유레카 3 -마흔번째이야기
(탄소의 철학적 의미는 생명과 문명이다)
2부. 생명
15장. 탄소 2
* 이 글은 <유레카3>의 40번째 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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101. 탄소의 경고
인류 일 만년의 문명은 불과 칼의 문명이다. 불은 탄소이고 칼은 철을 뜻한다. 인류가 지구의 생태계를 파괴하고 생명의 멸종을 이끌고 결국은 인류 스스로 자멸하는 어리석은 생명 종으로 기록될 것인지, 이 난관을 잘 극복해 지구 생명체의 맏형으로 또한 보호자로 오래도록 번성할 것인지는 지금 인류의 선택에 달려있다. 인류는 인류자신의 생존을 위해 모든 지식과 지혜와 역량을 총동원해야하는 급박한 시점에 서 있다. 영화 투모로우처럼 내일이면 너무 늦을 수도 있다. 그 선택 중의 하나가 탄소의 조절이다.
탄소는 너무 많은 양이 기체로 있으면 아니 된다. 도표에서 보듯이 산업혁명 이전에는 이산화탄소의 양은 300ppm을 넘지 않았다. 특히 근래에 들어 이산화탄소는 급격히 증가한다. 인류가 석탄과 석유 등 탄소원료의 무지막지한 소비로 인해 어마어마한 이산화탄소를 대기 중에 쏟아내기 때문이다.
인류도 이산화탄소의 증가가 얼마나 심각한 문제인지 이미 알고 있다. 1992년 브라질 리우데자네이루의 [기후 변화에 관한 국제 연합 기본 협약](The United Nations Framework Convention on Climate Change)과 1997년 일본의 교토 의정서(Kyoto Protocol)는 지구 온난화의 규제 및 방지를 위한 국제 협약이다. 이 의정서를 인준한 국가는 이산화탄소를 포함한 여섯 종류의 온실 가스의 배출량을 감축하며, 배출량을 줄이지 않는 국가에 대해서는 비관세 장벽을 적용한다는 내용으로 2005년 2월 16일 발효되었지만 각 국의 이해관계에 따라 잘 지켜지지 않고 있다. 한 예로 얼마 전인 2014년 6월 2일 미국의 오바마 정부는 미국의 탄소배출량을 2030년까지 2005년에 비해 약 30%감축하겠다고 발표했지만, 이는 교토의정서의 목표치에 한참이나 미치지 못하는 내용이고 이마저도 미국 내에서 심각한 반발에 부딪쳐 있다.
돈이 인류를 지배하는 한 인류가 다른 생명체와 공존과 공생, 평화와 협력이라는 현명한 길로 접어드는 것이 참으로 어려워 보인다.
102. 탄소의 순환
탄소가 기체가 되는 방법은 산소와 결합하여 이산화탄소 CO2가 되는 방법이다. 물론 연탄가스의 성분과 같이 불완전 연소되어 일산화탄소 CO가 될 수도 있겠지만, 일산화탄소는 말 그대로 불완전하기 때문에 빠르게 산소 하나와 더 결합하여 이산화탄소가 되려고 한다. 연탄가스가 위험한 것은 연탄가스의 주성분인 일산화탄소가 몸에 들어와 몸속의 산소를 빼앗음으로서 체내 산소 결핍 현상을 만들어 생명활동에 이상을 만들고 때론 정지시키기 때문이다. 탄소 하나에 산소 3개가 결합하면 탄산이 되는데, 탄산은 물에 녹은 이온 상태로 존재하며 자연 상태에서는 이산화탄소와 산소로 분리된다. 탄산음료를 마실 때 톡 쏘는 느낌은 탄산의 역할이다.
자연계에서 탄소가 산소와 결합하여 이산화탄소가 되는 방법은 크게 두 가지이다. 하나는 불이고, 또 하나는 호흡이다.
호흡은 동물이나 식물이 에너지를 얻기 위해 자기 몸속에 있는 탄소를 숨을 통해 들어온 산소와 결합시켜 이산화탄소를 만들고 그 때 생기는 열에너지를 체온유지와 운동에너지로 바꾸는 과정이다. 몇몇 박테리아를 제외한 지구상의 거의 모든 생명체는 호흡을 통하여 고체 상태의 탄소를 기체상태의 이산화탄소로 바꾸는 일을 하고 있다. 그러나 이산화탄소를 줄이기 위해 생물들에게 숨을 쉬지 말라고 할 수는 없다.
(광합성과 호흡)
생명의 호흡 이외에 자연계에서 탄소와 산소가 결합하는 경우는 불이 나는 것이다. 모든 불이 꼭 탄소와 산소와의 반응으로만 이루어지는 것은 아니지만, 지구 위에서 우리가 생각하는 대부분의 불은 탄소와 산소와의 결합이다. 쉽게 나무나 종이가 타는 것을 생각해보면 된다. 화산이 폭발하고, 커다란 유성이 떨어지고, 벼락이 치고, 나무들이 아주 밀집된 숲에서 바람의 작용으로 마찰이 일어나 자연 발화 되는 것을 제외하면 자연계에서 자연히 불이 나는 경우는 드문 현상이다. 그러나 인간은 문명이라는 이름으로 어마어마한 불을 만들면서 사정이 달라졌다. 자동차, 공장, 발전소는 눈에는 보이지 않지만 탄소가 불타고 있는 아궁이이다.
지구에서 이산화탄소는 어떻게 유지되고 조정되어 왔을까? 그것은 생태계 순환의 오묘한 조화로 이루어진다.
지구에서는 식물과 동물이 호흡과 광합성이라는 상반되는 두 작용을 통해 이산화탄소의 양을 조절해 왔다.
(광합성을 통하여 물과 이산화탄소가 포도당과 산소로 변화된다. 6CO2 + 12H2O → C6H12O6 + 6H2O + 6O2)
그림에서와 같이 동물을 비롯한 생명체들이 호흡을 통하여 만들어낸 이산화탄소를 식물은 햇빛과 물을 이용하여 탄수화물을 만든다. 이 탄수화물이 2차적인 식물의 작용으로 그 식물의 특성에 맞게 콩처럼 단백질로도, 깨나 땅콩처럼 지방질로도 변형될 수도 있다. 이렇게 만들어진 탄수화물, 지방, 단백질은 생명체의 몸을 구성하고 움직이거나 체온을 유지하기 위한 에너지원으로 사용되며 이 때 구성되어 순환되는 탄소 분자를 우리는 [유기물(有機物)]이라 부른다. 유기물은 탄수화물과 지방질의 경우 탄소와 수소 그리고 산소의 결합이며 단백질의 경우 여기에 질소가 포함된다. 오늘날에는 홑원소물질인 탄소, 산화탄소, 금속의 탄산염, 시안화물·탄화물 등을 제외한 탄소화합물의 총칭한 분자를 유기물로 본다.
생명은 온도에 굉장히 민감하며 취약하다. 지구의 평균기온이 단 2도 이상만 떨어져도 지구는 빙하기가 된다. 그 반대의 경우는 사실 더 위험하다. 온도의 변화에 식물들이 적응하지 못한다면 지구는 순식간에 사막과 같이 황폐화될 것이다. 지구 온난화는 정말로 위험한 무기이다. 우리는 매년 기후를 급격한 변화를 체감하고 있다. 작년 겨울 아메리카 대륙은 꽁꽁 얼어붙었고, 올해 2014년 우리나라는 5월에 이미 30도를 넘는 날씨를 기록했으며, 며칠 전에는 우박에 토네이도까지 관측되기도 하였다. 올 여름 사상 최악의 슈퍼 태풍이 오고, 40도가 넘는 무더위로 전기가 끊기는 블랙아웃 사태가 재연된다 해도 전혀 이상할 것이 없다.
지구는 이산화탄소를 줄이고 지구온난화를 막기 위해 스스로 노력하는데, 탄소를 영원히 저장하는 방법을 사용하기도 한다. 일부는 물에 녹지 않는 탄화칼슘과 같은 해양생물의 껍질로 만들어 남기거나, 해저에 침전물로 쌓아 퇴적암의 형태로 보관하기도 한다. 이렇게 하여 이산화탄소가 과생산 되는 것을 조금이라도 방지하고자 한다.
생명체는 또한 물의 순환계를 통하여 온실효과를 조절하는 과정에도 관여한다. 예를 들면 황 및 요오드의 순환에는 미세한 수중 식물이나 식물 플랑크톤이 관여하며, 식물은 이러한 원소를 대기 중에 방출하고, 그 입자 주위에 대기의 수증기가 달라붙어 구름을 형성한다.
수증기가 상승하면 기온이 낮아져 냉각, 응축되어 구름이 생성된다. 지구의 온도가 높을수록 증발이 잘 되고, 지구 표면의 2/3를 덮고 있는 대양에서 증발되는 수증기량은 더욱 많아지고 구름의 양도 따라서 더 많아진다. 구름은 하얗기 때문에 햇빛을 우주공간으로 도로 반사시켜 지구를 냉각시키는 효과를 낸다. 그리고 구름은 비를 뿌려서 물을 다시 지면으로 돌려보내 온도를 조정하는 효과를 낸다.
지구가 탄소의 양을 조정하고 온도를 유지하기 위한 지구생태계의 노력은 이렇게 가상하고 독특하기도 하다. 문제는 인류이다.
103. 오존의 경고
특히 지구온난화와 더불어 또 하나 심각한 것은 오존층의 파괴이다. 오존은 산소에서 다루어야 하지만 환경오염에 관한 부분이므로 여기에서 잠깐 언급하겠다. 산소원자 3개로 이루어진 오존분자는 태양자외선이 대기의 산소를 분해함으로써 생긴다. 오존이 가장 많이 존재하는 곳은 지상 13-24km 높이이다. 오존층은 지상의 생명에게 매우 유익한 존재이다. 생명체에게 치명적인 자외선을 차단해 주기 때문이다. 자외선이 그대로 내리쬔다면, 인간이나 다른 동물들의 피부에 치명적인 암을 유발할 것이다. 자외선은 또한 원소 순환에 중요한 역할을 담당하는 식물 플랑크톤의 존재를 위협한다. 그리고 곡물은 자외선에 노출되면 작황이 줄어든다. 또한 오존이 고갈되어 상층대기가 냉각되면 기후변화를 초래할 수 있다. 금성은 지구처럼 생태계가 없기 때문에 화산폭발, 용암분출, 소행성충돌에서 나오는 이산화탄소를 줄여줄 방법이 없었다. 이산화탄소는 계속 축적되고 탄소는 꺼지지 않는 숯과 같이 열에너지를 품는다. 금성의 하늘은 노란 황산구름으로 가득 차있어 햇빛이 금성의 표면에 닿지도 못하지만 평균 온도가 400도가 넘는 지옥의 별이 되었다.
104. 탄소 문명
탄소!
탄소의 철학적 의미는 생명과 문명이다.
생명물질을 의미하는 유기물의 중심원소는 탄소이다. 분자 구성에서 탄소가 어떤 상태로 있느냐의 여부가 유기물과 무기물을 나누는 기준이며, 유기물의 존재와 역할에 따라 생명체인지 아닌지, 살아있는지 죽었는지를 판가름하는 기준이 된다.
탄소는 또한 철과 함께 인류 문명의 상징 원소이다. 탄소는 불, 즉 에너지의 원천이다. 불의 문명. 인류 일 만년의 문명은 탄소 연료와 함께 발전해왔고 21세기 인류는 탄소문명의 끝에 서 있다. 인류가 현재의 위기를 극복하고 지속적으로 유지, 발전하게 된다면 이 이후의 문명의 중심 원소는 아마도 탄소는 아닐 것이다. 새로운 문명의 중심엔 수소가 있을 확률이 가장 높다.
우리는 지금 지구와 생명에게 탄소의 순환이 가지는 철학적인 의미를 찾고 있다. 탄소의 순환을 통해 지구에서 벌어지는 복잡한 생명의 메커니즘이 단지 우연인지 누군가의 의지인지를 판단해보고자 하는 것이다. 탄소가 순환하므로 생명의 별이 된 지구와, 탄소의 순환이 없어 죽음의 별이 된 금성을 비교해보는 것은 이 판단에 도움을 줄 것이다. 그리고 탄소가 원활하게 순환되게 하는 임무가 현재 인류에게 주어진 가장 중요한 미션 중 하나이다.
원문 ; 2014년 3월 6일
1차 수정 ; 2014년 6월 19일
2차 수정 ; 2014년 11월 4일