 전자를 강탈하는 산화환원의 연쇄가 계속적으로 발생하게 된다. 그림과 같이 하이드록시 라디칼은 더욱이 3개의 전자를 잃고서 산소분자가 된다. 물과 산소사이에는 3개의 중간산물(하이드록시 라디칼 이외에 과산화수소(hydroxy peroxide; H₂O₂)와 슈퍼옥사이드 라디칼(superoxide radical: O₂•-)이 있다. 이들에서 산소를 제거하거나 또는 부가하는 것으로 물에서 산소, 산소에서 물로 변화되는 반응이 진행된다. 하이드록시 라디칼에서 전자가 하나 빠지면 과산화수소가 된다. 이 과산화수소는 표백제나 소독제로서 잘 알려져 있으나, 하이드록시 라디칼에 비하면 훨씬 얌전하다. 그러나 물속에 녹은 철이 존재하는 환경에서는 사정이 다르다. 2가 철이 있으면 과산화수소는 철에서 전자를 받아 하이드록시 라디칼을 만들고 격렬한 산화반응을 발생시킨다. 전자를 빼앗긴 철은 3가철이 되어 침강한다. 이러한 반응을 발견자의 이름을 사용하여 펜톤반응(Fenton reation)이라 한다. 이것은 몇 번이나 설명하지만, 2가철은 태고의 원시바다에는 매우 풍부하게 존재하고 있었다. 펜톤반응은 태고의 원시바다에서 일반적으로 발생한 것으로 생각된다. 한편 슈퍼옥사이드 라디칼도 비교적 온순한 활성산소이지만, 3가철에 전자를 한 개 주기 쉬운 성질을 가진다. 자신은 산소가 되고 철은 전자를 받아 수용성인 2가철로 돌아온다. 그리고 2가철은 과산화수소와 반응하여 펜톤반응으로 하이드록시 라디칼을 만든다. 이와 같이 자외선을 쪼임으로 인해 물에서 생성되는 활성산소는 모두가 하이드록시 라디칼 생성으로 연결된다. 하이드록시 라디칼은 단명으로 금방 사라진다. 그러나 짧은 수명 사이에 생체에는 심각한 상처를 입히고 있다. ”