유레카 3 -마흔두번째이야기
(지구상에 차고 넘치게 산소가 존재하는 이유에 대한 해답은 시아노박테리아(Cyanobacteria, 남세균(藍細菌) 또는 남조세균(藍藻細菌))이다)
2부. 생명
16장. 산소 2
* 이 글은 <유레카3>의 42번째 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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108. 산소와 생명
지난 번 우리는 생명에서 탄소가 차지하는 역할과 비중을 알아보았다. 탄소는 유기물의 형태로 생명체 자체를 구성하고 그 생명체가 살 수 있도록 온도를 조절 해 준다.
나는 탄소에 대한 깨달음을 얻고 긴 한숨을 쉬었다. 숨을 쉬는 동안 몸에 들어온 산소가 적혈구라는 멋진 레드카를 타고 온 몸을 순회한다. 산소는 미토콘드리아라는 장치를 이용해 근육에서 탄소 하나를 냉큼 집어삼키고 사람에겐 쓰레기이지만 식물에겐 소중한 음식인 이산화탄소로 탈바꿈한다. 그리고 에너지를 남긴다. 이 에너지로 우리는 생각도하고 운동도하며 체온도 유지한다. 탄소와 산소가 어울려 생명을 유지하는 에너지가 창조된다.
(미토콘드리아는 포도당과 산소를 물과 이산화탄소로 바꾸고 ATP라는 생활에너지를 얻는다)
산소!
우리 인간은 3분만 산소가 없어도 정신이 혼미해지고, 5분만 없으면 뇌사상태에 빠지고, 8분이 지나면 사망한다. 산소는 인간의 생명유지 있어 없어서는 절대로 안 되는 가장 중요한 요소이다. 그러나 산소가 모든 생명에게 처음부터 그랬던 것은 아니다.
(산소 분자는 산소원자가 2개 결합된 형태로 바깥의 2개씩은 전자는 서로 공유한다)
109. 산소
영어로 Oxygen으로 불리는 산소는 우주에서 수소와 헬륨 다음으로 많이 존재하지만 대부분 다른 물질과 결합되어 있어 산소 분자로만 이루어진 유리산소(free oxygen)는 찾기 어렵다. 산소는 수소보다 대략 16배 무겁다. 대부분의 산소는 양성자와 중성자와 전자가 각각 8개씩 존재한다. 지구의 대기를 포함한 지각을 이루는 성분 중 산소가 차지하는 비중은 대략 절반인 50%정도이다. 이중 대부분은 물(H2O, 산소 전체의 약 88%)의 형태로 바다와 빙산, 지하수와 강과 호수의 형태로 존재한다. 산소는 바위와 모래의 형태로도 존재하는데 이산화규소(SiO2)는 모래의 주성분 중 하나이고, 토양과 바위의 주요 구성 성분인 규산염에도 다량의 산소가 포함되어 있다.
기체의 형태로는 수증기도 있지만 대기 성분의 약21%를 차지하는 유리산소인 산소분자(O2)와 자외선을 차단하는 오존(O3)이 있다. 오존은 지난번에 이야기하였고 이번 이야기의 주인공은 우리가 숨을 쉬는데 필요한 기체로 존재하는 산소분자이다.
[지구에는 왜 다른 별과는 달리 산소공기가 있지?]
산소는 활동성이 강한 아이라 혼자 있으려 하지 않고 할 수만 있으면 다른 아이와 결합해 있으려 한다. 화성이 붉은 이유는 철과 결합한 산소 즉, 산화철 때문이고, 금성의 대기는 탄소와 결합한 산소, 즉, 이산화탄소의 양이 96.5%에 달한다.
110. 지구 생명의 아버지 - 시아노 박테리아
지구상에 차고 넘치게 산소가 존재하는 이유에 대한 해답은 시아노박테리아(Cyanobacteria, 남세균(藍細菌) 또는 남조세균(藍藻細菌))이다. 원시 지구의 환경은 그야말로 혹독했을 것이다. 그 혹독한 환경을 극복하고 지구의 환경을 생명이 존재할 수 있도록 개척한 지구 모든 생명의 아버지는 시아노박테리아이다. 시아노박테리아는 광합성을 통해 산소를 만든다.
(여러가지 남조류의 사진)
현재 알려져 있는 가장 오래된 화석은 호주에서 발견된 약 35억 년 전의 시아노 박테리아 화석이다. 이로 인해 최소한 35억 년 전에는 지구에 생명 활동이 있었다는 것은 확실해졌고, 또 다른 연구인 그린란드의 지질 조사에서 유기물의 중심원소인 탄소 동위원소의 연구에 의하면 38억 년 전에 생명이 시작되었을 것이라 추측하고 있다. 지구가 약 45억 년 전에 만들어 졌으므로 지구는 확실히 생명체를 위한 일종의 인큐베이터 혹은 생명 실험실의 행성이라 해도 틀린 말은 아닐 것이다. 우리나라에서도 시아노박테리아의 퇴적 화석인 스트로마톨라이트 바위가 많이 발견되는데 약 8억 4천만 전에 형성된 서해5도 소청도의 탑동포구의 남쪽해안의 분바위, 약 5억 년 전에 형성된 영월의 거북등껍질바위 등이 대표적인 화석이다.
(소청도의 분바위)
(영월의 거북등껍질 바위)
추측하건데 전 지구에 걸쳐 수십억 년 동안 물이 있는 곳 어디서나 시아노박테리아는 존재했을 것이고 그의 생명활동은 지구를 산소가 넘치는 행성으로 만들고 마침내 산소를 이용하는 생명체들이 생겨나게 되었고, 이들은 반대로 산소를 이용해 이산화탄소를 생산하게 되었다. 지구는 이 두개의 생명군의 조합으로 산소와 이산화탄소의 비율을 절묘하게 조절되어 안정적인 생명활동이 가능한 별이 되었다. 어떤 과학자들은 이러한 일들이 자연의 선택에 의하여 아주 운 좋게 우연히 이루어진 일이라 한다. 이러한 일들과 또 앞으로 생명에게 일어날 수많은 사건들이 지속적인 우연의 결과인지 아니면 누군가의 작용인지를 판단하는 것은 우리의 몫이며 우리 철학 탐구의 미션이다.
(시아노 박테리아의 구조)
현재 알려져 있는 남조식물은 약 150속 2,000종이다. 우리가 흔히 클로렐라라고 부르는 건강식품도 시아노박테리아인 남조류의 일종이다.
(건강식품으로 상품화된 남조류의 일종인클로렐라)
이들은 어떤 환경에서도 살아남는 정말 생명력이 강한 생명체이다. 바닷물이나 민물을 가리지 않고, 차가운 얼음이나 눈 속에서도, 펄펄 끊는 뜨거운 온천에서도 살아 갈 수 있다. 또 흙 속이나 나무에 빌붙어서도 살 수 있는데, 물만 있으면 어디에서든지 살 수 있는 생명체이다. 이들은 초기 지구의 극도로 불안정한 대기와 지표 그리고 바다 속에서 악착같이 살아남아 지구의 대기에 산소를 뿌리고 생명의 유전자를 전달했다. 사실 현재에도 지구에서 생성되는 산소의 약 3/4은 바다의 조류에 의해 만들어지고, 육지 식물에 의해 만들어지는 산소의 양은 전체의 약 1/4에 불과하다.
과학자들은 얼음이 있는 화성의 극지방에 시아노박테리아를 심을 생각을 하고 있는데 계획대로만 된다면 약300년 정도의 시간이면 화성의 대기에 풍부한 산소를 만들 수 있을 것이라 한다. 신나지 않는가? 화성의 크기는 지구의 절반 밖에 안 되지만 에베레스트 산 보다 열 배나 더 높은 올림푸스 산도 있고 미국에 그랜드캐년 보다 열 배나 더 길고 깊은 마리너 계곡도 있다. 몇 백 년 후의 우리 후손들은 새로운 지구인 화성으로 신혼여행, 수학여행을 갈지도 모른다.
원문 ; 2014년 3월 6일
1차 수정 ; 2014년 7월 17일
2차 수정 ; 2014년 11월 6일