물, 불, 공기, 마그마 등에 관한 흥미로운 이야기

아는 만큼 보이는 세상 : 물리 편 - 사진과 그림으로 단번에 이해하는 81가지 친절한 물리 안내서 ㅣ 아는 만큼 보이는 세상
송경원 옮김, 가와무라 야스후미 외 감수 / 유노책주 / 2023년 2월

노을은 왜 붉을까?란 제목의 챕터에 하늘의 색은 무지개 색 순서대로 변한다는 글이 있다. 빨주노초파남보가 아니라 보남파초노주빨이리라. 하늘의 색깔은 빛과 공기의 조화에 의해 나타난다. 공기가 없는 우주에서는 빛이 산란하지 않아 검은색이다. 빛은 파장이 짧을수록 산란이 잘 일어난다. 구름은 물 등의 수많은 입자가 모여 만들어진다. 물 입자는 공기 입자보다 크기 때문에 태양 빛이 구름을 통과하면 모든 색의 빛을 다 산란시킨다.(Mie Scattering) 미에는 발견자인 구스타프 미에에서 온 이름이다. 이 때문에 하얗게 보인다. 파란색 빛이나 보라색 빛은 파장이 짧아 산란하기 쉬워 다른 색빛들보다 훨씬 많이 흩어진다. 그래서 우리 눈에 하늘은 물론 하늘이 비친 바다도 파랗게 보인다. 

바닷물이 파란 또다른 이유는 빨간색, 노란색, 주황색 빛 등은 바다에 닿는 순간 물에 흡수되지만 빨간색 계열과 반대되는 파란색 계열의 빛은 바닷물을 통과해 바닷속 물질이나 플랑크톤 등에 부딪히며 반사, 산란되어 바다가 파랗게 보이는 것이다. 박명은 태양이 지평선 아래에 있더라도 일부 빛이 상층 공기층에서 반사, 산란하여 발생하는 현상이다. 일출 전이나 일몰 후 얼마 동안 태양이 보이지 않아도 하늘이 희미하게 밝은 것을 박명(薄明)이라 한다. 빛은 평평한 면에 부딪힐 때의 각도(입사각)와 반사될 때의 각도(반사각)가 같다. 물체가 빛을 받을 때 반사하는 정도인 반사율이 높으면 거울처럼 실물을 비춰낸다. 입사각이 70도를 넘으면 반사율이 급격하게 높아진다. 호수 수면을 바라보는 각도가 수평에 가까워질수록 거울에 가까운 상태가 된다. 

등대의 불빛은 전구 앞에 놓인 프레넬 렌즈를 통해 한곳에 모인다. 이렇게 모인 빛은 일직선으로 나아가므로 멀리까지 전달된다. 프레넬 렌즈는 두껍고 무거운 볼록렌즈 대신 볼록렌즈의 표면 부분만 모아 조합한 것이다. 빛은 공기 중에서 물속이나 유리 등 다른 물질로 들어갈 때 꺾이는 성질이 있다. 빛은 색에 따라 꺾이는 각도가 다르다. 비 갠 직후 공기 중에 물방울이 떠다닐 때 태양을 등지고 서면 태양 빛이 물방울에 부딪혀 일곱 가지 색으로 나뉜 무지개를 볼 수 있다. 태양 빛이 물방울 속에 들어갔다가 나올 때 빨간색부터 보라색까지 여러 색으로 분해되기 때문이다. 무지개는 지면에서 위로 42도 부근에서 보인다.(빛은 색에 따라 꺾이는 각도가 다른 점 참고) 아침에는 서쪽 하늘, 저녁에는 동쪽 하늘에서 쉽게 찾을 수 있다. 태양이 머리 위에 떠 있는 낮에는 지면과의 각도가 42도를 넘어 무지개를 보기 어렵다. 무지개는 원래 원형이지만 아랫부분이 지면에 가려 반원 형태로 보인다. 

비행기를 타거나 등산 중 절벽에 서면 아랫부분까지 둥근 무지개를 볼 수 있다. 사막이나 한여름의 고속도로 등에서 땅바닥에 물이 고인 것처럼 보이는 것을 땅거울이라 한다. 땅거울은 실제 위치보다 아래에 사물이 보이는 아래신기루의 하나다. 바닷물은 거의 이동하지 않고 바람에 의해 생긴 해수면의 진동이 주위로 퍼져나가면서 에너지만 전달된다. 어떤 한곳에서 생긴 진동이 주위로 퍼져나가는 현상을 파동이라 한다. 영하 10도 이하의 기온이 지속되면 호수 표면은 얼어붙는다. 밤이 되어 기온이 내려가면 낮 동안 얼어 있던 호수 표면의 얼음이 수축하면서 균열이 생기고 그 틈으로 물이 들어가 얇은 얼음이 생긴다. 낮이 되어 기온이 오르면 얼음이 팽창하여 밤에 만들어진 얇은 얼음이 깨지면서 솟아올라 얼음길이 생긴다. 

얼음 위가 미끄러운 이유는 신발과 얼음의 표면 사이에 생기는 얇은 물막 때문이다. 얼음은 압력을 받으면 물로 변하는 성질이 있다. 얼음은 압력을 받으면 녹는점이 낮아져 물로 변하다가 압력이 사라지면 다시 얼음으로 돌아간다. 강의 상류는 경사가 급하고 흐르는 물의 속도가 빠르므로 침식 작용이나 운반 작용이 더욱 활발하다. 이렇게 오랜 시간 침식 작용과 운반 작용이 반복해서 일어나면 좁고 길게 파인 V자 형태의 계곡이 만들어진다. 

높은 곳에 있는 폭포 물은 위치 에너지(포텐셜 에너지)를 갖는다. 이 물이 중력을 받아 아래로 떨어지면 물의 위치 에너지가 운동 에너지로 바뀐다. 폭포 아래에 있는 웅덩이에 부딪힌 다음에는 운동 에너지가 열 에너지로 전환되어 물의 온도를 높이는 데 사용된다. 연잎이 물을 튕겨 내는 것을 연잎 효과라 한다. 이슬은 기온이 낮아지는 새벽에 공기 중의 수증기가 응축하여 생긴 물방울이다. 이 물방울이 동그란 모양을 유지하는 것은 표면 장력의 작용 때문이다. 액체는 형태를 자유롭게 바꿀 수 있지만 어느 정도 뭉치려는 성질이 있다. 각 물질의 분자들이 서로 끌어당기는 분자간 힘을 가지고 있기 때문이다. 유체처럼 움직이는 물질은 분자간 힘이 표면의 면적을 되도록 작게 만들려는 방향으로 작용한다. 이 힘을 계면장력이라 한다. 액체일 때는 표면 장력이라 한다. 물은 액체 중에서도 표면 장력이 크다. 

난류(亂流)로 인해 유체 마찰을 줄이는 구조를 리블렛이라 한다. 공기에도 무게가 있다. 기압은 위에서 아래로만 작용하는 힘이 아니다. 아래에서든 옆에서든 똑같이 작용한다. 공기 중에서 낙하하는 물체에는 중력과 공기 저항력이 작용한다. 무거운 쇠구슬에는 공기 저항력보다 중력이 훨씬 크게 작용하므로 쇠구슬은 가벼운 나뭇잎보다 빨리 땅에 떨어진다. 낙하산처럼 무게에 비해 면적이 넓은 나뭇잎에는 중력이 작게 작용하고 공기 저항력은 크게 작용하므로 낙하 속도가 느려진다. 나뭇잎은 떨어지면서 방향을 바꾸기 때문에 공기 저항력도 그때마다 달라진다. 

오로라는 북극이나 남극 주변 지역에서 관측할 수 있는 아름다운 자연 현상이다. 오로라가 생기는 원리는 지구의 자기장 및 플라스마와 관련이 있다. 지구는 북극과 남극에 자극을 가진 하나의 커다란 자석이다. 북극과 남극 사이에는 자기력이 작용한다. 자기력이 작용하는 공간을 자기장이라 한다. 태양에서 우주 공간으로 방출된 플라스마(전기를 띤 입자)의 흐름을 태양풍이라 한다. 지구는 보호막 역할을 하는 자기장이 둘러싸고 있어서 태양풍은 지구를 피해 휘어진 형태로 지구 뒤쪽으로 흘러가 플라스마 덩어리를 만든다. 그 후 플라스마 속의 전자가 지구의 자기력선을 따라 가속되어 극지방으로 쏟아져 내린다. 이때 전자는 대기 중의 원자나 분자와 부딪혀 빛을 낸다. 이를 오로라라 한다. 우주에서 날아오는 전기를 띤 입자가 지구 상공에서 대기와 부딪혀 빛을 내는 현상을 말한다. 

전자는 부딪히는 원자나 분자의 종류에 따라 색이 다르게 나타난다. 모래사장과 바닷물은 똑같이 뜨거워지지 않는다. 비열 차이 때문이다. 비열이란 물질 1그램의 온도를 1도 올리는 데 필요한 열량이다. 물의 비열은 다른 물질보다 훨씬 크다. 모래의 비열은 바닷물보다 작기 때문에 온도가 빨리 올라가 금방 뜨거워진다. 밤에는 낮과 반대로 모래사장보다 바닷물이 더 따뜻하다. 모래는 비열이 작아서 금방 식는 데 비해 바닷물은 비열이 커 온도가 잘 변하지 않는다. 

GPS는 인공위성을 이용해 자신의 위치를 파악하는 시스템이다. 고도 약 20,000km 상공에서 약 30대의 GPS 위성이 지구 주위를 돈다. 천연 다이아몬드는 약 10-33억년전 지하 약 200km 부근의 맨틀 내 깊숙한 곳에서 생성된 탄소 결정체다. 맨틀 내에서 만들어진 다이아몬드는 수억년 전 화산이 분출할 때 마그마와 함께 지표면 근처까지 빠르게 이동했다. 오랜 시간에 걸쳐 천천히 상승하면 다이아몬드도 흑연으로 변하기 때문에 단시간에 올라왔을 것으로 추정된다. 이때 만들어진 화성암을 킴벌라이트라 한다. 때로 다이아몬드가 들어 있다. 남아프리카 등에 분포한다. 

지구의 공전 운동에 따라 별의 위치가 달라지는 현상을 시차(視差)라 한다. 국제우주정거장은 왜 떨어지지 않을까? 매우 느리게 움직이는 것처럼 보이지만 시속 약 2.8만 km의 매우 빠른 속도로 지구 주위를 돌기에 떨어지지 않는다. 적어도 1만년 이상 시간이 흐르면 생물의 뼈는 주변의 돌과 거의 같은 성분을 지닌 화석이 된다. 화석 중에는 동물의 피부 무늬나 깃털의 흔적, 발자국, 식물의 잎맥 등이 도장이 찍히듯 진흙에 각인된 뒤 오랜 시간에 걸쳐 진흙이 단단한 암석으로 변하면서 만들어진 생흔화석도 있다.

맨틀은 암석으로 이루어진 고체이지만 오랜 시간에 천천히 움직인다. 지하 200km 정도에 있는 상부 맨틀은 온도가 약 1,500도에 달한다. 특히 주변보다 온도가 더 높은 부분은 위로 이동한다. 위로 올라갈수록 주변의 압력이 점차 낮아지므로 지하 100km 부분에서 맨틀은 끈적끈적한 액체가 된다. 이것이 마그마다. 마그마가 더 위로 올라가면 지하 1-10km 부근에서 많은 양의 마그마가 섞여 있는 마그마 방이 만들어진다. 지표면에 가까울수록 주변의 압력이 더욱 낮아지기 때문에 마그마에 녹아 있던 물이나 이산화탄소는 거품으로 변한다. 압력이 낮아지면 녹는점이나 끓는점이 비교적 낮은 물질은 액체나 기체로 변해 밖으로 빠져나온다. 거품을 포함한 마그마는 주변 암석보다 가벼워서 지표면의 갈라진 틈을 통해 지상으로 뿜어져 나온다. 이를 분화라 한다. 

태고의 지구는 자전 주기가 약 다섯 시간이었다. 달이 미치는 인력의 영향으로 서서히 속도가 느려져 지금과 같은 주기가 되었다. 지구의 자전은 조석(潮汐) 마찰로 인해 조금씩 느려진 것으로 추측된다. 달과 지구는 서로 인력으로 끌어당기고 있다. 달과 가까운 쪽에서는 달이 바닷물을 끌어당겨 밀물이 된다. 지구가 달과 지구의 공통 질량 중심을 회전하면서 나타나는 원심력 때문에 달 반대쪽의 먼바다에서도 바닷물이 부풀어 올라 밀물이 된다. 이때 중간에 있는 바다는 바닷물이 쪼그라들어 해수면이 낮아지는 썰물이 된다. 

유성의 정체는 대부분 우주 공간을 떠도는 티끌이나 먼지다. 이 티끌이나 먼지가 지구 중력에 이끌려 빠른 속도로 떨어지는 것이다. 크기가 큰 티끌이나 먼지는 다 타지 않고 지상으로 떨어진다. 이것을 운석이라 한다. 태양보다 30배 이상 질량이 큰 항성이 수명을 다하면 초신성 폭발을 일으킨 뒤 계속 수축하다가 블랙홀이 된다. 딸기처럼 붉은빛 또는 분홍빛 달이 뜨는 이유는 아침 해나 석양이 붉게 보이는 것과 원리가 같다. 지평선 가까이에 달이 있을 때 달빛 중 빨간색 빛이 대기에 흡수되지 않고 우리 눈에 도달하기 때문에 붉게 보인다. 수퍼문의 반대는 마이크로문이다. 

달과 태양은 지구에서 바라볼 때 겉보기 크기가 거의 같지만 달이 지구에 가까이 왔을 때는 달의 겉보기 크기가 조금 더 크다. 이때 일식이 일어나면 달이 태양을 완전히 가리는 개기일식이 일어난다. 평소에는 태양 빛 때문에 보이지 않지만 개기일식 때면 관측할 수 있는 태양의 대기층을 코로나라 한다. 달이 지구에서 멀어졌을 때 일식이 일어나면 달이 태양을 완전히 가리지 못해 태양의 가장자리가 반지와 같은 모양으로 빛난다. 이를 금환일식이라 한다. 6,600만년전 멕시코의 유카탄 반도에 충돌한 운석은 지름 약 160km의 크레이터를 만들었다. 양초는 심지에 불을 붙이면 양초의 재료인 왁스가 녹아 액체가 되고 이 액체 왁스가 심지를 타고 올라가 불이 붙은 심지에 가까워지면 기체로 변한다. 그 기체(왁스 증기)가 공기 중의 산소와 만나 타는 것이다.

우주선을 만드는 물리학자의 우주 미션 이야기

우주미션 이야기 - 인공위성 만드는 물리학자 황정아 박사의
황정아 지음 / 플루토 / 2022년 9월

우주선(宇宙船)은 지구 대기권을 벗어나 우주로 나가는 모든 인공적 물체다. 우주선 중 지구 주위를 주기적으로 도는 모든 물체를 인공위성이라 한다. 400km 고도에서 지구 주위를 도는 우주정거장도 인공위성의 일종이다. 540km 고도에서 지구 주위를 돌며 먼 우주를 관측하는 허블우주망원경도 인공위성의 일종이다. 화성, 목성 등 태양계의 다른 천체 주변까지 멀리 나가 비행하는 우주선은 우주 탐사선 또는 탐사선이라 불린다. 

발사 후 원하는 목표 지점으로 유도하는 기능이 있으면 미사일, 없으면 로켓으로 분류한다. 하지만 최근에는 방향을 유도하는 기능이 있는 로켓들이 개발되고 있다. 인공위성을 우주로 실어나르는 데 필요한 로켓을 제작하는 기술은 군사용 대륙간 탄도 미사일 제작 기술과 같다. 미사일의 로켓 꼭대기에 인공위성을 실으면 우주용 로켓이고 미사일을 실으면 군사용 로켓이 된다. 작은 나사 같은 것, 또는 작은 기술이라도 인공위성과 로켓 개발과 관련된 기술은 국가간 이전이 불가능하다. 이런 이유로 한미 미사일 지침 같은 불공정한 규제가 생겼으나 2021년 5월 21일 폐지되었다. 

액체연료는 고체연료보다 다루기가 매우 어렵다. 그래서 액체연료로만 발사체를 만드는 나라는 거의 없다. 고체 연료를 사용하는 로켓은 원하는 궤도에서 추력(비행기를 앞으로 나아가게 하는 힘) 조절이 불가능하다는 치명적 단점이 있다. 단순하게 비유하면 인공위성은 승객이고, 로켓은 버스나 택시다. 인공위성은 특수 목적을 위해 우주로 보내는 물체다. 위성을 원하는 궤도로 보내려면 막대한 에너지가 필요하다. 이를 위해서는 로켓이 필요하다. 로켓은 연료와 화학 반응물 등 추진체를 연소하여 인공위성을 목적지인 궤도에 올려놓는다.

위성을 운반하는 과정에서 연소를 끝낸 로켓은 일반적으로 분리되어 지상으로 떨어진다. 이때 분리된 로켓의 잔해물들은 대부분 해상으로 떨어지도록 설계한다. 인공위성은 임무, 형상, 궤도, 무게에 따라 나눌 수 있다. 위성이 갈 수 있는 자리를 임무 궤도라고 한다. 이 궤도에 따라 위성이 움직이는 고도가 달라진다. 임무가 지구 관측인지, 통신이나 기상인지 등에 따라 저궤도(250~2000km), 중궤도(2000~36000km), 정지궤도(36000km)로 달라진다. 궤도는 위성이 우주에서 다니는 길이다. 지구의 자전 속도와 같은 속도로 지구 주위를 돌 수 있는 36000km의 정지궤도가 주목된다. 

모든 위성이 원궤도로 움직이는 것은 아니다. 위성체의 궤도가 완벽한 원에서 벗어나 있는 정도를 수치화한 것이 이심률(離心律; eccentricity)이다. 이심률이 0이면 완벽한 원이고 0~1 사이면 타원궤도고 1은 포물선 탈출궤도이고 1보다 크면 쌍곡선 궤도다. 타원궤도에서 초점에서의 거리가 가장 먼 지점이 원지점이고 가장 가까운 지점이 근지점이다. 이 두 지점을 연결한 선이 궤도의 장축선이다. 지구 정지궤도는 적도상의 원궤도를 말한다. 정지궤도 위성은 지구 반지름(6400km)의 6.6배에 해당하는 고도 36000km 정도에서 움직인다. 

정지궤도의 단점은 궤도면이 적도로 제한되어 있어 자리 확보 경쟁이 치열하다는 점이다. 이를 우주영토 경쟁이라 한다. 몰니야궤도는 이심률이 매우 커서 원지점이 39400km이고 근지점은 1000km다. 한번 발사한 인공위성은 지구로 돌아올 수 없다. 우주 공간에서 계속 살아남아야 하는 인공위성은 태양전지판을 통해 전력을 공급받는다. 인공위성은 태양이 내뿜는 복사열을 쉬지 않고 받는다. 지구가 미치는 중력의 영향도 끊임없이 변한다. 다른 행성이나 혜성처럼 지구 바깥에서 작용하는 힘도 인공위성에 영향을 미친다. 

위성의 자세는 중력과 복사압 때문에 계속 흔들리고 틀어진다. 다시 원래 자세로 돌아와야 임무를 오래 수행할 수 있다. 인공위성이 살아가는 우주는 환경이 극한적인 곳이다. 인공위성은 크게 버스(본체)와 탑재체로 나뉜다. 별이 수명을 다해 폭발하면 고온 가스가 발생하는데 이 가스는 식으며 새 별을 탄생시킨다. 고온가스를 규명하면 우리 은하의 진화 연구에 중요한 단서를 얻을 수 있다. 원자외선 분광기는 초신성 폭발과 그 주변에 분포하는 성간물질의 상호작용을 이해하는 데 중요한 사실도 많이 발견했다. 원자외선 분광기는 오로라를 광학적으로 관측하는 동시에 자외선 영역에서 우주 전체를 관측하는 우주망원경 역할을 한다. 

우주 환경 시험이 중요하다. 이는 위성체가 극한 환경에서 생존할 수 있도록 만들어야 하기 때문이고 그보다 먼저 발사 과정에서 지구의 중력을 벗어날 때 급격한 중력가속도 변화와 충격을 감당해야 하기 때문이다. 위성이 우주로 나아가는 과정에서 발생할 수 있는 문제점들을 지상에서 미리 확인해야 한다. 생각할 수 있는 모든 경우의 수에 맞게 가능한 한 많은 시험을 해보는 것 외에는 우주에서 발생할 수 있는 문제를 해결할 방법이 없다. 진동 시험은 위성체의 임무나 모양에 관계 없이 필요하다. 이 시험은 발사체에 실린 위성체가 지구 중력권을 벗어나 우주로 갈 때 발생하는 강한 진동과 충격을 견딜 수 있는지, 부품들이 제대로 작동하는지를 테스트하는 것이다. 

진동 시험에도 종류가 있다. 위성체에 가해지는 다양한 진동 중 주기적인 진동을 가정하는 시험을 정현파 진동 시험이라 한다. 정현파는 같은 파형이 주기적으로 반복되는 외부 자극을 의미한다. 주기적 신호의 시간 간격을 주파수라고 한다. 외부에서 주어지는 주파수가 공교롭게도 위성체 고유 진동수와 일치하면 공진(共振)이 나타날 수 있다. 공진이란 물체의 고유 진동수와 외부 환경의 진동수가 비슷하거나 일치하여 물체의 진동이 커지는 것을 말한다. 소리가 만들어내는 음파에도 물리력이 존재한다. 음파의 주파수에 해당하는 외력이 작용하기 때문이다. 

최대 음향 진동 환경은 발사체가 지구 표면을 출발하는 이륙 개시 순간과 속도가 높아지면서 음속을 통과하여 초음속으로 넘어가는 순간 발생한다. 지속 시간은 최대 10초 이내다. 발사 과정에서 변화하는 음향 진동은 기계적으로 발생하는 진동과 함께 위성체 부품에 심한 랜덤 진동 형태로 전달된다. 우리나라의 로켓 발사장은 전남 고흥 나로우주센터다. 다양한 로켓을 발사할 수 있는 기술을 아직 확보하지 못한 까닭에 대부분의 위성을 해외 발사장에서 해외 발사체로 발사하고 있다. 애지중지 소중하게 만든 인공위성을 인천국제공항까지 보내 비행기에 실어서 운송하고 이후 해외 공항에서 발사장이 있는 외딴 지역까지 먼 거리를 이동해야 한다. 발사 센터는 주로 사람이 거주하는 지역과 동떨어진 해안에 있다. 

인공위성이 우주로 나가기 위해서는 지구의 강한 중력 영향권을 벗어나야 한다. 지구가 잡아당기는 중력을 이겨내고 대기권 밖으로 나가려면 매우 큰 운동에너지가 필요하다. 이 운동에너지를 만들어주는 것이 로켓이다. 로켓은 뉴턴의 운동 3법칙 중 세 번째인 작용 - 반작용 법칙에 따라 중력을 이기는 힘을 얻는다. 로켓의 엔진이 연료를 태우고 가스를 지구 표면 방향으로 분사하면 그와 같은 힘으로 가스 분사의 반대 방향인 우주로 날아간다. 

많은 나라가 인공위성을 우주로 보내는 데 결정적 변수는 발사 비용이다. 중대형 로켓의 경우 1kg당 2,000만원의 비용이 든다. 인공위성을 만들고 우주로 발사했다고 모든 일이 끝난 것은 아니다. 인공위성의 가장 중요한 임무는 지금부터 시작된다. 인공위성과 지상의 통신이 마지막 고비다. 위성을 힘들게 우주로 보내는 데에는 목적이 있다. 

과학위성이라면 과학적 이론을 입증할 관측 자료를 확보하기 위해서고 상용위성이라면 산업체에 꼭 필요한 정보가 있어서 우주에 보내는 것이다. 위성은 지상국과의 교신이 가능해지면 우주에서 획득한 날것의 자료를 그대로 보낸다. 이렇게 방대한 분량의 1차 데이터를 처리하는 것이 지상국의 데이터 처리 시스템이다. 우주 탐사는 미래 세대를 위한 투자다. 지금 시작하지 않으면 정말 너무 늦을지도 모른다.

저서 또는 책과의 접점을 중심으로 과학사를 전공한 저자가 쓴 20세기의 수준 높은 과학 고전 설명서

클래스가 남다른 과학고전
조숙경 지음 / 타임북스 / 2023년 9월

과학사 박사 조숙경의 ‘클래스가 남다른 과학 고전‘은 20세기 과학 고전 12권에 대한 설명을 씨줄로 삼고 저자가 해당 책 또는 저자들과 이룬 접점을 날줄로 삼아 써내려간 책이다. 저자는 개별 고전들에 각각 제목을 붙였다. 가령 베르너 하이젠베르크의 부분과 전체에 대해서는 과학자의 책임은 어디까지인가?란 제목을 붙였고, 올더스 헉슬리의 멋진 신세계에 대해서는 과학은 유토피아를 가져오는가?란 제목을 붙인 것이다. 각 고전에 얽힌 이야기를 쓰고 별도의 편성으로 짧게 원저를 소개했다. 저자는 책을 쓰면서 책의 내용을 얼마나 그리고 어느 정도 깊이로 다루어야 하는지 가장 많이 고민했다고 말한다. 가령 저자는 자신이 읽은 방식으로만 기술하다 보면 신선하다는 평가는 있겠지만 일부 독자의 흥미를 잃게 할 수도 있다는 말을 했다. 

20세기 과학 고전이라는 말에 주목할 필요가 있다. 다소 고색창연할 수 있지만 문제의식이 분명하고 생각할 거리를 제공하는 책을 고른 것이다. 하이젠베르크가 보어를 만나지 못했다면 과학의 역사는 어떻게 되었을까?란 궁금증을 표한 저자는 사람(과의 만남), 사건(과의 만남)을 주요 주제로 삼아 책을 서술하였다. 저자는 자신이 갖가지 난관을 헤치며 과학사 학도로 변신해 간 것은 파인만이 말한 것처럼 과학이 자신에게 아주 재미있고 즐거운 일로 보였기 때문이라고 말한다. 

내게 가장 흥미 있는 책은 제이컵 브로노프스키의 인간 등정의 발자취다. 이 장의 제목은 누가 아우슈비츠의 비극을 가져왔는가?다. 저자는 앨런 차머스의 과학이란 무엇인가?를 접하고 도대체 무슨 내용인지 이해되지 않아 상당히 어려움을 겪었지만 독서백편의자현(讀書百遍義自見)을 실천하기로 하고 다섯 번쯤 읽으니 내용이 이해되기 시작했다는 말을 했다. 브로노프스키는 인간을 인간으로 만든 요인에 대해 탐색했다. 그 중 하나로 브로노프스키는 인간은 어떻게 동물과 다른 여러 가지 손재주와 관찰력을 갖추었으며 깊은 사고를 하는 존재가 되었는가?를 들었다.

브로노프스키는 손은 정신의 칼날이라는 조각가 헨리 무어의 말을 인용한 인물이기도 하다. 브로노프스키는 특이한 존재인 인간을 동물과 달리 풍경 속의 한 형상이 아니라 풍경을 만들어가는 주체라고 설명하며 인간을 그런 주체가 되게 한 요인으로 상상력, 이성, 정서적 예민함, 강인함을 들었다. 브로노프스키는 이 네 요인을 키워드로 책을 서술했다. 브로노프스키는 원자폭탄이 가져온 엄청난 비극과 아우슈비츠 강제 수용소에서 일어난 참혹한 폐해는 과학적 연구 때문에 일어난 것이 아니라 자신들의 생각과 지식이 절대적으로 옳다고 믿으며 행동한 인간들의 무지에서 비롯된 것이라는 말을 했다. 

이를 보며 나는 조선이 망한 것은 성리학 때문이 아니라 그것을 교조적으로 수용한 조선 집권층의 경직성과 폐쇄성 때문이라는 생각을 반추해 보았다. 브로노프스키의 책 제목이 의미하는 것은 다윈이 규명한 시간적 순방향으로 흐르는 생물학적 진화와 대비되는 시간적 역방향으로 흐르는 문화적 진화다. 저자가 다룬 세 번째 책은 과학의 조건은 무엇인가?라는 제목으로 설명한 칼 포퍼의 과학적 발견의 논리다. 포퍼는 과학이 다른 어떤 학문보다 끊임없이 발전한 것은 반증가능성 때문이라고 설명한 인물로 그에 의하면 어떤 과학 이론도 참임을 보장받을 수 없으며 반증될 수 있을뿐이다. 

사람과 사건을 논했거니와 저자는 우리나라에 과학사를 도입한 김영식 교수와의 만남을 인상적으로 풀어냈다. 즉 왜 공부를 계속하려고 하는가?란 질문에 대한 답을 찾아오라는 김영식 교수의 말에 저자는 학자란 제대로 된 글을 쓸 수 있는 사람이고, 제대로 된 글을 쓰려고 계속 공부하는 사람이라는 결론을 제시했다. 이런 사연과 함께 소개된 책은 토머스 쿤의 과학혁명의 구조다. 쿤, 하면 빼놓을 수 없는 개념이 패러다임이다. 언어학에서 가져온 개념인 패러다임은 한 시대가 공유하는 과학적 사고와 이론, 법칙 등 연구를 통칭하는 개념이다. 쿤의 패러다임 이론의 주요 특징은 과학 발전이 점진적이고 누적적인 것이 아니라 불연속적이고 혁명적이라는 점이다. 

과학자들이 한 패러다임에서 다른 패러다임으로 옮겨가는 것은 충분히 심사숙고하고 실험 결과를 해석했다기보다 게슈탈트 전환과 같은 상당히 돌발적인 결정에 따른 것이라는 주장도 주목할 만하다. 쿤의 주장은 과학 지식이 관찰과 실험을 거쳐 누적적으로 축적될 뿐 아니라 진보한다는 귀납주의적이고 실증주의적인 과학관을 전면 부정하는 것이었다. 저자는 패러다임의 근본적 창출을 이루어낸 사람들은 기존 패러다임에 익숙하지 않거나 그것에서 이익을 취하지 않아 상대적으로 기존 패러다임에서 자유롭고 객관적인 시각으로 사안을 볼 수 있는 젊은 세대와 이방인들이라는 쿤의 말로부터 용기와 희망을 가졌다고 말했다. 

저자는 스스로를 삶의 대부분을 경계인으로 산 입장이라고 설명했다. 저자는 관찰은 객관적인가?란 제목으로 노우드 러셀 헨슨의 과학적 발견의 패턴을 설명한다. 저자는 남편과 함께 헨슨의 책을 1년 안에 번역 해내리라는 자신감을 가졌지만 5년이 걸렸다고 했다. 헨슨은 과학철학이 없는 과학사는 맹목적이고 과학사가 없는 과학철학은 공허하다는 말을 했다. 헨슨의 책은 꼭 읽을 필요가 있다. 저자에 의하면 헨슨은 현대물리학의 본질적 특성인 소립자 묘사 불가능성과 개별성, 파동 - 입자 이중성, 불확정성 원리, 상보성 원리 등의 기본 개념을 설명하고 이들 개념을 얻는 과정은 철학자들이 제시하는 단순한 귀납 과정이나 가설 연역 과정이 아니라 훨씬 더 복잡하고 역동적이며 심오한 지적 투쟁의 과정인 귀추라고 주장했다.

헨슨은 관찰에서 이론이 형성되는 것이 아니라 관찰이 이론 의존적이라는 주장을 한다. 헨슨에 의하면 과학자들은 실험으로 얻은 데이터를 이해할 수 있는 개념적 패턴에 짜맞출 수 있기를 열망하며 기존 지식 안에 유형화하거나 통합시키려 한다. 저자는 박사 논문이 갖춰야 할 가장 중요한 요건은 독창성이라 말한다. 누구도 제시하지 않았던 새로운 이론이나 설명 또는 해석을 만들어 내야 하기 때문이다.

여섯 번째 장에서 저자는 하이젠베르크의 부분과 전체를 다룬다. 제목은 과학자의 책임은 어디까지인가?다. 이 장은 하이젠베르크와 보어의 만남을 다룬 장이다. 원자폭탄 투하 소식을 듣고 커다란 충격에 빠진 하이젠베르크는 과학자의 발견이 대참사로 이어졌을 때 그 책임은 과연 누구에게 있는가?라고 물었다. 하이젠베르크는 과학 발전이 선한 방향으로 향하고 지식 확장이 인간의 복지를 위하는 것은 너무나도 자명하지만 과학적 결과가 어떻게 사용될지 아직 모르는 과학자가 과학 연구물 사용 결과에 모든 책임을 지는 것은 적절하지 않다는 결론을 내렸다. 

저자는 하이젠베르크가 자신에게 진정한 전문가란 무엇인가, 하는 문제에 분명한 답을 제시해주었다고 말한다. 전문가란 그가 관계하는 분야에서 매우 많은 지식과 정보를 갖고 있을 뿐만 아니라 그가 전문으로 하는 분야에서 사람들이 범할 수 있는 가장 큼직한 오류도 알고 있어서 그 오류를 피할 수 있는 사람이다. 이는 전문가란 좁은 분야에서 저지를 수 있는 온갖 실수를 저지르는 사람이라는 보어의 말과 결이 다르다. 

DDT의 문제점을 널리 알린 레이첼 카슨이 공산주의자일 것이라는 추측까지 있었다는 사실을 알 수 있는 일곱 번째 장에서 그 유명한 침묵의 봄을 만난다. 제목 자체가 시적이거니와 카슨은 작가가 되려 한 인물답게 환경 고발서임에도 소설처럼 부드럽게 읽히는 책을 썼다. 개인적인 일이지만 나에게 카슨은 우리를 둘러싼 바다의 저자로 더 유명하다. 카슨은 침묵의 봄을 암 투병 중에 썼다. 

찰스 스노의 두 문화는 낮에는 과학자들과 실험실에서 지내고 밤에는 문학 동료들과 어울리던 저자의 이력이 낳은 문제작이다. 두 진영인들은 어울리지 않았다. 서로 몰이해한 결과다. 아홉 번째 책으로 왓슨의 이중나선을 다룬 저자는 최후 승리자로서 성공 스토리를 담고 있는 이중나선이 로잘린드 프랭클린이라는 사라져 간 과학자의 존재를 다시 부각했고 프랭클린의 성과를 세상에 널리 알렸다고 썼다. 

헉슬리의 멋진 신세계가 과학 고전에 든 것이 재미 있다. 저자는 왜 SF(사이언스 픽션)를 미래 사회학이라고 말하는지 십분 이해했다고 말한다. 저자는 brave는 ’멋진‘이라고 하기보다 용감한, 무모하면서 무지한 등이라고 해야 한다고 말한다. 이 용어는 세익스피어의 템페스트(폭풍우)에서 따온 것으로 미래 과학 기술이 폭풍처럼 인간 사회의 모든 것을 휩쓸 것이라는 무서운 메시지를 전하는 경고나 마찬가지다. 등장 인물 존이 이 문장을 사용한 것은 소마(정신안정제)를 배급받으려고 아우성치는 사람들에게 정신 차리라고 말할 때다.

다소 생소한 책이 열한 번째 장에서 다룬 제레미 리프킨의 엔트로피다. 인류는 계속 발전할 수 있는가?를 주제로 설명한 책이다. 흥미로운 점은 리프킨이 스티븐 제이 굴드에게서 심각한 과학적 오류를 범했다는 비판을 받았다는 사실이다. 엔트로피는 물리적 현상에 방향성이 있음을 의미한다. 리프킨은 과학과 기술이 더 질서 있는 사회를 만들어줄 것이라는 생각은 환상에 불과하고 기존의 에너지가 새로운 에너지로 대체되는 데 사용되는 기술은 사실 에너지 전환일 뿐이라고 주장했다. 

마지막 열두 번째 책은 로이 포터의 2500년 과학사를 움직인 인물들이다. 제목은 과학에서도 만남은 중요한가?다. 포터는 과학자 한 사람을 제대로 이해하려면 그들이 처한 환경과 상황, 시대와 문화를 이해해야 할뿐 아니라 그들의 장점은 물론 한계까지도 다루어야 한다고 말했다. 포터는 역사를 위인론으로 쓰던 시대는 지났으며 과학의 진보를 영웅적 정신의 승리로 보는 것은 천박하다고 말했다. 

과학자의 개별 업적은 그가 살았던 시대정신의 총합이지 과학적 천재의 두뇌에서 생겨나지 않는다. 이를 풀이하면 위대한 과학자가 위대한 성과를 낸 것은 시대와, 사람과 만났기 때문이라는 말이 된다. 책을 다 읽고 나니 궁금증이 생긴다. 저자에게 책 또는 저자와 연관된 바가 많지 않았다면 어떤 과학 책을 썼을까?란 궁금증이다. 책에 대해 비판할 부분이 아예 없었을까?란 궁금증에서 나오는 아쉬움도 든다. 그럼에도 이 책은 알기 쉽게, 저자 자신의 경험과 관련지어 수준 높은 책들을 논한 좋은 책이다.

광합성, 그리고 광합성에 거는 모든 것

생명을 이어온 빛 - 광합성의 신비
라파엘 조빈 지음, 이현숙 옮김, 안태석 감수 / 북스힐 / 2024년 1월

라파엘 조빈의 ‘생명을 이어온 빛‘은 광합성의 신비를 밝힌 책이다. 저자는 자신의 책을 참고 문헌으로 쓰기에 충분하지 않지만 아주 작게나마 자연의 신비를 발견할 때 과학자들이 느끼는 환희와 경이로움을 어느 정도 접할 수 있을 책이라 말한다. 광합성은 생물학에서 흔히 화학적, 지질학적, 우주적 압력을 견뎌내려 반응하는 것으로 묘사된다. 인간 종은 광합성의 직접적 산물이다. 광합성은 복잡한 세상에 다시 균형을 찾아줄 만큼 충분히 크고, 빠르고, 강력한 힘이자 더 늦기 전에 황폐해진 생태계를 바로잡을 가장 해볼 만하고 확실한 방법이다. 

광합성이란 생명체가 빛 에너지를 포착해 물과 기체 같은 단순 자연 화합물을 결합해 더 복잡하고 더 유익한 화합물로 변환하여 성장과 번식, 발아에 에너지를 공급하고 지구상에 존재하는 거의 모든 생명에 활기를 부여하는 과정이다. 초록 잎을 가진 육상 식물만이 아니라 물 속에 사는 생명체도 광합성을 한다. 식물이 흙을 먹는다고 여겨지던 시대도 있었고 물을 먹는다고 여겨지던 시대도 있었다. 저자는 세 과학자를 언급한다. 그 중 빼놓을 수 없는 인물이 부생고다. 오늘날 우리가 광합성을 하도록 처음 공부할 때 배우는 화학 반응식에서 균형이 맞도록 이산화탄소 소모와 산소 생성을 정량적으로 측정한 인물이다. 

이 식에 의하면 물과 이산화탄소가 햇빛과 결합해 식물의 녹색 엽록체 안에서 포도당과 산소로 바뀌는 과정이 해명된다. 광합성이란 이름을 제안한 사람은 미국의 식물학자 찰스 레이드 반스다. 19세기 말 이산화탄소와 수증기가 대기의 태양열을 가둔다는 의견이 처음 대두되었다. 스웨덴의 첫 노벨상 수상자인 스반테 아레니우스는 광합성이 과도하게 이산화탄소를 흡수하여 지구를 식게 만들고 그 결과 빙하기가 시작되는 원리를 어느 정도 파악했다. 과학자들은 포도당을 생성하지 않고도 광합성을 하는 기이한 미생물도 찾아냈다. 

육상 식물은 쉽게 접할 수 있고 이해하기도 쉬워서 가장 잘 아는 광합성 생물이지만 낯선 극한 환경에 살거나 뻔히 보이는 곳에 숨어서 광합성 하는 생명체들이 훨씬 더 많다. 지구는 약 45억 4,000만년전 우주에서 빙빙 돌고 있는 소용돌이(태양)에서 떨어져 나온 파편 조각에서 탄생하였다. 녹은 불덩이 속에서 금속성 암석, 먼지, 물과 같은 물질 찌꺼기들이 엄청나게 커다란 힘으로 맞부딪히며 한꺼번에 녹아 지구를 만들어냈다. 맨 처음 대기는 증기가 과열된 상태로 암석에서 금속을 만들 정도로 뜨거웠다. 

상대적으로 무거운 금속은 가라앉아 자성을 띤 지구의 핵을 이루었고 가벼운 무기질은 표면으로 솟아올랐다. 화학 물질로 구성된 이 마녀의 혼합물은 이후 식을 대로 식어 산성의 대기를 응결시키며 암석을 깎아낼 정도로 부식성이 강한 비를 내리게 하였고 이는 최초로 바다가 형성될 때까지 수억 년간 이어졌다. 냉각 현상이 좋은 소식은 아니었다. 초기 태양은 비교적 크기도 작고 빛을 많이 내뿜지도 않아서 우리가 오늘날 보는 빛의 70% 정도밖에 만들어내지 않았다. 

다행히 초기에는 대기 중 이산화탄소 외에도 대기를 따뜻하게 하는 메탄이 100만개의 분자 중 100개 정도 있었다. 이는 현재 대기 중에 있는 메탄의 50배가 넘는 농도다. 대기 중 황과 탄소가 화학적으로 결합하며 카르보닐 황화물이라는 새 화합물을 만들었고 이 역시 얼마 안 되는 햇빛을 가두어 어린 지구를 온난하게 유지되게 했고 바다는 열을 흡수하는 기체인 이산화탄소, 메탄, 카르보닐 화합물의 장막에 덮여 액체 상태를 유지하였다. 유독한 가스에 싸여 산성의 습기를 머금은 그을린 세상은 황량할 뿐 아니라 오늘날 생명체라고 알려진 존재에게는 살 수 없는 곳이었다. 

바다에는 물을 뿌연 갈색으로 얼룩지게 만드는 철 화합물이 잔뜩 녹아 있었다. 이 철 화합물은 물을 투과하는 빛을 차단했다. 이렇게 숨 막히고 부식성이 강한 세상에 생명의 전제 조건이 하나둘 모이기 시작하였다. 외계에서 아미노산과 탄소를 가지고 온 운석이 지구와 충돌하면서 초기 바다의 화학적 수프를 휘저어 놓았다. 대기 중에 있던 따뜻한 카르보닐 황화물이 응결되며 펩티드와 아미노산을 형성했을 가능성도 있다. 이것이 혼돈 속에서도 지구에 최초의 생명이 융합할 수 있었던 필수 구성 요소이자 근본 양양분이었다. 

얕은 연안 지역이나 심해의 뜨거운 분출구, 아니면 눈의 결정이나 흙속 어딘가에 단순한 유기 분자들이 번식을 위해 모일 만한 조건을 갖춘 안정적인 공간이 있었을 것이다. 어떤 식으로든 유기 분자들은 스스로 조립하고 에너지를 흡수하는 복잡한 구조를 만들어내며 자신을 똑같이 복제하기 시작하였다. 대략 42억 8000만년전쯤 생명이 탄생하였다. 유전적 증거에 기반하면 오늘날까지 생명체와 인간에게 존재하는 유전자 355개를 가진 모든 생물의 마지막 공통 조상이 38억년 이전에 등장하였다. 

최초의 마법 같은 생명 생성 이벤트가 있고 얼마 지나지 않아 광합성 과정이 시작되었다. 이는 우리가 오늘날 고세균류라고 부르는 미생물 속에서 발견한 광합성 절차와 비슷한 것으로 보인다. 고세균류에게 메탄을 생성하는 능력이 생겼다. 이는 고세균류가 아미노산처럼 자연적으로 발생한 복잡한 유기물을 분해하고 있었다는 의미다. 광합성이 생명의 탄생 초기에 시작되었다 해도 말이 되는 이유는 세포를 결합하는 데는 에너지가 필요하였고 당시에는 섭취할 먹이가 거의 없었기 때문이다. 먹이사슬은 존재하지 않았다. 생명체가 할 수 있는 최선의 방법은 초기 지구의 어두운 산성 구름 사이로 흘러들어오는 흐릿한 태양 에너지 즉 햇빛이라도 거두어들이는 것이었다. 

그린란드의 구조물에서 발견된 스트로마톨라이트는 남세균(시아노박테리아)이 화석화된 퇴적구조다. 화석화된 미생물 매트가 겹겹이 층을 이룬 형태로 성장기인 여름에 한 겹이 만들어지면 겨울 동안 진흙으로 된 퇴적물 층이 그 위를 덮으며 번갈아 쌓여 만들어진 것이다. 에너지원으로 햇빛과 유기 분자가 필요한 고세균류와 달리 남세균은 햇빛을 이용해 물을 분해하여 산소를 만드는 획기적 능력을 발달시켰다. 이 미생물의 수가 증가하며 세균성 광합성이 늘어났고 바닷물에 녹아 있는 이산화탄소 및 대기 중 이산화탄소까지 소비하여 지금의 알칼리성 푸른 바다를 만들며 세상을 서서히 바꾸어나갔다. 

이들이 만들어낸 노폐물이 산소다. 남세균이 점점 해안 지대를 점령해나가며 산소를 더 많이 방출하면서 바다는 조금씩 투명해졌다. 빛이 더 깊이 뚫고 들어가면서 더 많은 생명체가 깊은 곳에서도 자랄 수 있었다. 용존 철이 산소와 결합하면 용해되지 않는 침전 화합물을 형성한다. 지질학적 연구에서 남세균이 광합성을 하면서 방출하는 산소가 바다에 녹아 있는 철을 산화시켜 결정체로 만들었다. 약 28억년전쯤 매우 거대한 철 퇴적물의 띠(철광석)가 만들어졌다. 바다에서 용존 철이 침전하여 없어지자 산소 폐기물은 대기에 축적되기 시작하였고 당시의 생물체에게 독성물질로 작용해 지구상의 생명체를 거의 전멸시켰다. 24억년전 있었던 대기 중 산소 축적 즉 대산소 발생사건이다. 

광호흡이란 것이 있다. 광합성과 반대로 포도당을 이산화탄소, 물, 에너지로 전환하는 과정이다. 고세균은 산소가 없던 시기까지의 세상에 잘 적응하였다. 남세균류는 광합성을 하며 산소를 대기 중으로 방출하면서 점차 세상을 바꾸었다. 고세균류는 산소의 독성 때문에 메탄을 생성하기 어렵게 되었다. 남세균류의 개체수가 증가하면서 더 많은 이산화탄소를 소비하며 스트로마톨라이트 상태의 미생물 덩어리 형태로 엉겨 붙었다. 이에 더해 산소의 독성으로 인해 고세균이 사라진 결과 메탄이 감소하고, 대기 상층부에서 수증기와 결합한 산소가 메탄을 분해한 데 이어 화산활동마저 잠잠해 대기 중 메탄 양은 더 줄었다. 이것이 24억년전부터 21억년전 사이에 있었던 휴로니안 빙하기에 대한 설명이다. 

빛을 생명으로 바꾸는 과정인 광합성은 복잡한 생명체가 진화하기도 전에 지구에 사는 초기 생명체를 거의 전멸시킨 아이러니의 주인공이라고 해도 지나치지 않다. 남세균은 눈 속에 사는 새로운 광합성 조류(藻類)로 세상에 적응하며 지구를 살렸다. 눈과 얼음 속에서 자라는 빙설 조류는 더 많은 햇빛을 흡수하여 눈과 얼음을 녹게 했다. 지구가 탄생하고 초기 40억년 동안 육지에는 생명체가 거의 존재하지 않았다. 태양으로부터 오는 해로운 자외선 때문이었다. 산소가 만들어지면서 대기권에 오존층이 형성되어 결과적으로 자외선이 차단되었다.

조류는 균류와 공생하면서 육지에서 살 수 있는 아주 단순한 형태의 이끼나 지의류가 되었다. 단순한 이끼는 증식하면서 유기산을 배출하기 시작하며 암석의 풍화를 촉진했다. 이들은 육지에 있는 어마어마한 양의 암석들을 무기질과 영양분으로 분해하였다. 이 무기질은 바다로 씻겨 내려가 엄청난 규모의 조류 대증식을 초래하며 대기 중 이산화탄소를 급격히 감소시켜 5억 4500만년전 역사상 세 번째 빙하기를 초래하였다. 광합성을 하는 남세균이 대기 중으로 산소를 방출한 결과 지구는 주기적으로 빙하기를 겪었다.

대기 중 산소가 주는 전반적 혜택이 산소를 해독하는 데 드는 에너지보다 크기 때문에 여러 생태계가 곳곳에서 생겨났다. 그 결과 더 많은 생명체가 더 많은 암석을 갈아 부수었고 더 많은 생명체가 이용할 수 있도록 영양분을 더 많이 만들어내면서 생물량을 더 많이 만들어내고 결과적으로 지구 전체의 생물들이 훨씬 더 다양해질 수 있었다. 식물은 흙을 먹지 않지만 성장하려면 어느 정도 흙을 필요로 한다. 식물은 흙을 옮기기도 해야 한다. 그리 많이 느껴지지는 않겠지만 10년마다 지표면의 약 2cm가 씻겨 나간다. 흙의 이동으로 세상에 있는 모든 생태계는 생존에 필요한 광물질을 얻는다. 

과도한 영양분이 강을 통해 바다로 씻겨 들어가면 생태계를 교란하는 조류의 대증식(부영양화)이 발생한다. 순환하는 영양분의 핵심은 질소다. 질소는 단백질을 비롯 여러 생물학적 분자의 핵심 요소이기 때문에 모든 생명체에게 반드시 필요한 물질이다. 또 다른 필수 영양분은 인(燐)이다. DNA 등 세포의 유전 정보를 담은 분자를 구성하는 물질이다. 세 번째 중대 영양분은 철이다. 철이 부족하면 광합성 활동이 대체로 줄어들고 특히 바다에서 더 심해진다. 전 세계 사막에서 불어오는 모래 폭풍은 해양 생태계 성장에 필수인 철을 공급한다. 

광합성을 하는 생명체에게 가장 필수적인 영양분은 탄소다. 탄소 저장에 바다가 주목받는 이유는 바닷물이 이산화탄소의 93%를 저장하기 때문이다. 빛을 생명으로 전환하는 마법 같은 과정은 가장 깊은 바다 밑바닥부터 가장 높은 산꼭대기까지 어디에서나 일어난다. 광합성은 산소가 없이도 일어나고 이산화탄소가 아닌 다른 종류의 탄소원에서도 활발히 진행된다. 최근 몇 년간 과학자들은 공생이 생명 자체의 본질이라는 사실을 계속해서 발견하고 있다. 정통적 견해는 진화가 경쟁을 통해 이루어졌다고 주장한다. 

지구 역사 전반에 걸쳐 변화를 만든 가장 강력한 힘은 광합성이었다. 광합성은 대기와 바닷물의 탄소 농도 조절자이자 모든 생명체를 위한 식량 생산자다. 바다는 수생 광합성 생명체가 살아가기에 비교적 탄소가 풍부한 환경이다. 생명체들은 꽤 멀거나 깊은 곳에 있는 영양분을 수송하는 해류에 직접 노출되기 때문에 뿌리, 줄기, 잎이 필요 없다. 물속에 있어서 자신의 몸체로 수분을 퍼 올릴 필요도 없다. 광합성이 너무 과하면 지구는 빙하기 상태가 되고 너무 적으면 더워졌다. 

과학자들은 광호흡이라는 문제와 씨름하느라 애썼다. 광호흡은 광합성을 하는 생명체가 자신이 생산하는 산소를 다루는 데 애를 먹으며 오히려 이산화탄소를 방출하는 아이러니한 현상으로 생명체의 탄소 고정 능력을 약 25% 감소시킨다. 광호흡이 진화적 낭비가 아니라는 말도 있다. 저자는 코로나 19 대유행도 삼림 파괴와 농업 개발에서 유래하였다는 게 거의 확실하다고 말한다. 책임이 한 나라, 대통령, 기업과 인종 집단에 있지 않은 것처럼 태양 표면의 폭발이나 거대한 화산 폭발 같은 외부 힘에 있는 것도 아니어서 역사를 통틀어 지구에 기근, 화재와 홍수를 비롯해 재난과 역병을 풀어놓은 우리 모두, 바로 인간에게 있다. 

우리는 식물이 서로 어떻게 소통하고 우리에게 어떤 영향을 미치는지 더 많이 알아내야 한다. 저자는 미래에는 세포들이 서로 협력하여 광합성을 하는 방법으로 진화한다면 햇빛만으로도 충분히 살 수 있다는 말을 한다. 이제 우리는 모든 행동이 연결된 더 큰 계획에서 우리 위치를 확인할 수 있다. 우리 몸은 우리가 함부로 버렸지만 다시 식탁 위로 돌아오는 플라스틱으로 채워진다. 

우리는 세계 각지에서 생태계의 막대한 피해를 입힌 책임을 납세자들, 다른 나라들, 특히 다음 세대에게 떠넘김으로써 외부화(비용 전가)한다. 우리가 창출한 역사에 남을 만한 엄청난 부는 대부분 천연자원에서 직접 얻어낸 것이지만 뒷정리는 남에게 맡기고 있다. 나무만 길러야 하는 것도 아니다. 생물량을 늘리는 방법은 다양하다. 인공 새집을 만들고 벌통을 짓고 공동 텃밭을 가꾸고 도시 공간에 알맞은 편리한 화분과 화단을 만들 수 있다. 퇴비를 주고 유기 폐기물로 비료를 만들자. 비료를 잘게 잘라 식묽과 나무 생물량에 골고루 섞어주면 몇 주 안에 신선하고 영양분이 풍부한 흙이 만들어진다.

중요한 것은 오랫동안 탄소를 가두어두고 지역 환경에서 살아가기 알맞은 식물을 재배하는 것이다. 광합성은 우리가 세계를 복원하는 동안 존재한 가장 강력한 힘이다. 저자는 햇빛을 수확하여 지구가 다시 자라게 하자고 말한다. 책을 다 읽으면 저자의 책이 아름답고 복잡한 시스템을 분석하지 않는 대신 사람과 지구에 어떤 가치와 영향력이 있는지 알 수 있게 하는 책이라는 사실을 알게 된다. 광합성의 신비라는 제목을 광합성, 그리고 광합성에 거는 모든 것이라고 바꾸면 어떨지? 저자의 문제의식에 충분히 공감한다.

경신대기근과 현종의 관계

대기근, 조선을 뒤덮다 - 우리가 몰랐던 17세기의 또 다른 역사
김덕진 지음 / 푸른역사 / 2008년 12월

‘대기근(大饑饉), 조선을 뒤덮다‘는 소빙기, 현종(顯宗), 미수 허목 등에 대한 관심에 따라 고른 책이다. 책이 다룬 시기는 경신 대기근 시기로 경신년이란 경술년(1670년)과 신해년(1671년)의 머리 글자를 딴 이름이다. 소빙기란 16세기에서 17세기 또는 17세기에 해당하는, 빙하기는 아니지만 비교적 추운 기온이 지속되었던 때를 말한다. 유럽인들의 아메리카인 대학살이 원인이라는 이야기가 있다. 당시 세계 인구의 10%가량인 6000만명에 이르던 아메리카 원주민 수는 유럽인들로 인해 큰 변화를 맞았다. 유럽인들의 학살이 의도적 결과였다면 그들이 신대륙으로 천연두와 홍역 등의 바이러스를 가져온 것은 비의도적 결과였다. 침략의 충격으로 인한 사회적 스트레스도 한 몫을 차지했다. 이런 여러 요인이 겹쳐 아메리카 원주민 인구는 100년 만에 500만~600만명으로 줄었다. 

줄어든 인구가 부른 것은 경작의 감소였다. 이는 초목의 자연적 재생(재산림화)을 유발했다. 이에 따라 이산화탄소가 줄어들어 온실효과가 사라졌다. 이런 연쇄가 초래한 것이 소빙하기였다.(2019년 10월 19일 한겨레신문 기사 '유럽인들의 아메리카인 대학살이 기후변화 초래' 참고) 컬럼버스가 신대륙에 진출한  1492년에서 1650년 사이 아메리카 인구가 5천 만에서 5백 만으로 감소했다는 보고도 있다.(2019년 1월 3일 오마이뉴스 기사 ’8천만 명→1천만 명... 인류 최대 인종학살‘ 참고) 당시 이산화탄소가 줄어든 사실은 남극 얼음 속에 갇혀있는 당시 공기를 분석해 알아낸 바이다. 

나무 나이테로 몇 백년전, 몇 천 년전의 날씨를 알아볼 수 있고 그보다 더 오랜 시간의 지구 온도는 얼음을 통해 알아낸다. 남극, 그린란드 등에는 몇 만년전부터 온 눈들이 얼음이 되어 쌓여 있다. 이 얼음을 분석하면 눈이 내린 당시의 연평균 온도, 계절별 온도까지 추정할 수 있다.(최성락 지음 ’말하지 않은 세계사‘ 17 페이지) 최성락은 조선 영정조, 청나라 강희제, 옹정제, 건륭제, 프랑스 루이 14, 15세 등이 모두 전성기를 이끈 왕으로 칭송받지만 이는 왕이 잘해서 국민들의 소득이 늘어났다기보다 날씨가 따뜻해져서 국민들의 소득이 늘어난 때에 우연히 왕의 자리에 앉아 있었던 것이라 말한다. 18세기 말은 지구 평균 온도가 하강했고 온도 하강 추세가 몇 백년 정도 지속되었다.(최성락 지음 ’말하지 않은 세계사‘ 19 페이지) 

17세기 조선에 연이은 대기근이 닥쳤다. 소빙기가 초래한 사건이다. 전술한 경술년, 신해년은 모두 현종 재위기였다. 1659년에 즉위해 1674년에 타계한 현종의 치세는 내내 참혹한 기근의 고난을 겪은 시기였다. 그러나 이뿐만이 아니었으니 현종 재위기는 기해예송(1659년)과 갑인예송(1674년)이라는 정치적 격변이 몰아친 시기이기도 했다. 저자 김덕진이 기본으로 삼은 자료는 현종실록, 현종개수실록, 승정원일기 등이다. 덧붙여 이해 당사자들의 취사선택에 의해 작성된 실록 및 승정원일기의 한계를 극복하기 위해 문집, 기타 고문서 들을 참고했다. 현종실록이 남인 집권기에 편찬된 책이라면 현종개수실록은 경신대출척으로 남인을 추방하고 집권한 서인이 재편찬한 책이다. 현종개수실록에는 현종실록보다 재해 건수와 내용이 풍부하게 수록되었다. 하늘의 뜻에 부합하지 못한 남인 집권층의 실정을 부각하려는 의도에 따른 결과로 보인다.

기후적 관점에서 소빙기란 약 100만년전에 시작해 10만년전에 끝났다는 빙하기에 비해 정도가 작다는 의미다.(22 페이지) 저자는 소빙기의 원인을 나열한다. 1) 태양 흑점 활동이 쇠퇴하거나 중지에 가까운 상태에 접어든 결과라는 설, 2) 거대 운석 등의 외계발(發) 충격으로 인해 대량의 먼지가 태양을 가려 급랭 현상이 일어난 결과라는 설, 3) 유별난 화산 활동의 결과라는 설 등... 17세기 위기론 또는 17세기 소빙기 설은 학계 전반에 커다란 반향을 불러일으킨 뒤 전 세계적 문제(글로벌 히스토리)로 발전했다. 조선시대에 기근은 마치 연례행사처럼 겨우 숨을 돌릴 만하면 어김없이 찾아왔고 잊을 만하면 한 번씩 대기근이 전국을 휩쓸었다.(36 페이지) 

저자는 조선의 대기근 극복을 천혜의 자연조건, 상부상조 정신, 극복 시스템에서 찾는다.(39 페이지) 천혜의 자연 조건이란 말은 한 지역 안에 재해를 경미하게 입은 곳이 존재함을 두고 이르는 말이다. 순창의 재력가 양운거는 몇 백 석의 미곡을 관아에 납부한 데 이어 1661년(현종 2년) 흉년이 들자 기아자들에게 재산을 나누어 주었다. 조선 영조 대의 무관(武官) 류이주가 세운 99칸 고택 운조루(雲鳥樓)의 일화도 예시할 만하다. 굴뚝을 낮게 만들어 밥 짓는 연기가 멀리 퍼지지 않게 함으로써 끼니를 거르는 사람들이 소외감을 느끼지 않도록 배려했다. 이뿐 아니라 이웃의 가난한 사람들 누구나 먹을 만큼 곡식을 꺼내 가라는 뜻으로 뒤주를 놓아 두었는데 그곳은 가져가는 사람이 부끄럽지 않게 주인과 쉽게 마주치지 않는 곳이다. 

조선은 지역 차원의 기근 구제 제도를 두었다. 소현세자의 아들을 제치고 왕세자가 된 효종의 아들로 병사한 아버지를 이어 임금이 된 현종은 재위 내내 정통성 시비에 휘말렸다. 볼 사람은 미수 허목이다. 미수 허목은 기해예송(1659년)이 서인의 1년상 채택으로 종결되자 삼척에 부사로 좌천되었다가 2년이 채 되지 않아 경기도 연천으로 낙향했다. 윤휴와 허목은 10년 이상 야인 생활을 하다가 현종 말년에 정계 복귀했지만 윤선도는 복귀하지 못하고 죽음을 맞았다. 서인과 남인의 대결은 신권 강화 vs 왕권 강화의 구도이지만 현종은 서인의 손을 들어주었다. 현종은 서인에 염증을 느끼고 1666년 이후 부쩍 남인을 중용하기 시작했다. 현종은 즉위 2년만에 아들(숙종)을 낳았다. 이에 송시열은 상중에 해서는 안 되는 부부관계를 가졌다는 이유로 왕을 비난했다. 

현종은 누이들의 집을 신축하는 일에 강경 입장을 보이다가 대신들의 말에 한 발짝 물러섰다. 대기근 때문이었다. 1670년의 자연재해는 냉해로 시작되었다.(106 페이지) 놀라운 사실은 7월에 우박, 서리 눈이 전국에 내렸다는 점이다. 찬바람이 불고 된서리와 찬비, 눈이 잇따라 내리는 겨울 추위가 1671년 봄까지 이어졌다. 가장 두려운 자연재해는 가뭄이다.(111 페이지) 전국 각도에서 기우제를 올렸으나 속수무책의 상황이 이어졌다. 봄 밭농사는 최악의 상황으로 치달았다. 모내기를 할 5월이 되어도 해갈 기미는 없었다. 오랜 가뭄 끝 비가 왔으나 폭우로 이어져 수해(水害)가 발생했다. 수해는 가뭄 못지않은 자연재해다. 

76세 영중추부사 이경석이 상소문을 올려 기청제(祈晴祭)를 행할 것을 건의했다. 영제(禜祭)란 말이 있다. 오래도록 장마가 이어질 때 서울 사대문 다락 위에서 비가 그치기를 비는 제사다. 폭우는 폭풍과 함께 찾아오기도 했다. 아사자가 속출했고 황충(蝗蟲) 피해가 잇따랐다. 황충이란 농작물을 갉아 먹는 해충을 말한다. 1670년 ~ 1671년 재해는 냉해, 가뭄, 수해, 풍해, 충해 등 5대 재해가 겹친 전례 없는 대재해였다. 백성들은 재해, 염병, 우역(牛疫) 등 3대 악재에 시달렸다. 1670~1671년 2년간 우역으로 죽은 소는 4만여 두에 이르렀다. 소의 대량 폐사는 엄청난 재산 손실이었다. 소가 없으면 농사와 교통 수단이 막힌다. 소를 도살하지 못하게 하는 것을 우금(牛禁)이라 한다. 우금은 소나무를 베지 몫하게 하는 것을 의미하는 송금(松禁), 술을 담그지 못하게 하는 것을 의미하는 주금(酒禁)과 함께 조선의 3금이었다. 

서울과 지방에 우역이 나날이 번지는 가운데 남아 있는 병들지 않은 소를 도살한 후 쇠고기를 팔아 이익을 챙기는 자가 있다는 보고가 속속 들어왔다. 현종 즉위(1659년) 후 해마다 흉년이 들어 기근의 끝이 보이지 않았는데 1670년에는 유난히 갖가지 재해가 전 지역에서 동시다발적으로 거칠게 일어났다.(160 페이지) 경신대기근은 기근, 전염병, 가축병, 혹한이 삼중 사중으로 겹친 대재앙이었다.(161 페이지) 곡물가가 폭등했다. 사재기가 기승을 부렸다. 백성들은 초근목피로 연명했다. 솔잎 먹기가 여의치 않았다. 정부의 송금령(松禁令)과 민간의 송계(松契)로 입산 및 채취가 자유롭지 못한 탓이다. 뒤늦게 채취 허가 명령이 내려졌다. 시늉만 내거나 전혀 시도하지 않은 수령도 있었으나 함경도 감사 부임 직전 청주 목사를 역임한 남구만은 관아 뜰에 절구를 놓고 솔잎 가루를 만들어 기아자에게 먹여 큰 효과를 보았다. 

남구만은 ’동창이 밝았느냐 노고지리 우지진다. 소 치는 아이는 상기 아니 일었느냐. 재 너머 사래 긴 밭을 언제 갈려 하나니.‘란 시조를 지은 인물이기도 하다. 이 시조는 전원의 소박한 삶을 그린 노래가 아니라 맹렬한 '권력비판'의 작품이라고 한다.(시인 이상국) 해가 뜨는 창인 동창이 밝았느냐는 의미는 임금의 안목과 총기가 밝아졌느냐는 의미고, 노고지리 우짖는다는 의미는 간신들이 왕에게 거짓을 고한다는 의미고, 소치는 아이가 일어나지 않았느냐는 의미는 충직한 목민관이 등장하지 않았느냐는 의미고, 재 너머 사래 긴 밭을 언제 갈려 하느냐는 벼슬아치들이  당파 싸움에 매몰되어 벌이는 말꼬리 싸움을 언제 그치고 산적한 현안 해결에 나설 것인가를 묻는 의미다. 남구만의 시조는 숙종이 장희빈을 책봉하는 일에 반대하다가 왕의 노여움을 사 강릉에 유배된 상황에서 나온 작품이다. 

굶주린 엄마가 어린 자녀를 삶아 먹은 사건이 발생하기도 했다. 기아자와 걸인이 넘쳐났다. 아사자와 병사자의 동시 대량 발생이 현실이 되었다. 조선 천지가 아수라장이 되었다. 시신 처리가 큰 문제였다. 혹심한 굶주림에 시달리는 백성들에게 인륜 도덕이 눈에 들어올 리 없었다. 떠돌며 도둑질을 하는 사태가 잇따랐다. 시신의 옷을 훔치는 일이 빈번했다. 진휼소가 설치되었다. 줄을 잘못 서거나 동작이 느리면 솥을 국자로 빡빡 긁어도 국물 한 방울 없는 '국물도 없는' 사태를 맞을 수 밖에 없었다. 억만(億萬)이 진창(賑倉)에 나왔으니 엉망진창이었다.(238 페이지) 진휼곡을 빼돌리거나 진휼에 소극적인 지방 관리들이 많았다. 

군포 면제, 토지세 감면, 부채 탕감 등이 건의되었으나 제대로 되지 않았다. 진휼에 쏟아붓고 세금을 탕감하느라 생긴 국고 구멍을 메우기 위해 국가 예산을 가장 많이 잡아먹는 군사비와 왕실비를 감축했지만 만족할 만하지 않았다.(283 페이지) 경신대기근은 남인과 척신을 앞세워 자신의 체제를 구축하려던 현종에게 큰 시련을 안겨주었다.(302 페이지) 저자는 현종은 대기근에도 불구하고 궁지에 몰리지 않았다고 말한다. 대기근 극복 과정을 통해 위기관리 능력을 발휘하며 자신의 권위를 과시해왔다. 측근 신료들의 반대에도 아랑곳없이 과감하게 비축곡을 풀고 세금을 감면해 민심 수습에 발 빠르게 움직이면서 서인들이 이상론으로 포장한 간섭을 물리쳤다. 대기근은 현종에게 돌파구를 제공한 측면이 있다. 

효종 비 인선 왕후 장씨가 죽자 예송이 다시 발생했다. 2차 예송인 갑인예송이다. 1674년의 일이다. 1차 예송인 기해예송은 효종이 죽자 상복을 몇 년을 입어야 할지를 놓고 서인과 남인이 대립한 사건이다. 1차 예송에서 서인은 1년, 남인은 3년을 주장했고 2차 예송에서 서인은 9개월, 남인은 1년을 주장했다. 1차에서는 서인의 주장이 받아들여졌고 2차에서는 남인의 주장이 받아들여졌다. 

1674년 재위 15년만인 서른 넷의 젊은 임금 현종이 죽었다. 저자에 의하면 현종은 신하들에게 끌려만 다니고 신하들의 눈치만 본 군주가 아니었다.(309 페이지) 여러 수단을 동원해 자신의 권위와 왕실의 위엄을 세우려 노력했다. 현실주의자로서 민생안정과 부국강병을 도모했다. 그러나 기후 변화가 끼친 영향 속에서 이상을 펼치지 못하고 세상을 떠났다. 

연천 사람인 나에게 대기근 중 미수 허목의 거취가 관심사가 아닐 수 없다. 물론 미수의 이름은 오르내리지 않았다. 경신 대기근 시기는 미수가 연천으로 낙향해 세월을 보낸 시기와 겹친다. 대기근의 실상을 파악하는 것 못지 않게 중요한 사안은 예송논쟁의 의미를 규명하는 것이다.