수학 전공에서 생물학 전공으로 길을 바꾼 팀 콜슨의 ‘ 존재의 역사‘는 리처드 도킨스, 데이비드 크리스천 등의 외국의 유명 과학자들, 박문호, 궤도 등의 우리 나라의 유명 과학자들의 추천사가 달린 책이다. 과학과 비과학 등이 포함된 1장 거대한 역사의 전제에서부터 반물질, 그리고 화학 반응 등이 포함된 3장 화학적 이끌림, 추측과 의문 등이 포함된 마지막 10장 존재의 이유를 찾아서까지 읽을 만한 내용들이 빼곡히 들어선 책이다. 560여 페이지의 책에서 어디에 초점을 두면 좋을까? 그간 과학책을 많이 접하였지만 채 만나지 못한 부분들에 초점을 두면 좋을 듯 하다.
원소 또는 소립자 부분이 그 범주에 들어갈 가능성이 높다. 내게는 우주의 크기처럼 광대무변한 부분보다 소립자 부분이 훨씬 신비롭게 여겨진다. 가령 저자에 의하면 우주를 횡단하는 데 7조 광년 이상이 걸릴 것으로 추정된다.(95 페이지) 그러면 수소 원자는 어떤가. 이를 알기 위해 다음의 구절을 숙고할 필요가 있다. “쿼크끼리 상호 반응하면 양성자와 전자라는 더 복잡한 입자로 바뀌며, 두 입자 또한 상호 반응으로 원자핵이라는 더욱 복잡한 형태를 만든다. 원자핵은 전자와 상호 반응하여 원자를 만들고 원자끼리 상호 반응하면 분자가 된다.”(21 페이지)
수소 원자핵은 양성자다. 원자번호=양성자 수=전자 수라는 사실도 알 필요가 있다. 흥미로운 부분은 여기에 있다. 즉 수소 원자는 항상 양성자와 전자를 하나씩 지니지만 자연 상태의 수소 핵에는 중성자가 아예 없거나 1개이거나 2개다.(99 페이지) 중성자가 없는 것을 프로튬(protium), 하나인 것을 듀테륨(deuterium), 두 개인 것을 트리튬(tritum)이라 한다. 이를 수소의 동위원소라 한다. 양성자 수는 같고 중성자 수가 다른 것을 말한다.
중성자와 양성자는 쿼크로 만들어진다. 쿼크는 강한 상호작용으로 서로 뭉쳐 있다. 강한 상호작용이 있기에 양성자와 중성자, 쿼크가 서로 결합할 수 있다. 그렇지 않았다면 원자핵도, 생명도 존재하지 않았다. 당연히 우주도 존재하지 않았다. 약한 상호작용은 어떤가. 이 또한 원자핵에 작용하는 힘으로 일부 원소가 방사성 동위원소로 존재하는 이유이기도 하다. 원자핵은 대부분 안정적이어서 중성자가 갑자기 양성자로 바뀌거나 양성자가 중성자로 바뀌어 다른 원소의 원자가 되는 일은 일어나지 않는다.
하지만 일부 원소의 특정 동위 원소는 양성자와 중성자의 배치가 불안정하여 양성자가 중성자로 변하거나 그 반대의 일이 일어난다. 이 과정에서 방사선이 방출된다. 차이가 중요하다는 말을 할 수 있다. 모든 방사성 원소가 위의 원리로 붕괴하지 않는다. 하지만 트리튬은 상기 과정을 거쳐 헬륨으로 붕괴하며 이때 관여하는 힘이 약한 상호작용이다. 이 작용이 없었다면 태양 에너지의 원천인 핵융합도 일어나지 않는다.(100 페이지) 강한 상호작용이 없었다면 생명이 존재하지 않았듯 약한 상호작용이 없었어도 생명은 존재하지 않았다.
전자들이 오비탈이라는 흐릿한 궤도 형태로 핵 주위를 빠른 속도로 이동하는 것은 즉 전자가 제 자리를 지키는 것은 전자기력 덕분이다. 전자기력은 양성자, 중성자, 전자의 개수에 따라 원자의 종류를 결정하기도 한다. 중력도 중요하다. 중력이 없었다면 생명체는 물론이고 태양, 지구, 달 등이 모두 존재하지 않았다. 우주에서 최초로 생성된 원자핵은 수소, 헬륨이다. 수소와 헬륨은 원자핵만 있는 뜨거운 플라즈마 상태로 존재하다가 우주의 온도가 충분히 내려간 후에야 마이너스 1 전하를 가진 전자와 결합해 최초의 원자를 형성했다.(109 페이지)
과학에서 말하는 무(無)는 에너지도 역장(力場)도 없음을 의미한다. 어떤 이유에서인지 우리 우주는 무에서 태어났고 그 원리는 과학자도 모른다. 3장 화학적 이끌림이 내게는 가장 유용한 챕터다. 화학은 지구과학 특히 지질에 대해 알 필요가 있을 때 의미 있는 것이기 때문이다. 앞에서 강한 상호작용, 약한 상호작용, 전자기력, 중력이 없었다면 생명, 지구, 우주 등이 존재할 수 없었을 것이란 말을 했다. 마찬가지로 물질과 반물질이 동일한 양만큼 생성되었다면 우리는 존재할 수 없었다.(140 페이지) 원소끼리 결합하여 분자를 만들지 않았다면 우주는 훨씬 더 따분한 곳이 되었을 것이다. 우리 또한 존재하지 않았을 것이다.(146 페이지)
주기율표에서는 리튬과 나트륨 등의 금속을 왼쪽에, 염소와 산소를 비롯한 비금속을 오른쪽에 배치하여 금속과 비금속을 구분한다. 각 열(列)은 다른 원소와의 반응 방식 등 원소의 특징에 따라 집단을 이룬다. 주기율표에서 금속은 다른 원자와 반응시 전자를 내주려는 반면 우측에 위치한 비금속 원소는 전자를 받으려고 한다. 그런가 하면 주기율표 중앙에 있는 원소의 경우 전자를 공유하려는 경향이 있다.(148 페이지) 그 자체로 화학의 복합체인 우리와 같은 생명체는 만일 모든 원소가 헬륨이나 네온처럼 반응성이 없다면 절대 탄생하지 못했을 것이다.(153 페이지)
저자의 설명은 새롭다. 파동 입자 이중성과 양자(量子) 현상을 설명하는 것이 대표적이다. 결빙선(結氷線; front line)이란 말이 있다. 태양에서 일정 거리 이상 떨어졌을 때 물이 얼음이 되고 가스 화합물이 고체로 응축되어 거대 가스 행성이 되는 경계선을 말한다. 경계선 안쪽으로는 무거운 화합물만 응축될 수 있으므로 암석 행성(수성, 금성, 지구, 화성)이 형성된다. 태양에 가까울수록 암석 행성이 형성되는 이유는 바깥쪽에서 생성된 행성들보다 무거운 원소가 차지하는 비중이 더 높기 때문이다.
저자는 지구 외핵은 왜 용융 상태일까?란 질문을 던진다. 외핵은 철, 규산염, 황화물, 방사성 금속 등으로 구성되었다. 핵이 지닌 열의 일부는 지구를 형성하던 때부터 남아 있는 것이다. 초기 태양계에서 지구는 물질 응축 및 테이아와의 충돌 결과 많은 열이 발생했다. 용융 상태인 외핵의 바깥쪽은 맨틀이며 주성분은 산화마그네슘과 규산염으로 이루어진 조암광물로 감람석, 석류석, 휘석이 있다. 맨틀은 고체이지만 수백만년이라는 시간의 관점에서 매우 느린 속도로 움직인다. 맨틀은 지구 부피의 약 85%를 차지한다. 두께는 최소 2,800km이상이며 핵만큼은 아니지만 온도가 높다.
맨틀 상부와 하부의 온도 차로 인해 더 아래쪽에 있는 고온의 광물과 암석이 매우 천천히 표면으로 올라온다. 맨틀에서 외핵과 접하는 가장 깊은 부분의 온도는 4,000~5,000°C에 이르지만 상층부는 200~600°C로 훨씬 낮다. 대륙 지각이 천천히 닳는 현상을 지질학 용어로 풍화와 침식이라고 한다. 바위 틈새의 물이 얼고 녹기를 반복하면 바위가 쪼개지고 오랜 세월에 설쳐 비와 바람에 마모되기도 한다. 수분에 포함된 산(酸) 성분도 풍화 작용에 한몫을 한다. 이뿐 아니라 식물의 뿌리, 진균, 세균, 심지어 몇몇 동물 등 생명체도 두 현상에 힘을 보태어 바위를 조각내기도 한다.
계속해서 움직이는 지각판은 맨틀 아래로 들어가면서 소실되는 양과 새로운 지각이 형성되는 속도에 따라 크기와 모양이 끊임없이 바뀐다. 최초의 생명체가 진화했을 당시 지구의 대기는 화산 폭발이 뿜어낸 가스로 만들어졌다. 이때는 황화수소, 메테인, 일산화탄소, 이산화탄소가 풍부했다. 만약 생명체가 진화하지 않았다면 오늘날 지구 대기는 금성과 유사하게 이산화탄소가 95%를 차지하고 1~2%의 질소 및 산소와 기타 분자로 이루어졌을 것이다.
오늘날 대기 중 질소 비중이 큰 것은 질소는 다른 원소와 쉽게 결합하지 않기 때문이다. 이런 특징으로 질소는 우리가 서 있는 땅속의 암석이나 결정을 잘 형성하지 않는다. 따라서 질소는 대기 중에 흔하지만 지상에서는 상대적으로 드문 편이다. 반면 산소는 여러 원소와 산화 작용을 일으킨다. 이는 암석에서도 발견되고 물도 만들어낸다. 진화란 자기 복제에 가장 효율적인 DNA를 선택하는 자연스러운 과정이다.(239 페이지) 진화는 생존과 번식에 최적화된 개체를 이끌어내는 과정(295 페이지)이라고도 할 수 있다.
DNA가 먼저 존재해야 당신도 있다. 우리의 DNA는 진화의 선택을 받아야 한다. 저자는 개인적으로 생물과 무생물의 차이를 정의하자면 크게 자연발생, 복제, 그리고 외부 에너지원을 활용하여 막(membrane) 내에서 조절 가능한 화학 반응으로 나눌 것이라 말한다. 진화는 중력과 전자기력, 약한 상호작용, 강한 상호작용처럼 실재하는 개념이다. 진화가 없었다면 우리는 존재할 수 없었다고 말하는 저자는 물리학자가 강한 상호작용과 약한 상호작용을, 화학자가 전자기력을 이해하듯 생물학자가 이해하는 진화의 깊이도 그와 다르지 않다고 덧붙인다.
저자는 생물학자인 만큼 생물에 대한 서술 비중을 가장 높게 설정했다. 저자는 자신이 접근법이 다른 네 분에게서 조금씩 영향을 받으며 한 가지 과학적 연구 방법만 깊이 파고든 달인이 아닌 만능 과학자로 성장했다고 말한다. 저자는 네 분의 지도 속에서 다음과 같이 좋은 과학자의 덕목을 배웠다고 한다. 첫째 상상력이 풍부하되 멋진 아이디어도 기존의 지식에 반한다면 과감히 버릴 수 있어야 한다. 둘째 신봉하던 가설이 틀렸다는 사례가 제시되었을 때는 기꺼이 주장을 수정한다. 셋째 근거에 기반하고 건설적인 비판이 가능해야 한다 등이다.
대량 멸절이 일어나면 대부분 우점종이 완전히 힘을 잃고 새로운 종들이 번성하는 무대가 마련된다. 포유류가 지배적인 종이 된 것은 6600만년전이다. 백악기 멸종 이후를 말한다. 저자는 의식은 인간의 전유물인가?란 글에서 사람들이 정신을 특별히 여기는 이유는 심장이나 비장처럼 위치를 특정할 수 없기 때문이라고 설명한다. 저자의 글을 읽으며 나는 무분별함(?)을 반성하기도 했다. 신경과학자들이 의식을 뇌의 전기적 활성이라고 주장하지만 사실 그것이 의식의 본질까지 설명해주지 못한다는 말이 그것이다.
뇌에 대한 이야기 중 글리아 세포(glia cell)에 대한 이야기가 눈에 띈다. 19세기에 과학자들은 교세포(膠細胞)가 없다면 신경계가 서로 분리될 것이라 생각했다. 그리스어로 풀(쌀이나 밀가루 따위의 전분질에서 빼낸 끈끈한 물질. 무엇을 붙이거나 피륙 따위를 빳빳하게 만드는 데 쓴다.)을 뜻하는 글리아를 따서 명명하였지만 실제 역할은 엄연히 다르다. 뉴런에게 세포란 경주용 자동차가 잘 작동하도록 보장하는 정비팀 같은 존재다. 해마가 뇌에서 만들어낸 세상의 시뮬레이션과 과거의 경험이 합쳐지는 부위라는 말도 신선(?)하다.
의식을 연구하는 과학자들은 우리가 감각으로 외부 세계에서 무언가를 인지한 후 반응하기까지의 과정을 지각, 주의, 평가, 통합, 의사 결정, 행동과 같이 단계적으로 구분한다.(384 페이지) 동물은 짝, 물, 보금자리, 온기, 안전한 곳을 찾아다닌다. 경쟁자의 유무 등 주변 상황을 확인하려고 이동하기도 한다. 결과적으로 동물은 여러 상황에서 최선의 결정을 내리는 것으로 추정된다. 동물은 좋은 결정을 많이 내린다. 인간이 다른 동물과 다른 점이 있다면 장기적 관점에서 생각하는 능력이다.
이따금 진화를 통해 지구를 바꾸는 종이 등장한다. 인간은 지구를 바꾼 최초의 종도, 최후의 종도 아니다. 수십억년전 남세균은 대기에 산소를 공급하며 지구를 바꾸었다. 복잡한 구조를 가진 생물의 시대가 도래했음을 알린 존재는 최초의 진핵생물이었다. 최초의 포식자는 생명체가 살아가는 방식을 송두리째 바꾸었다. 최초의 육상 식물은 생명체가 대륙을 점령할 가능성을 열었다. 인간은 지구를 바꾼 속도가 매우 빨랐던 종이긴 하지만 결국 자연의 결과물일 뿐이다.
인류의 조상인 호모 에렉투스는 매우 성공적으로 번성한 결과 아프리카를 벗어나 유럽과 아시아까지 퍼져 나갔다. 이 집단은 인도네시아의 플로레스, 자바 등의 섬에 자리를 잡았는데 이들 지역은 바다를 건너지 않으면 정착할 수 없는 곳이었다. 일부 과학자는 그 사실을 두고 어떤 형태로든 언어적 소통을 요구하는 항해 능력이 있었다는 증거라고 주장하기도 한다. 이와 달리 고대에 발생한 지진 해일에 의해 초목 더미에 탄 사람들이 바다로 떠밀려 나간 뒤 바람에 밀려 우연히 섬에 도착했을 가능성이 크다는 주장도 제기된다.
흥미로운 논쟁 중 하나로 호모 에렉투스가 플로레스 섬에 자리를 잡은 후 몸집이 왜소한 호모 플로레시안시스 일명 호빗족으로 진화했다는 주장이 있다. 플로레스 섬은 과거에도 섬이었으므로 이곳에 자리를 잡으려면 호모 에렉투스가 바다를 건너야 한다. 소수의 무리가 통나무나 풀숲 더미에 매달려 우연히 섬에 도달했는지 아니면 쪽배나 다른 형태의 배를 특별히 설계했는지 여부는 논란의 대상이다.
저자는 우주가 탄생한 시점에 우리의 존재는 필연적이었을까, 아니면 그저 운이 좋았던 것일까?란 질문에 답을 할 수 있다고 말한다. 쉽게 답할 수 없는 문제라는 것이 저자의 견해다. 책에는 뉴턴과 로버트 훅의 이야기가 나온다. 거인의 어깨 운운이 아닌 다른 이야기다. 물론 뉴턴의 이상 성격에 기인한 잘못된 행동에 대한 이야기다. 저자는 책을 쓰기 위해 자료를 조사하면서 인간이 이룩한 지식의 폭과 다양성에 놀랐다고 말한다. 과학적 연구 방법이란 매우 유연하며 서로 다른 분야의 과학자들이 그 방법을 다양한 측면에서 저마다 다른 방식으로 활용하고 있음을 알게 되었고 이뿐 아니라 인류의 가장 위대한 성과인 과학적 연구 방법도 완벽하지는 않음을 깨달았다고 말한다.
저자는 개인적으로 무언가를 설명할 때 그 내용이 최대한 간단해야 한다는 오컴의 면도날은 확률론적 우주를 가리키는 말이라고 생각한다. 하지만 이 주장 역시 의견일뿐 과학이 아니다. 감정적 인식도 중요하지만 과학적이지는 않다.(510 페이지) 저자에 의하면 우주가 흔한지 단 하나만 존재하는지도 알 수 없다. 우주가 흔한 존재라면 우리 우주가 전형적인지 특이한지도 알 수 없다. 달리 표현하면 우리는 애초에 우주가 무(無)가 아니라 유(有)인 이유조차도 알지 못한다. 중력과 전자기력, 강한 상호작용, 약한 상호작용이 지금과 같은 세기를 가지게 되는 것이 필연적인 결과인지 우연에 의한 것인지 알지 못한다.
만약 우주를 만드는 실험을 다시 하게 된다면 다른 형태의 힘이 등장할지도 모르며 현재 우주에서 관찰되는 네 가지 기본 상호작용보다 그 종류가 줄어들거나 늘어날 수도 있다. 결과적으로 우리는 네 가지 힘이 왜 존재하는지도 알지 못한다. 다만 생명체에게는 네 가지 힘이 모두 필요하며 컴퓨터 시뮬레이션에 따르면 각 팀의 세기에 아주 조금의 변화라도 생길 때 우주의 원자나 분자, 별과 행성이 모두 사라져버릴 수 있다는 것만큼은 확실하다.
일부 과학자와 철학자들은 우리 우주에 있는 힘이 생명체가 존재하기 알맞은 세기라는 점에 경이로워한다. 이를 두고 학자에 따라서는 우주가 우연히 탄생했을 리 없다는 증거로 해석하기도 한다. 만약 우리 우주에서 생명체에 알맞은 세기를 가진 힘이 없었다면 생명체는 진화할 수도 없었거니와 생명체를 목격한 이도 존재하지 않았을 것이다. 우리가 지금처럼 우주를 관찰할 수 있는 것도 생명체의 진화에 적절한 환경 속에 탄생했기 때문이다.
생명체의 등장 과정에는 에너지가 필요하다. 이와 관련하여 당시 지구에서 생명체의 등장에 필요한 에너지원은 화산으로 추정된다. 그러나 화산은 지구 고유의 지형은 아니다. 사화산이 일부 섞여 있긴 하지만 수성과 금성, 달, 화성 그리고 목성의 위성인 이오에도 화산이 관측된 바 있다. 화산 에너지와 유기화합물의 결합으로 생명체가 탄생한 원리는 여전히 불확실하다. 저자는 존재의 이유를 구하는 물음에 목적이 없다는 취지의 답은 우리가 인생을 의미 없이 살아야 한다는 의미가 아니라 말한다.
