유레카 3 -마흔세번째이야기
(생명에게 있어 산소의 철학적 의미는 역설(Paradox)이다. 생명은 산소로 인해 살지만 결국 산소로 인해 죽는다)
2부. 생명
16장. 산소 3
* 이 글은 <유레카3>의 43번째 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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111. 산소와 물
대기 중의 산소는 물의 보호막 역할을 한다. 물은 우주에서 가장 많은 수소와 세 번째로 많은 산소의 결합이기 때문에 우리 우주에 흔한 것은 당연한 것이다. 토성 너머의 천왕성과 해왕성, 카이퍼 벨트의 소행성과 오르트 구름의 혜성들의 주요성분은 얼음이다. 목성이나 토성도 그 핵은 얼음일 가능성이 높다. 물은 이처럼 우주에선 흔한 물질이다. 화성탐사선 큐리오시티가 보내온 사진에 의하면 화성은 오래전 지구처럼 강이나 천이 있어 물이 흘렀다고 한다. 그러나 지금의 화성은 극지방의 얼음을 제외하면 물 한 방울 없는 황폐한 붉은 사막이다. 달도 극지방에서는 적지 않은 양의 물이 얼음 형태로 존재하는 것으로 추측된다.
(NASA가 2010년 3월 2일공개한 달 북극 지도. 붉은 원이 평범한 분화구이며 초록 원이 얼음 형태의 물이 발견된 분화구이다. 달 북극에는 이러한 분화가가 40여개나 발견됐으며 모두 합치면 6억t의 물이 존재하는 것으로 추정됐다. 출처:NASA)
그러면 얼음 말고 평범한 물은 다 어디로 간 것일까? 지구는 전체 지각의 약 70%를 바다가 뒤덮고 있을 정도로 물이 많다. 태양의 자외선은 물을 수소와 산소로 쪼개는 역할을 한다. 이 중 수소는 가벼워 중력을 이기고 금방 우주로 날아간다. 짝을 잃은 산소는 다른 짝을 찾아 결합하는데 앞에서 이야기했듯이 화성의 경우는 철과 합쳐져 화성의 대지는 온통 붉은색으로 변했고 얼마 되지 않는 공기의 대부분도 탄소와 합쳐진 이산화탄소(대기 성분의 95.3%)이다. 공기의 압력이 지구의 90배가 넘는 뜨거운 금성도 이산화탄소의 비중이 96%가 넘고 금성의 구름은 황과 산소가 합쳐진 황산구름이다.
그러면 지구는 왜 물이 멀쩡하게 존재하는 가에 대한 의문이 든다. 그것이 바로 대기 중 산소의 역할이다. 지구는 다른 행성과는 달리 우리의 용감한 시아노박테리아가 만들어 놓은 산소가 전 지구를 뒤덮고 있다. 지금은 대기성분의 21%이고 전에는 더 많았을 것으로 추정된다. 이렇게 풍부한 산소는 자외선이 쪼개어 놓은 수소가 우주로 날아가기 전에 다시 산소와 결합해물로 되돌려놓는다.
그럼에도 매년 약 30만 톤의 수소는 산소를 피해 우주로 유출되고 이 양을 물로 환산하면 약 300만 톤이 된다. 어마어마한 양 같지만 이렇게 지구 나이인 45억 년 간 계산해보면 1경 3500조 톤의 물이 사라진 것이고 이 양은 지구 전체 물의 약 1%에 불과하다. 현재 지구의 물의 양은 약 140경톤 정도 된다고 한다. 45억 년 간 1%가 사라졌고 앞으로 지구의 수명이 4-50억년 남았다고 가정하면 지구가 없어질 동안 바다가 사라질 경우는 없을 것이다. 단, 광합성을 하는 바다와 육지의 생물들이 없어지지 않는다는 조건이 필요하다.
산소는 지구의 물을 지키는 든든한 보호막이다. 다른 행성에 지구처럼 물이 없는 것은 바로 산소를 만들어내는 생명체가 없다는 뜻이기도 하다.
지구 초기의 생명체에게 산소는 물질대사의 부산물이었다. 이들에겐 산소는 똥이며 또한 독이었다. 유리 산소의 등장은 그 당시의 대부분의 생물을 멸종으로 몰고 갔으나, 반대로 산소를 이용하는 새로운 생물이 진화하는 계기가 되었다. 이 부분에 대한 이야기는 생명의 진화를 생각하면서 더 생각해봐야겠다.
112. 산소의 역설
산소는 생명의 상징이다. 대부분의 생명체들이 산소에 의존하여 에너지를 얻는다. 산소 없이 에너지를 얻는 '발효'라는 특별한 방법이 있기는 하지만 에너지 효율 면에서 산소 호흡의 1/10에 불과하기 때문에 몸체가 아주 작은 미생물 수준에서나 가능하지 몸체가 큰 생명체에게는 불가능하다고 생각해야한다.
산소는 이처럼 생명활동의 필수요소이기도 하지만, 노화와 죽음의 원인이기도 하다.
우리 몸에 들어온 산소가 모두 얌전하게 이산화탄소로 변해서 몸 밖으로 배출되는 것은 아니다. 사람은 하루 평균 약 500리터의 산소를 흡입하는데 이 중 약 2~5% 정도가 활성산소(Reactive oxygen species, ROS)로 변한다. 물론 음주, 흡연, 과격한 운동, 스트레스 등은 활성산소의 생산을 증가시키는 요인이기도 하다.
(활성산소의 위험성을 알리는 도식)
활성산소의 대표적인 아이가 슈퍼옥사이드(Superoxide, O2-)이다. 이 아이는 호흡을 통해 몸에 들어온 산소가, 적혈구를 통해 근육으로 이동 한 뒤, 미토콘드리아라는 장치를 통해, 전자가 하나 부족한 양성의 수소(H+)와 별도의 전자를 받아 중성인 물(H2O)로 변해야하는데, 오작동을 일으켜 수소는 받지 않고 전자만을 받은 상태의 아이이다. 슈퍼옥사이드는 이처럼 산소원자 하나에 전자가 2개씩 더 들어 있는데 이 말썽 많은 전자의 역할인지, 신체의 다른 분자들과 쉽게 산화반응을 일으킬 수 있으며, 이로 인해 세포와 조직이 손상을 입게 된다. 이러한 조직과 세포의 지속적인 손상은 노화의 원인이기도하다. 또한 세포의 DNA를 공격하여 변형시킬 수 있으므로, 암을 유발할 수도 있다. 우리 몸은 당연히 몸에 해로운 이 아이를 방어하는 시스템을 갖추고 있는데, SOD(Super Oxide Dismutase)라는 효소이다. SOD는 Superoxide를 과산화수소(H2O2)나 일반적인 산소(O2)로 변환시킨다.
(활성 산소의 종류와 역할)
또 하나의 대표적인 활성산소는 소독약으로 쓰이는 과산화수소(H2O2)이다. 이 아이는 전자가 많은 것이 아니라 물에 비해 아예 산소가 하나 더 많은 것으로 , 이 아이도 DNA나 세포막 등을 마구 파괴한다. 이 때 우리 몸은 카탈라아제 효소를 이용, 과산화수소를 신속하게 물과 산소로 분리 세포의 피해를 최소화시킨다. 활성산소가 우리 몸에 나쁜 일만 하는 것은 아니다. 우리 몸에서 어쩔 수 없이 만들어지는 과산화수소는 면역체계에도 사용되는데 우리가 과산화수소를 소독약으로 쓰는 것과 같이, 대식세포는 과산화수소를 분해하지 않고 우리 몸에 들어 온 세균을 죽이는데 사용한다.
이밖에도 여러 가지 활성산소들이 존재하고 그에 대한 방어시스템도 있지만 완벽할 수는 없으므로 활성산소로 인한 세포의 손상은 점점 축적되어 생명은 결국 노화와 죽음으로 이어진다.
생명에게 있어 산소의 철학적 의미는 역설(Paradox)이다. 생명은 산소로 인해 살지만 결국 산소로 인해 죽는다.
동굴 생명의 복도엔 여전히 산소 같은 여자가 아름답게 웃고 있지만 불빛이 깜박일 적마다 그녀의 얼굴은 점점 노화되어 간다. 할머니의 얼굴로 변해가던 여성의 얼굴이 점점 부풀어 오르더니 턱수염이 덥수룩한 할아버지의 얼굴로 변했는데 '하느님의 발자국을 따라가 본 남자' 라는 글자가 뜨더니 [찰스 다윈]이라는 이름이 화면 아래에 비춰진다.
나는 다시 물 한 모금을 들이킨다.
[진화는 창조의 역사이다.] 라는 소리가 들린 건 이때였다.
원문 ; 2014년 3월 6일
1차 수정 ; 2014년 7월 17일
2차 수정 ; 2014년 11월 6일