재미 있고 신기한 과학드립의 과학 이야기

과학드림의 무섭게 빠져드는 과학책 - 읽다 보면 어느새 과학이 쉬워진다!
김정훈(과학드림) 지음 / 더퀘스트 / 2023년 10월

가장 먼저 눈에 띄는 부분은 빅뱅 후 4억년이 지난 시점에 수소로 가득한 먼지 속에서 수소끼리 뭉쳐 헬륨으로 변하는 핵융합 반응이 일어났다는 글이다. 암흑 시대가 끝나고 빛의 시대가 도래한 것이다. 별(항성)의 탄생은 중요하다. 우리가 별로부터 유래했기 때문이다. 빅뱅 후 90억년이 지나서야 우리 은하가 생겼다. 갓 태어난 지구는 불덩어리에 가까웠다. 행성 충돌이 잦아들면서 차츰 온도가 식었다. 이후 무거운 원소는 가라앉아 핵이 되었고 가벼운 원소는 상승해 맨틀을 이루었다. 표면에서는 마그마가 굳어 원시 지각을 형성했다.

지구가 점차 식어가면서 대기 중 수증기는 비가 되어 내려 강과 바다를 만들었다. 6500만년전 멕시코 유카탄 반도에 지름 10km 정도의 소행성이 충돌해 공룡이 멸종했다.(27 페이지) 트라이아스기 후기인 2억 3천 4백만년전에서 2억 3천 2백만년전 사이인 200만년간 이어진 카르니안절 우기 사건으로 공룡은 당시 생태계에서 5~10% 비율에서 90% 비율로까지 상승했다.(47 페이지) 카르니안절 우기 사건은 어떤 이유로 일어났을까?

두 가지 가설이 제시되었다. 1) 화산 활동 가설, 2) 조산 운동 가설 등이다. 1)은 대규모의 화산 활동으로 다량의 온실 가스가 배출됨으로써 지구 온난화가 초래되어 물의 증발이 활발해져 많은 비가 내렸다는 것이다. 2)는 바다에서 융기한 킴메리아 산맥(지층)이 약 2억 5천만년전부터 천천히 위쪽으로 이동한 결과 신(新)테티스해가 열리고 구(舊)테티스해는 점점 닫혔는데 신테티스해에서 만들어진 구름이 킴메리아 산맥에 의해 차단되어 육지로 이동하지 못한 관계로 구름이 계속 쌓이면서 형성된 크고 강한 비구름이 판게아 대륙에 지속적으로 비를 뿌렸다는 주장이다.(49 페이지)

공룡 멸종은 아마존 밀림을 탄생시켰다. 운석이 충돌하면서 발생한 먼지구름과 잿더미에는 식물 성장에 필요한 인(燐; P)이 대량 함유되어 있다. 이 먼지가 땅으로 가라앉으며 인이 토양에 공급되기 시작했다. 인이 풍부하고 비옥한 토양에서는 겉씨식물보다 속씨식물이 더 빠르게 성장한다. 인의 공급은 폐허가 된 아마존 토양에서 속씨식물이 우점종이 될 수 있는 환경으로 작용했다. 7500만년전부터 다양해지기 시작한 콩과식물(속씨식물)은 뿌리에 서식하는 뿌리혹 박테리아의 도움으로 공기 중의 질소를 고정시킬 수 있다. 이 때문에 더 빠르게 아마존의 빈 생태적 틈새를 속씨식물이 채울 수 있었다.

아마존 열대림 형성에 가장 중요한 요소는 공룡의 멸종이다. 대멸종 이전에는 거대한 초식 공룡이 우뚝 솟은 나무의 잎사귀를 뜯어 먹었기 때문에 숲의 캐노피 밀도가 낮게 유지되었고 햇빛이 지면에 골고루 닿았다. 공룡이 멸종하면서 속씨식물의 잎사귀를 대량으로 먹어 치울 동물들이 사라졌다. 공룡 멸종이 속씨 식물의 번성을 가속화했다는 의미다. 이후 아마존 밀림은 차츰 빽빽한 숲으로 뒤덮이기 시작했다.(283 페이지) 빽빽한 숲에서는 키가 큰 식물만 햇빛을 많이 받기 때문에 위쪽 식물과 아래쪽 식물의 탄소 동위원소 비율이 달라진다.

개방된 숲에서는 모든 식물이 햇빛을 골고루 받아 어느 식물이든 탄소 동위원소의 비율이 같다. 대멸종 이전의 아마존 식물 화석에서 추출한 탄소 동위원소 비율은 높이 자란 식물이든 아래쪽에 자란 식물이든 큰 차이가 없다. 대멸종 이후의 식물 화석군에서는 탄소 동위원소의 비율 차이가 컸다.(284, 285 페이지)

흥미로운 점은 현무암이 이산화탄소를 잘 흡수한다는 사실이다.(38 페이지) 로디니아 대륙에 만들어진 대규모 현무암 지대가 이산화탄소를 흡수해 온실효과를 감소시킴으로써 냉각기가 도래했으나 결국 얼음이 현무암의 이산화탄소 흡수를 막아 온실효과가 다시 왔다. 이렇게 막을 내린 눈덩이 지구는 생명 다양성의 시작으로 이어졌다. 이산화탄소의 증가로 광합성 세균은 많은 양의 산소를 만들어 대기와 바다 깊은 곳까지 공급했다. 얼음에 갇혀 있던 암석들이 지표에 노출되어 풍화 및 침식에 따라 인, 포타슘, 철, 칼슘 같은 무기염류가 바다로 흘러들어 동물들의 외골격이나 신체 조직으로 이용되었다.(40, 41 페이지)

현재 인류의 삶을 위협하는 지구온난화가 수천만년전에는 인류 기원의 단초가 되었다.(57 페이지) 페름기 해양 생물종의 멸종 원인은 무엇일까? 지각을 뚫고 올라오지 못한 마그마에 답이 있다. 지각판 아래에 고여 있던 마그마가 난방 배관처럼 주변으로 계속 뻗어나갔다. 이 과정에서 마그마는 수억년 동안 지층에 쌓여 있던 셰일, 탄산염, 석탄, 석유 등의 화석 연료를 태웠다. 온실 기체의 분출은 약 200만년 동안 지속되었다.(67 페이지) 지구는 더워졌고 해양은 산성화되었고 유독 가스는 만연했다. 이것이 페름기 대멸종의 메커니즘이다.

흥미로운 것은 식물마저 50~75% 멸종했다는 사실이다. 오존층을 파괴하는 가스가 대량 배출되었기 때문이다.(71 페이지) 페름기는 고생대의 마지막 기이다. 공룡은 페름기의 불지옥에서 살아남은 동물이다. 사하라 사막의 지하수와 페름기 해양 생물종의 대멸종은 비교할 만하다. 전자는 지하로 스며든 물 즉 대수층(帶水層)으로 인한 것이다. 후자는 지각을 뚫고 올라오지 못한 마그마로 인한 것이다. 물론 지하수가 아닌 다른 요인으로 오아시스가 생기기도 한다.

고래가 물속이 아닌 육지를 두 발로 걸어다녔다는 사실도 흥미롭다. 파키스탄의 고래라는 의미의 파키케투스라는 화석이 발견되었다. 파키스탄의 인더스강 주변 산지에서 약 5000만년전 살았던 육상동물의 뼛조각이다. 인간을 포함한 다른 포유류들은 공기 진동으로 소리를 듣기 때문에 귀뼈 내부에 공기를 받아들이기 위한 공간이 넓다. 물속에 사는 고래는 공기 진동이 아니라 물을 타고 퍼지는 소리를 뼈 자체의 진동으로 들어야 하기에 이 진동을 전달하는 새뼈집이 매우 두껍고 치밀하다. 새뼈집은 오직 고래목에서만 발견된다.

걷는 고래라는 의미의 암불로케투스 화석도 발견되었다. 바다와 민물은 산소 - 16과 산소 - 18로 서로 다르다. 암불로케투스는 바다와 강을 오가며 이중생활을 하다가 육지에서 바다로 진출한 중간 단계 종이다.(110 페이지) 먹이를 더 잘 찾고 포식자를 피하는 등의 이유로 육지에서 바다로 진출했을 것이다.

진화는 한치 앞을 내다볼 수 없고(113 페이지) 혁신적이다.(133 페이지) 진화는 또한 최고의 결과물이 아니다. 그저 조상이 가진 기본 틀에서 조금씩 변형될 뿐이다.(251 페이지) 궁금한 것은 진화가 이토록 혁신적이라면 왜 바퀴 달린 동물이나 프로펠러로 헤엄치는 물고기, 날개 달린 유인원은 없는 것일까? 영국의 생물물리학자 찰스 코겔은 ‘생명의 물리학’에서 바퀴는 다리보다 비효율적이라서 진화하지 않았다고 답했다. 그는 바퀴가 도로나 철도 같은 평평한 표면에서는 더할 나위 없이 효과적이지만 언덕과 자갈, 늪지, 진흙 등 수많은 장애물로 뒤덮인 자연환경에서는 비효율적이라고 강조했다.

자연에서 살아가는 생물에게 바퀴는 오히려 생존에 매우 불리한 형질이다. 특히 먹이를 사냥하거나 천적을 피할 때 방향을 빠르게 전환하려면 다리가 바퀴보다 훨씬 유리하다고 주장했다.(135 페이지) 진화는 일종의 땜장이다. 처음부터 완벽한 것을 설계하는 것이 아니라 기존의 것을 조금씩 고쳐가며 처한 상황마다 최선의 방법을 찾아내는 과정이다.(138 페이지) 리처드 도킨스는 인류의 팔이 날개로 진화하려면 여러 중간 단계를 거쳐야 한다며 특히 중요한 부분은 각 단계가 어떤 식으로든 생존에 도움이 되어야 한다고 설명했다. 만약 그렇지 않다면 팔이 날개로 진화하기 어렵다.

반대로 새가 날개를 갖게 된 이유는 진화의 중간 과정마다 매번 생존에 어떤 식으로든 도움이 되었다는 의미다.(140 페이지) 날개는 수많은 과정을 거쳐 누적된 자연선택의 결과다. 특정 형질이 변하거나 새로운 형질이 등장하려면 선택압이 필요하다. 오랜 세월 선택압이 없었던 은행나무는 1억년 전 모습 그대로 현재에 이르렀다. 인간을 비롯한 여타 포유류(박쥐 제외)에서 날개가 진화하지 않은 이유 중 하나는 당시 환경에서 날개가 등장할 만한 선택압이 없었기 때문이다.(142 페이지) 등장하기 어려운 형질을 불가능한 표현형이라 한다.

까마귀의 경우를 보자. 뇌에서 학습, 기억, 사고 등 지능과 관련 깊은 부위가 대뇌 바깥의 신피질이다. 조류의 뇌에는 신피질이 없고 팔륨(pallium)이라는 부위가 있어 신피질과 같은 역할을 한다. 까마귀의 뇌에 존재하는 팔륨에 분포하는 신경세포의 수가 비둘기, 닭, 타조 등 다른 새들의 신경세포의 수보다 압도적으로 많다는 사실이 발견되었다. 찰스 다윈 대학교의 동물학자 파벨 네맥 박사는 지능을 좌우하는 요인으로 뇌의 크기나 체중 대비 뇌의 질량이 아니라 뇌 속 신경세포의 밀도를 꼽았다. 그는 까마귀나 앵무새의 경우 그 밀도가 영장류보다 2배나 높다며 이들의 지능이 높은 이유를 설명했다.

까마귀 뇌의 진화의 비밀은 사회적 지능 가설에서 찾을 수 있다. 까마귀는 다른 새들보다 복잡한 사회생활을 한다. 이런 생활이 까마귀의 뇌가 고도화하는 선택압으로 작용했다. 까마귀는 유독 긴 유아기를 갖는다. 비행 방법만 배우면 부모로부터 독립하는 다른 새들과 사뭇 다른 행동 양식이다. 이는 뉴런의 신경 밀도 증가와 인지 능력 확장으로 이어졌을 것이다.

1974년 11월 고인류학자 도널드 요한슨은 에티오피아 아파르 지역에서 330만년전의 고인류 화석을 찾았다. 오스트랄로피테쿠스 아파렌시스(일명 루시)다. 두개골은 없었지만 특별한 단서가 나왔다. 루시는 인류 진화 과정에서 큰 두뇌보다 두 발 걷기가 먼저 나타났다는 결정적인 단서를 제공했다. 이들의 허벅지 뼈는 안쪽으로 모이는 모습을 했다. 이는 두 발 걷기를 하는 인간의 특징이다. 걷는 과정에서 한 발이 땅에서 떨어질 때 나머지 한 발로 중심을 잡기 위한 것이다. 침팬지를 비롯해 네 발로 걷는 동물들은 허벅지 뼈의 방향이 일자로 쭉 뻗어 있다. 침팬지와 달리 인간의 골반뼈는 좌우로 흔들리지 않고 균형을 잡기 위해 왕관 모양을 하고 있다. 루시의 골반뼈 역시 현재 인류와 유사했다.(214 페이지)

2년 후인 1976년 고인류학자 메리 리키 박사가 탄자니아 라에톨리 지역에서 역사에 길이 남을 발자국을 발견했다. 360만년전 이곳을 걸었던 오스트랄로피테쿠스 아파렌시스의 발자국 화석이다. 루시는 채식뿐 아니라 종종 육식도 했다는 주장이 제기되었다. 에티오피아 디키카 지역에서 어린 소의 것으로 보이는 340만년전의 허벅지 뼈에 날카로운 석기 자국이 있는 것이 발견되었다. 해당 시기 이 지역에 살았던 고인류 종은 오스트랄로피테쿠스 아파렌시스가 유일했다. 루시가 도구를 사용했고 육식도 병행했음을 암시하는 증거다. 물론 루시는 적극적으로 동물 사냥에 나서지는 못했을 것이다. 몸집이 작아 맹수가 먹다 남긴 동물 사체를 노렸을 것이다. 훗날 루시는 200만년전 새롭게 등장한 호모속에게 최초의 인류 자리를 내주었다. 물론 두 발 걷기와 육식, 도구 사용, 한 단계 진전된 두뇌, 협력 사회까지 구축한 루시는 분명 최초의 인류답다.(221 페이지)

인간은 침팬지, 고릴라, 오랑우탄, 과일 박쥐, 기니피그와 같이 체내에서 비타민 C 합성을 하지 못한다. 저자는 비타민 C를 버리고 얻은 진화적 이점에 대해 논한다. 수백만년전 인류의 조상은 과일을 쉽게 구할 수 있는 숲에 서식했다. 그렇기에 비타민 C를 합성하는 유전자가 고장 나도 큰 문제가 없었다. 하지만 훗날 인류가 숲을 벗어나 초원지대로 나오고 진화를 거듭한 호모 에렉투스 같은 인류의 조상이, 기후가 저마다 다른 여러 대륙으로 진출하면서 비타민 C 결핍에 시달리는 경우가 많아졌을 것이다.(256 페이지) 인간이 잃어버린 유전자는 많다. 과학자들은 진화 과정에서 인류가 잃어버린(기능이 망가진) 유전자가 무려 2만개에 달할 것으로 추정한다.

어떤 유전자는 불 때문에 잃었다. 불로 음식을 구워 먹는 과정에서 식물의 독성 물질이 제거되기에 인류 조상은 굳이 쓴맛을 느끼는 유전자를 갖고 있을 필요가 없었을 것이다. 인류의 뇌는 3000년전까지 폭발적으로 커지다가 그 이후 급격한 감소세를 보였다. 정보의 외장화와 극단적인 분업화가 원인이다.

인간에게만 맹점이 있고 부비동에 염증이 생겨 축농증에 잘 걸린다. 인간은 삼키기와 숨쉬기를 동시에 할 수 없는 동물이다. 뱀이나 새는 호흡과 소화 경로가 완전히 구분되었다. 진화생물학자 이상희 교수는 우리의 목구멍이 이렇게 비효율적으로 진화한 이유는 언어를 사용하기 때문이라고 밝혔다. 말을 못하는 침팬지는 후두가 위로 올라와 있는 반면 성인 인간은 후두가 한껏 아래로 내려와 있기 때문에 목소리통이 커질 수 있고 이 덕분에 다양한 음성을 만들 수 있게 되었다는 것이다.(254 페이지) 우리의 목구멍은 질식사의 위험을 떠안은 대신 말을 할 수 있게 되었다는 것이다.

우리를 괴롭히는 사랑니는 수백만년전 우리 인류 조상에게도 있었다. 240만년전 놀라운 변화가 일어났다. 강한 턱 근육을 발현시키는 유전자에 변이가 일어났다. 턱의 크기는 점차 작아졌지만 치아의 개수를 결정하는 유전자에는 변화가 없었다. 좁아진 공간에 32개의 치아가 모두 들어가야 하는 상황이 닥친 것이다. 특히 28개의 치아가 다 자란 후 마지막에 나는 사랑니가 자랄 수 있는 공간이 턱 없이 부족해졌다. 그 결과 사랑니는 이상한 각도로 날 수밖에 없었다. 불로 음식을 해먹는 과정을 통해 쓴맛을 느끼는 유전자를 잃은 인류는 불로 음식을 해먹게 됨으로 인해 턱이 작아져 사랑니까지 갖게 된 것이다.(265 페이지)

호모 날레디는 미스테리한 고대 인류다.(날레디는 별이란 의미다.) 이들은 초기 호모속과 오스트랄로피테쿠스의 특징이 섞인 모자이크 화석이다. 이들은 43만년전 무렵 출현한 네안데르탈인이나 30만년전 무렵 출현한 호모 사피엔스와 동시대를 살았다. 디날레디 챔버에서 발굴된 호모 날레디 화석은 1, 500점에 이르고 15 개체에 달한다. 한 자리에서 이렇게 많은 인류 화석이 발굴된 것은 흔치 않은 일이다. 이는 장례 문화 흔적으로 해석되었다. 뇌 용량이 600cc에 지나지 않는 이들이 호모 사피엔스의 직계 조상일 수 있다는 주장도 있다. 아직 가설이고 논쟁 중인 이야기다.(274, 275 페이지)

진화는 잡종의 역사라 할 수 있다. 남극은 지구에서 다섯 번째로 큰 대륙이다. 남극을 덮고 있는 얼음이 모두 녹으면 지구 해수면이 60미터나 상승할 수 있다고 한다. 남극 얼음은 소금이 녹아 있지 않은 담수다. 이러면 해수의 염도가 대폭 낮아져 산호를 비롯한 수많은 해양생물을 죽음으로 내몰 수 있다.

대규모의 해수 순환은 해수의 온도와 염도에 따른 밀도 차이에 의해 발생한다. 염도가 떨어지면 해수의 밀도도 변화해 지구의 해양 대순환이 망가질 수 있다. 해양 순환은 대기 순환과 연관되기 때문에 결국 지구 전체의 날씨가 극심한 변화를 맞을 수 있다. 저자는 세균이 없는 세상은 죽음의 세계가 될 것이란 말을 한다. 모든 것이 연결되고 관계하는 진화의 실상을 극적으로 보여주는 글이다. 과학의 의미를 저자의 책을 통해 실감한다.