유레카 3 -마흔다섯번째이야기
(수소는 다른 원소들과 어울려서 서로의 효용을 증가시키는 하느님을 닮은 지혜의 원소이다.수소는 시작이며 마침이다)
2부. 생명
17장. 수소 2
* 이 글은 <유레카3>의 45번째 글입니다. 우주와 생명에 대한 철학적 진실을 탐구하고, 그를 바탕으로 새로운 삶의 방식을 제시하고자 합니다. 1부 우주, 2부 생명, 3부 길로 구성되어 있으며, 26장 73편의 이야기로 나뉘어져 있습니다. 이 글을 접하시는 모든 분들이 제가 깨달은 것을 함께 깨달아, 지성의 즐거움을 함께 만끽하며, 인류와 생명의 진보와 진화의 길을 함께 걸어가게 되기를 기대합니다.
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116. DNA와 단백질과 수소 결합
생명 현상에서 핵심적인 기능을 담당하는 생체 고분자(高分子, 고무나 단백질 등과 같이 많은 원자들이 결합하여 분자량이 매우 큰 분자)를 든다면 DNA와 단백질을 빼어놓을 수 없다. DNA는 염기 서열을 통하여 유전 정보를 저장하고, 이 정보에 의하여 필요한 아미노산들이 만들어지고 아미노산들이 합쳐서 여러가지 단백질이 만들어져 우리 몸을 구성하고, 몸의 생명활동에 필요한 기능을 하는것이다.
그런데 DNA는 두 개의 서로 마주보는 나선 구조로 되어있다. DNA의 두 개의 나선은 마주보는 염기들 사이의 손에 손을 잡는 정도로 비교적 약한 수소 결합에 의하여 이중나선 구조를 유지한다. 만일 두 개의 나선이 공유 결합으로 단단히 결합되어 있다면 DNA를 복제해서 자식 세포에게 물려줄 때나, 새로운 단백질을 만들기 위해 DNA의 유전 정보를 RNA로 전달할 때, 이중 나선의 어떤 부분을 두 개의 가닥으로 벌려야 하는 데 엄청난 양의 에너지가 필요할 것이다. 우리 몸은 아미노산을 만들 때 DNA의 유전 정보를 RNA가 받아 운반하여 세포내의 리보솜(ribosom)이라는 공장에서 생성한다. 다행히도 수소 결합의 세기는 공유 결합의 세기의 약 10분의 1밖에 안되기 때문에 적은 에너지로도 중요한 세포 활동과 생명 활동을 할 수 있는 것이다.
똑같은 탄소라도 배치 구조에 따라 흑연도 되고, 다이아몬드도 되듯이, 단백질도 각기 맡은 특수한 기능을 담당하기 위해서는 단백질을 구성하는 수백 개의 아미노산들의 3차원 배치 구조가 중요한데, 단백질의 배치 구조를 결정하는 데에도 아미노산들 사이의 수소 결합이 핵심적인 역할을 하고 있다.
이와 같이 물에서 뿐 아니라 DNA나 단백질 같은 중요한 생체 고분자에서도 수소 결합은 적당한 세기의 힘으로 생명활동의 도움을 주는 역할을 맡고 있다. 모든 생체 화합물의 구조가 공유결합처럼 견고하기만 하다면 생명의 유연성과 다양성은 기대하기 어려울 것이다.
117. 세포막과 수소
생명은 바다에서 시작되었다. 생명체에는 생명체 내부와 외부를 구분하는 자루와 같은 막이 필요하다. 최초의 생명은 당연히 단세포 생물이었을 것이고, 바다이기 때문에 세포내와 세포의 외부가 모두 물로 이루어져 있다. 육상식물이나 동물을 따라 세포들이 육지로 나온 것은 불과 수 억년 밖에 되지 않는다.
세포 안의 소우주와 세포 밖의 전체 우주를 구분하는 세포막은 인지질 이중층(隣脂質 二重層)이라는 특수한 구조를 가진다. 인지질(燐脂質)이란 인산이 들어있는 복합지질이란 뜻으로 기름막으로 생각하면 된다. 세포의 내부나 외부나 모두 대부분이 물이기 때문에 세포막은 안과 밖이 모두 친수성(親水性)을 가진다. 그러나 막 전체가 친수성 물질로 되어있다면 물에 녹아서 막의 구조를 유지할 수 없을 것이다. 그런데 이중막 각각의 안쪽은 물과 섞이지 않는 기름 성질의 소수성(疎水性)을 가지고 있기 때문에 막의 구조를 유지하게 된다.
이 소수성 부분은 대체로 긴 탄화수소의 꼬리 모양을 이루고 있다. 우리가 잘 알고 있는 탄화수소(炭化水素, Hydrocarbon,탄소(C)와 수소(H) 만으로 이뤄진 유기화합물)인 휘발유가 물과 섞이지 않듯이 이중막의 탄화수소 꼬리가 소수성인 이유는 긴 탄소의 사슬에 수소가 결합되어 있다는 데 있다. 수소와 탄소의 전기음성도(電氣陰性度)가 비슷하기 때문에 수소와 탄소 사이의 결합의 극성(極性)이 아주 낮아서 극성이 높은 물과 상호 작용이 약하기 때문에 섞이지 않게 되는 것이다.
(세포막은 이런 이중층 구조로 되어 있고 지방질이라 세포내부와 외부를 구분하는 주머니 역할을 할 수 있고, 수소 결합이라 세포의 유동성을 확보할 수 있다)
그런가 하면 세포막에는 어느 정도의 유동성이 필요하다. 그래야 필요에 따라 세포의 크기와 구조를 바꿀 수도 있고, 물질을 통과시키는데 필요한 단백질을 끼워 넣을 수도 있기 때문이다. 그런데 기름 종류 물질로부터 알 수 있듯이 탄화수소는 모두 유동성을 가진 물질이다.
즉, 세포막은 기름 성분인 지질(脂質)로 이루어져 있어 세포의 안과 밖을 구분하는 자루의 역할을 할 수 있고, 두 겹으로 된 이 지질들은 수소 결합을 하고 있어서 유동성 있게 세포막의 크기와 구조를 바꿀 수 있다는 의미이다. 수소가 우리 생명체의 구조를 구성하는데 아주 중요한 역할을 한다고 이해하면 될 것이다.
119. 수소의 실패 - 비행선 이야기
지금은 항공 여행의 도구로 비행기가 대세이지만 1930년대까지만 해도 비행기는 대중화 되지 않았고, 비행선이 그 자리를 차지하고 있었다.
주머니 안에 헬륨이나 수소를 담아 뜨게 만든 비행선은 프랑스의 몽골피에 형제가 만든 기구를 업그레이드 한 모델이다. 비행선은 추진 장치와 조정장치가 있어 경항공기로 분류된다. 참고로 추진 장치가 있으면 비행선으로, 없으면 기구로 분류된다.
첫 모델은 1900년 7월 2일 독일 군 출신 F.체펠린이 제작한 항공수송용 비행선이다. 이 비행선을 시작으로 독일, 미국, 영국 등의 나라에서 여객용, 수송용, 전투용으로 비행선 개발이 활발히 이루어졌다.
그러나 1937년 5월 6일 당시 세계 최대의 비행선인 독일의 LZ 129 힌덴부르크호(승객 50명, 화물적재량 18∼27t, 항속거리 1만 3000km, 선체의 길이 248m, 최대속도 135km/h)가 승객과 승무원 100여명을 태우고 프랑크푸르트를 떠나 뉴욕 맨허탄 상공을 오후 3시30분에 통과해, 기착지인 뉴저지주 레이크허스트(Lakehurst) 해군비행장에 도착하여 착륙준비를 하며 고도 23m를 유지하고 있던 오후 7시10분쯤, 갑자기 비행선 뒤쪽에서 한 줄기의 불꽃이 번쩍이면서 작은 폭발음과 함께 수소가스주머니가 파열되면서 비행선은 불길에 휩싸여 버렸다.
이 사고로 승객 13명, 승무원 22명과 지상요원 1명 등 모두 36명이 숨졌고 61명은 기적적으로 살아났다. 이 사건으로 세계적인 추세였던 비행선은 그때부터 자취를 감추게 되었고, 비행선에 의한 여객수송은 물론 군용으로 사용한 비행선도 막을 내린다. 이후 비행기의 발달로 비행선의 활용도가 급격히 감소하고 현재는 세계 각국에서 극히 소수의 비행선만이 광고·선전용으로 활용하고 있다.
(비운의 비행선 힌덴부르크호의 사고 모습)
인류가 최초로 수소를 이용하여 항공 산업을 일으켰으나 그 결과는 너무나 처참했다. 1930년대의 인류의 기술이 수소를 다루기에는 다소 부족한 점이 많았고, 이 후 탄소 에너지인 석유가 항공기와 자동차를 포함한 대부분의 내연기관의 엔진을 책임지게 되었다.
120. 미래 에너지 수소
수소의 특징은 우주에서 가장 많은 원소라 구하기 쉽고, 가볍고, 산소와 잘 결합하고, 에너지 효율도 크고, 무엇보다도 탄소에너지의 문제점인 환경오염 물질과 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 배출하지 않는다. 수소가 타서 나오는 부산물은 물이다. 또한 석탄이나 석유는 무한히 지구에 묻혀 있는 것이 아니라, 고작 앞으로 100년 내외면 고갈되는 유한 에너지이다.
원자력 발전 또한 체르노빌이나 후쿠시마의 예에서 보듯이 너무나 위험한 에너지원이고 재료로 사용되는 우라늄이나 플루토늄의 매장량을 볼 때 석유와 마찬가지로 앞으로 100년 이내에 고갈된다고 한다. 특히 우리나라와 같이 안전 불감증이 심한 나라에서 불량부품을 쓴다든가, 노후화된 원자력발전소를 계속 돌리는 행위는 언제 터질지 모르는 원자폭탄을 끌어안고 사는 것과 마찬가지이다. 원자력 사고는 단순한 사고로 끝나는 것이 아니라 그 후유증이 수백 년 간 이어질 재앙이 된다. 또한 원자력 발전에서 나오는 방사능 폐기물은 원자력 발전이 멈춘 뒤에도 영구적으로 격리 보관하여야 하는 질이 몹시 안 좋은 오염물질이다. 서구의 여러 나라는 정부가 정책적으로 원자력발전을 포기하는 추세인데 우리나라는 무슨 까닭인지 겁도 없이 계속 사용하고 증가시키는 정책을 쓰고 있다. 미치지 않고서야 도저히 용납할 수 없는 일들이 일어나는 것은 자본과 결탁된 못된 정치권력이 뒤를 바치고 있는 까닭이며 우리 국민들이 이러한 일들에 눈 감고 있는 무지 때문이다.
반면에 수소는 무한대라 할 수 있을 만큼 우리 우주에 널려 있는 친환경 원소이다.
하여 인류는 1937년 비행선의 아픔이 있긴 했지만 수소에 대한 매력을 버릴 수는 없다. 수소를 이용한 에너지 개발은 다양하게 이루어지고 있지만, 현재로서는 수소 연료 전지와 수소 핵융합 발전이 기대되고 있는 방법이다.
(수소 연료전지 전기자동차의 원리와 이 자동차로 세계일주를 홍보하는 사진. 출처 : 과학동아)
(수소 핵융합 반응식 ; 중수소는 양성자 하나의 수소에 중성자가 하나 더 있고, 삼중수소는 2개 더 있는 구조이다.)
(우리나라 대덕 연구 단지에 있는 핵융합 발전기 KSTAR. 우리나라의 핵융합 기술은 다른 선진국에 비해 뒤지지 않고 오히려 앞서 있는 수준이다. 4대강 같은 곳에 엉뚱한 투자를 하지 말고 이런 고급 기술에 나라의 재원을 투자하는 지혜가 필요하다.)
수소는 인류의 미래를 책임질 에너지원이다.
여기에서 미래라는 말을 쓴 것은 아직 상용화 단계에 미치지는 않았지만 지속적으로 연구 개발해야 할 부분이라는 뜻이다. 상용화란 들어가는 비용과 나오는 수익의 차이에서 나오는데 아직까지는 수소를 이용해 생산되는 에너지가 그것을 만들어내는 비용보다 더 적다는 의미이다.
몇 십 년 전 인류 최초의 컴퓨터는 방 하나를 가득 채울 정도로 컸었지만, 지금은 무선 컴퓨터를 스마트폰이란 이름으로 누구나 한 대씩 호주머니에 넣고 다니는 시대가 되었듯이, 수소에너지 역시 지속적으로 연구 개발을 한다면 누구나 쉽게 사용하고 인류의 발전에 지대한 공헌을 하리라 확신한다.
121. 하느님의 원소 수소
수소는 우주의 기원원소이고 또한 생명의 기원원소이다. 수소의 특수한 역할을 떠나서는 우주와 생명을 생각할 수 없다. 원소 중 가장 작은 수소는 자기를 희생하여 에너지를 생산하여 우주를 비추고, 다른 원소와 결합하여 다양한 물질과 생명체를 만들어내고 수소 결합이라는 느슨한 결합을 통하여 생명체의 유동성을 확보하고 물을 액체 상태로 만들어 놓는다. 수소는 다른 원소들과 어울려서 서로의 효용을 증가시키는 하느님을 닮은 지혜의 원소이다.
창세기를 조금만 바꾸어 보자.
『한 처음에 하느님께서 우주를 창조하셨다. 우주는 아직 꼴을 갖추지 못하고 비어 있었는데, 점(點) 하나가 홀연히 나타나고, 하느님의 영이 그 점 위를 감돌고 있었다.
하느님께서 말씀하시기를 “수소가 생겨라.” 하시자 점이 폭발하며 그 안에 수소가 생겼다. 하느님께서 보시니 참 좋았다. 그렇게 첫날이 지났다.
하느님께서는 수소를 모아 별들을 만들어 우주에 뿌리시고, 수소를 태워 빛을 만드시니 반짝이는 별들이 온 우주를 가득 채웠다. 하느님께서 보시니 참 좋았다. 그렇게 이튿날이 지났다.
하느님께서는 별들을 군데 군데 모아 은하라 칭하시고, 별들은 은하내에서 서로 춤을 추며 돌게 하고, 물질이 있는 유(有)의 공간과, 비어 있는 무(無)의 공간으로 나누었다. 하느님께서 보시니 은하들이 참 좋았다. 그렇게 사흗날이 지났다.
하느님께서는 별들의 수소를 통해 온갖 무거운 원소를 다 만들어 내셨다. 수소를 합쳐 헬륨을 만드시고, 헬륨과 수소들을 다시 합쳐 산소와 탄소와 철과 규소 등 백가지 원소를 만드셨다. 이 원소들을 다시 합치고 분해해 물과 흙과 바위와 공기들을 만들 수 있는 원료를 만드셨다. 하느님께서는 이 원료들로 별을 도는 행성을 만드시고, 그 행성을 도는 위성과 소행성들과 혜성들을 만드셨다. 하느님께서 보시니 참 좋았다. 그렇게 나흗날이 지나갔다.
하느님께서는 행성 중에 적당한 별을 골라 온갖 생명을 만드셨다. 물에는 물고기와 물짐승들과 물에서 사는 식물들을 만드시고, 뭍에는 들짐승과 산짐승 그리고 온갖 곤충을 만들어 풀어 놓으시며 그들이 먹을 수 있게 나무와 풀들도 만드셨다. 또한 하늘에는 온갖 새들을 만들어 날아다니게 하셨다. 하느님께서는 이들에게 복을 내리시며 말씀하셨다. “번성하고 번식하여 온 바다와 온 육지와 온 하늘을 가득 채워라. 너희가 살아 있는 것이 내가 존재한다는 징표가 되리라.” 하느님께서는 이 생명의 별을 지구라 부르셨다. 하느님께서 지구를 내려다 보시니 참 좋았다. 그렇게 닷샛날이 지나갔다.
하느님께서 말씀하셨다. “우리와 비슷하게 우리 모습으로 사람을 만들자. 그래서 그가 우리가 만들어 놓은 생물들을 다스리게 하자.”
하느님께서는 이렇게 당신 모습으로 사람을 창조하시고, 사람에게는 더 특별한 축복을 내리시어 하느님의 뜻을 깨달을 수 있는 지혜와, 모든 생명을 사랑하는 양심과, 삶의 어려움을 극복할 수 있는 용기를 주셨다. 하느님께서 보시니 손수 만드신 이 모든 것이 참 좋았다. 그렇게 엿샛날이 지나갔다.
이렇게 온 우주와 하늘과 땅과 그 안의 모든 것이 이루어졌다. 하느님께서는 하시던 일을 이렛날에 다 이루셨다. 그분께서는 하시던 일을 모두 마치시고 이렛날에는 쉬셨다.』
그냥 재미로 수소의 천지창조 이야기를 창세기에 인용해 보았다. 3천 년 전이 아니라 지금 창세기를 쓴다면 요렇게 쓰지 않았을까 추측해본다.
수소는 우주의 시작이며 태양의 시작이다. 태양에서 수소가 다 소모되는 날, 우리 지구를 포함한 태양계의 모든 별들이 그 삶을 마치는 날이 될 것이다. 이처럼 수소는 시작이며 마침이다.
2014년 11월 8일
이 글은 원문의 수정 글이 아니고 새로 2차 수정 때 새로 쓴 글이다. 탄소와 산소는 있는데 정작 중요한 수소를 빼먹은 것 같아 첨가하였다.