[과학 지식] 원소와 생명체의 탄생

생명은 어떻게 탄생하였는가?

 지구 생명체들에게 바다는 고향입니다. 최초의 생명이 바다에서 탄생했습니다. 이들은 태양의 자외선을 피해 삼십억 년 이상을 바다에만 머물렀습니다. 생명체들이 육지에 상륙한 것은 지구 대기에 산소가 공급된 이후입니다. 바다에서 탄생한 최초의 생명체들이 바로 지구에 산소를 불어넣은 주인공들입니다. 막 탄생한 초창기의 지구는 대기에 가득한 것은 암모니아 수소, 메탄과 같은 가스만 존재하였으며 산소는 아직 존재하지 않았습니다. 지금의 생명체들은 숨조차 쉴 수 없을 만큼 뜨겁고 척박했었습니다.

 삼십오억 년 전 원시 바다에서 최초의 생명 단세포 박테리아가 탄생했습니다. 이들의 먹이는 바다에 가득했던 무기물이었습니다. 하지만 생명이 번성하면서 생존 경쟁이 시작되었습니다. 이때 몇몇 박테리아가 태양의 에너지에서 양분을 얻기 시작합니다. 빛 에너지와 이산화탄소를 이용해 영양분을 만들고 난 후 산소를 내뿜는 광합성을 하기 시작했습니다.

 삼십오억 년 전의 흔적은 아직 바다에 남아 있습니다. 그것은 바로 호주 서부의 해안에서 발견된 스트로마톨라이트라고 불리는 지구 최초의 산소 생성 유기물입니다. 이것은 광합성 작용을 하는 박테리아들이 층층이 쌓여 한 덩어리를 이룬 것입니다.

 박테리아들이 광합성을 통해 만들어낸 산소는 지구에 많은 변화를 가져왔습니다. 단세포였던 원시 생명체들이 산소에 적응하기 위해 선택한 방법은 공생이었습니다. 광합성을 하는 박테리아를 먹어 삼킨 다음, 세포 기관으로 이용하기 시작한 겁니다. 단세포였던 원시 생명체들은 이를 계기로 다세포 생물로 진화하게 되었습니다.

 약 사억 사천만 년 전. 대기의 산소 농도가 높아지면서 자외선을 차단하는 오존층이 생겨났습니다. 생명체들이 드디어 육지에 진출하게 되었습니다. 이렇게 물과 산소의 등장으로 지구는 생명이 번성하는 푸른 행성으로 진화한 것입니다.

원소가 이루어낸 기적

 지구의 생명을 꽃피운 건 물과 산소의 힘이었습니다. 식물이 만든 산소를 이용해 동물은 에너지를 생산하고 이산화탄소를 배출합니다. 이산화탄소는 식물의 영양분이며 탄수화물은 동물의 먹이가 됩니다. 이 과정에서 수많은 원소가 순환되면서 생명 활동이 이루어지고 있습니다. 원소들은 다양한 형태로 결합하고 분리되면서 지구와 생명체의 재료를 만들어 냈습니다.

 19세기말 러시아의 과학자 '멘델레예프'가 지구를 이루는 이러한 원소들 사이에 규칙을 발견했습니다. 그는 지구에 있는 모든 원소는 서로 연결고리가 있다고 믿었습니다. 그는 원자 중에서 가장 가벼운 수소 원자를 1로 가정하고 다른 원자들의 상대적 질량을 측정합니다. 이를 원자량이라고 합니다. 수소보다 16배나 무거운 산소의 경우 원자량은 16이 되는 겁니다.

 원자량의 크기순으로 원소를 나열하던 '멘델레예프'는 일곱 개의 세로 그룹이 형성되는 것을 발견하게 됩니다. 산소에 반응하는 원자의 비율이 주기적으로 반복되고 있던 겁니다. 바로 이것을 주기라고 합니다.

 세로 그룹에 배열된 원소들은 원자량이 달랐지만 화학적 성질은 서로 비슷했습니다. 이렇게 화학적 성질이 비슷한 원소들을 족이라고 부릅니다.

 지금까지 자연에서 발견된 원소는 92개입니다. 이 원소들의 성질을 결정하는 것이 중성자라는 것이 밝혀지면서 더욱 정밀한 오늘날의 주기율표가 만들어졌습니다. 이 원소들이 서로 화학반응을 일으키며 지구를 만들고 변화시키는 것입니다.

지구를 구성하는 원소의 탄생

 그렇다면 지구를 구성하는 원소는 어디에서 왔는지 알아보겠습니다.

 최초의 원소는 우주 빅뱅에서 탄생합니다. 137억 년 전 폭발과 함께 원소 중 가장 가벼운 수소와 헬륨이 만들어졌습니다. 수소와 헬륨이 뭉쳐 만들어진 우주의 첫 번째 별에서 또 다른 원소들이 탄생하게 됩니다.

 별의 내부에선 수소의 핵융합이 일어납니다. 핵융합이란 높은 온도와 압력으로 인해 두 개의 가벼운 원소가 충돌하면서 더 무거운 원소를 만들어내는 과정을 말합니다. 별의 내부에서 수소가 모두 헬륨으로 바뀌면 내부 압력이 낮아지면서 크게 부풀어 오릅니다. 중심 온도가 1억 도에 달할 만큼 뜨거워진 바로 이때 우리 생명에 필수적인 다양한 원소가 탄생합니다. 헬륨이 핵융합을 통해 탄소가 되고 계속해서 산소와 규소 등 점점 무거운 원소를 만들어 내는 것입니다. 하지만 철보다 무거운 원소는 만들지 못합니다.

 질량이 큰 별은 폭발 직전 태양보다 10억 배나 밝은 초신성이 됩니다. 그리고 폭발하는 순간 수 초 동안의 짧은 시간에 엄청난 에너지를 방출하며 철보다 무거운 원소들을 만들어 냅니다. 초신성의 폭발과 함께 만들어진 원소들은 우주 공간으로 퍼져나가 새로운 별의 재료로 쓰입니다.

 오십억 년 전 초신성의 잔해가 우주의 헬륨과 수소에 섞여 태양계가 그 모습을 드러냈습니다. 태양계의 형성과 함께 드디어 중력 작용으로 운석들이 뭉쳐서 지구가 탄생합니다. 지구는 수없이 많은 미행성체가 충돌하면서 완전히 녹아버리게 됩니다. 마그마가 바다를 이룰 만큼 뜨거워지면서 물질의 분리가 일어나기 시작합니다. 중력의 힘으로 철과 니켈처럼 무거운 원소는 지구 중심으로 가라앉았고 압력과 밀도가 높아지면서 핵을 형성하게 되었습니다. 산소나 규소같이 상대적으로 가벼운 원소들은 위로 떠 올라 지각을 이루었습니다. 지구가 탄생한 지 45억 6,000만 년이 지났지만, 지구의 내부는 아직도 뜨겁습니다. 방사성 원소가 방출하는 열기 때문입니다. 바로 이 뜨거운 내부의 열기가 지구를 살아 움직이게 만듭니다.