박광하의 생명과학 이야기
칼세이건의 ‘코스모스’를 읽고
로얄 보타닉 가든 (Royal Botanic Gardens)
필자가 자주 들리는 시드니의 명소중 하나가 로얄 보타닉 가든이다. 어제 (2021.11.01.)도 느닷없이 이곳엘 들렸다. 락다운이 풀린지 얼마 않돼서 인지 한산하였다. 호주의 봄철이 지나고 여름날씨가 시작되는 계절이라 화려한 꽃들은 많이 보이지 않고 노랑빛깔의 사계절 꽃들이 곳곳에 만발 (滿發)해 있었다. 필자가 보타닉 가든의 꽃중에서 마음을 사로잡는 것은 가을의 꽃인 코스모스다. 이날 코스모스는 가물에 콩나듯 이따금 눈에 띄이긴 했으나 가냘프고 행색 (行色)을 제대로 갖추지 못한 형태 (形態)였다. 로얄 보타닉 가든 (Royal Botanic Gardens)은 왕립 식물원이라고도 불리며 시드니의 랜드마크인 오페라 하우스 주변에 있어 오페라 하우스를 방문한 사람들이 들렀다 가는 곳 중 하나이다. 1816년부터 조성되어 현재까지 잘 보존되어온 이곳은 오래된 세월의 흔적을 보여주는 양 커다란 거목들이 방문객들을 반겨준다. 이곳에선 특히, 다양하고 희귀한 식물들을 볼 수 있다는 것이 특징이다. 왕립 식물원인 이곳은 양치류관, 희귀 소나무 숲, 열대 식물관, 멸종위기 식물관, 선인장 정원, 장미정원, 허브 정원, 야자나무 숲 등 10개의 테마 (Thema)로 이루어져 있다. 날씨가 좋은 날에는 나무 그늘 아래 앉아 여유를 즐기기에 좋다. 명년 (2022년) 초, 코스모스 꽃밭이 장관 (壯觀)을 이룰 때 다시 방문해야 될 것 같다.
코스모스 (cosmos)라는 말은 원래 그리스어 (κόσμος)로 ‘질서’를 의미하며 ‘혼돈’을 의미하는 카오스 (χάος)의 반대어이다. 하지만 고대 그리스인들은 주위의 만물이 조화롭고, 질서 있게 어울리는 상태를 관념적인 우주로 생각했기에, 곧 우주를 지칭하는 단어가 되기도 했다. 식물 (植物), 코스모스도 이 단어에서 따온 이름이다. 가을임을 느끼게 해주는 많은 꽃들 중에서도 무리지어 한들한들 피는 코스모스가 가장 으뜸이라 할 것이다. 코스모스는 우리에게 너무도 친숙해서 오래된 우리꽃처럼 느껴지지만, 우리나라 (한국)에 도입된 것은 개화기 이후이다. 짧은 시간 안에 토착화에 성공한 꽃인 것이다. 멕시코가 원산지로 열대아메리카에 25종 이상 분포한다. 코스모스는 화단가나 큰길·오솔길 가에 한번 씨를 뿌려두면 언제나 가을의 정취를 만끽할 수 있게 해주는 우리와는 아주 친숙한 꽃이다. 2 ~ 3m 까지 자랄 만큼 키가 크다. 줄기에 털이 없으며 가지가 갈라진다. 잎은 깃 모양으로 2회 갈라지며 마주난다. 꽃은 6~10월에 피며, 설상화와 관상화로 이루어진 지름 6cm 정도의 두상화가 가지와 줄기 끝에 1개씩 달린다. 주변부의 설상화는 6~8개로 끝이 톱니처럼 얕게 갈라지며, 중심부의 관상화는 노란색이고 열매를 맺는다. 총포 (總苞) 조각은 2줄로 배열하고 각각 8개의 포편으로 되어 있다. 꽃색은 주로 흰색과 분홍색이 많지만, 홍색 · 복숭아색 · 노랑색 등 특이한 품종도 있다. 그 중 노랑코스모스로 재미있는 실험을 해볼 수 있는데, 담배 연기를 잎에 대면 꽃색이 순식간에 진한 주황색이나 적색으로 변한다. 그 이유는 꽃잎에 노랑색을 나타내는 플라본 (flavone)이라는 색소가 있는데, 그 색소가 강알칼리성인 담배 연기를 만나 반응하기 때문이다.
칼세이건 (1934 ~ 1996)의 코스모스
창세기에 태초에 하나님이 천지를 창조하시니라 땅이 혼돈하고 공허하며 흑암이 깊음 위에 있고 하나님의 영은 수면 위에 운행하시니라. 하나님이 이르시되 빛이 있으라 하시니 빛이 있었고빛이 하나님이 보시기에 좋았더라 하나님이 빛과 어둠을 나누사….. 칼게이건의 코스모스를 읽기시작하면서 구약성경 (舊約聖經)의 창세기 (創世記) 1장이 연상 (聯想)되었다. 상당히 오랜시간, 우주관 (宇宙觀)에 관한 논의 (論議)를 억 눌러온 사상이 스콜라철학이었다. 스콜라철학은 9 ~ 16세기 일반적인 철학적 탐구와 인지와 인식의 문제를 신앙과 결부시켰으며 절대자의 아래에서 인간의 이성을 이해하려고 하였었다. 이를 마감하게 한 주장이 빅뱅이론이다. 이는 또한 과학의 도발적 (挑發的)인 착상 (着想)이었다고 할 수 있다. 검증을 통한 증거들을 들이 대는데 종교쪽에서 할 말을 잃게 된 것이다. 약 137억 9900만 년 (±210만 년) 전의 대폭발을 시작으로 우주가 팽창했다는 주장이다. 현재 우주가 팽창하고 있다는 점에서 착안하여 ‘최초’에는 모든 것이 한 점에 모여 있다가 폭발에 가까운 팽창을 하며 현재 우주가 된 것이란 이론이다. 1927년 벨기에의 조르주 르메트르가 최초로 주장한 이래 많은 증거들과 발견들로 정상우주론을 제치고 정설로서 자리잡았다. 빅뱅이론의 검증내용을 모르면 마치 창조론의 첫 문장을 답습 (踏襲)하는 감이 든다. 빅뱅이론이 등장할 때 정상우주론 (定常宇宙論, 영어: Steady State theory, Infinite Universe theory, continuous creation)이있었다. ‘우주는 시간과 공간에 관계없이 항상 변하지 않는다’는 이론이며, 우주가 시작도 끝도 없이 영원히 존재하며 그 안에서 새로운 물질을 꾸준히 만들어내고 일정부분 팽창한다는 가설이다. 대폭발 이론과 반대되는 이론으로서 20세기 중반까지 지지를 받았으나, 우주 마이크로파 배경의 관측과 함께 사장되었다. 137억 년 전 우주에서 대폭발이 있었다는 것 자체는 거의 확실시되나, 빅뱅 이외에 우주의 기원에 대한 가설들이나 빅뱅 이전 시대에 대한 추측들도 현재까지 계속해서 논의되고 있다. 빅뱅이 우주의 시작이라면, 빅뱅 이전에는 도대체 무엇이 있었느냐? 라는 질문이 이 빅뱅 이론의 가장 핵심적인 논의거리 중 하나다.
빅뱅 이론의 최대 증거
빅뱅이론의 물리학적 이론을 이해하는 것은 쉽지 않으나 현재는 중고등학교의 과학교과 에서 다루고 있으며 배경복사도 학습하고 있다. 불과 몇십년전에 과학시간에도 듣지 못했던 빅뱅이론과 우주배경복사에 관한 지식의 학습이 보편화 됐다. 우주배경복사는 과거 우주의 온도가 수천 도에 달할 정도로 뜨거웠고, 물질의 분포 또한 은하나 별이 형성되지 않은 매우 균일한 상태였다고 한다. 특히 우주배경복사의 패턴을 정밀 분석하면 현재의 표준 우주론과 놀라울 정도로 정확하게 들어맞는 것을 알 수 있으며 이로부터 탄생한 우주 거대 구조와 바리온 음향진동 등의 부가적인 현상들은 현재의 우주와도 무수히 많은 교차검증이 이루어졌다는 것이다.
빅뱅 우주론
우주가 팽창하고 있다면 어떻게 우주의 기원을 설명하는 이론으로 발전할 수 있었을까? 우주가 점점 팽창하고 있다는 사실을 거꾸로 뒤집으면 과거로 거슬러 올라갈수록 우리 우주는 점차 작아질 것이다. 꽃이 피는 장면을 찍은 필름을 거꾸로 돌리면 꽃봉오리가 다시 오므라지고 돋았던 싹이 땅 속으로 들어가 버리듯이 팽창하는 우주 역시 거꾸로 돌린다면 차츰 축소되어 마침내는 우주가 아주 작은 하나의 덩어리가 될 것이다. 그 덩어리는 다시 작아지고 작아져서 하나의 점이 되고 언젠가는 우리 우주 즉 그 점이 처음 탄생하는 순간이 있었을 것이다. 그렇다면 우리 우주는 처음부터 줄곧 있어 온 것이 아니라 갓난아기가 어머니 뱃속에서 태어나듯이 아득히 먼 어느 날 처음 태어나서 오늘날까지 팽창을 계속해 온 것이 아닐까? 바로 이러한 의문들이 ‘빅뱅’ 즉 대폭발 이론을 탄생하게 만들었다. 허블의 관측 결과와 프리드만, 르메트르의 선구적 연구를 토대로 1956년 러시아 출신의 미국 학자 조지 가모프 (George Gamow)는 우주의 초기 상태를 규명하려 했던 것에서 빅뱅이론을 제안하였다. 가모프는 한때 프리드만의 제자이기도 했다. 빅뱅이론이란 간단히 말해서 우주가 어떤 한 점에서부터 탄생한 후 지금까지 팽창하여 오늘의 우주에 이르렀다는 이론이다. 얼핏 생각하기엔 황당하기도 하고, 수백억년 전의 우주를 어떻게 알 수가 있을까 하는 생각도 들지만 무시하지 못할 많은 과학적인 증거들을 가지고 있다. 빅뱅이론은 현재 우주모델의 표준이 되는 것으로 상당히 강력한 과학적 증거들을 가지고 있다. 빅뱅이론에 의하면 우리 우주는 상상할 수 없을 정도로 뜨거운 불덩이에서 시작되었다고 할 수 있다. 그런데 빅뱅 이론으로는 우주가 탄생한 순간을 제대로 설명할 수가 없다. 정확하게 말하면 우주 탄생 약 1초 후 부터는 설명이 가능하다. ‘1초’ 라 하면 우리 생활에서는 짧은 시간이지만 우주의 탄생 과정에서 최초의 1초는 굉장히 중요한 순간이다. 빅뱅 이론으로 우주의 기원에 대한 많은 의문은 풀렸지만 가장 중요한 문제는 여전히 해결되지 않고 있는 셈이다.
인플레이션 이론
갓 태어난 우주는 약 10-33cm 밖에 안 되는 아주 작은 우주였을 것이다. 그러나 그 속에는 무한이라 할 수 있는 진공의 에너지로 가득 차 있었다. 일반 상대성 이론에 따르면, 진공 에너지는 음 (마이너스)의 압력을 가지고 있어서 공간을 급격히 팽창시킨다. 우주 탄생으로 부터 10-36초 후, 우주는 광속을 훨씬 넘는 속도로 팽창을 시작하여 짧은 시간 사이에 엄청난 크기로 커졌다. 이것을 우주의 ‘인플레이션’ (inflation) 이라고 한다. 이러한 인플레이션이 일어났었던 원인으로는, 진공에너지에 의한 팽창을 가속시키는 효과에 있다고 본다. 보통 진공이라고 해도 전자기파 등의 다양한 요동은 존재한다. 그리고 이러한 요동이 있으면 당연히 그 에너지도 있기 마련이다. 또한 공간은 원자보다도 훨씬 작은 마이크로의 규모로 보면 복잡하게 구부러져 있다. 그 공간의 구부러짐에 의한 에너지가 있을 가능성도 있다. 결국 입자가 없는 진공이라는 상태에서도 그들의 에너지가 어떠한 이유로 상쇄되지 않는 한, 공간에는 에너지로 가득 차 있게 되는 것이다. 이러한 직접적인 증거가 없는 시대인데도 우리가 논의할 수 있는 것은 물리의 기본 법칙 자체는 시대를 초월하여 ‘불변하다’라고 믿기 때문이다. 우리 주변의 물질에는 존재하지 않는 입자라도, 가속기로 만들어 내어 그 성질을 조사할 수 있다. 그 결과 밝혀진 물리 법칙을 이용하여 학자들은 초기 우주에 대한 논의를 계속해서하고 있다. 현재 우주의 진공 에너지는 거의 0에 가깝다고 한다. 만일 그렇지 않다면, 우주 공간은 훨씬 빠른 속도로 팽창하고, 그 결과 모든 천체는 산산 조각으로 흩어질 것이기 때문이다. 그러나 우주 초기에도 그러했다고 말할 수는 없다. 현재의 우주 공간과는 어떠한 의미에서는 성질이 완전히 달랐을 것이므로, 오히려 진공 에너지가 0이 아니었다고 생각하는 쪽이 자연스러운 일일 것이다.
FAQ 1. 우주는 정지하고 있을까? 팽창하고 있을까?
1916년, 독일의 아인슈타인 (A. Einstein)은 ‘일반 상대성 이론’을 발표했다. 아인슈타인의 방정식에 따르면, 공간은 그 곳에 존재하는 물질의 중력으로 팽창하거나 수축하는데, 1917년 아인슈타인은 그 방정식을 우주에 적용시켰다. 그러나 그대로 적용시키면 은하 등 우주에 있는 물질들의 중력으로 우주는 자꾸 수축해 버린다는 결론에 이르게 되었다. 아인슈타인은 우주는 영원하며, 불변하다고 믿었기 때문에 수축을 막는 ‘우주상수’를 방정식에 덧붙였다. 이것으로 인해 우주 전체는 중력에 의한 수축의 힘과 우주상수의 배척력이 어우러져 수축도 팽창도 하지 않고 가만히 정지하고 있는 것으로 생각하게 되었다. 정상우주론 (定常宇宙論, 영어: Steady State theory, Infinite Universe theory, continuous creation)은 ‘우주는 시간과 공간에 관계없이 항상 변하지 않는다’는 이론이며, 우주가 시작도 끝도 없이 영원히 존재하며 그 안에서 새로운 물질을 꾸준히 만들어내고 일정부분 팽창한다는 가설이다. 대폭발 이론과 반대되는 이론으로서 20세기 중반까지 지지를 받았으나, 우주 마이크로파 배경의 관측과 함께 사장되었다.
우주 생명의 푸카
푸카의 의미를 사전에서 찾아보니” puka2 (俗) 남모르게 물건을 숨기는 장소’로 나와 있다. 지구상에 생명체가 어느 장소? 어느 구멍?에서 나온 것일까? 칼세이건의 Chapter2의 “우주 생명의 푸카”에서 지구에서 생명의 시작과 발생의 진화과정을 살피고 있다. 첫 번째로 생명체도 결국물질이기에 물질공동체에서 출발한 것이라고 추론 (推論)하는 것이다. 태양과 지구에 존재하는 원소들의 대부분은 태양계의 행성들과 수많은 별들에서 발견되는 원소들이다.수소,나트륨, 마그제슘과 철 들이 우주공간에 있는 별들에서도 확인되기 때문이다.외계에 생명체가 있다고 우주 만불을 구성하는 재료를 쓸 수밖에 없을 것이다. 지구의 생명체는 위에 예시한 원소들의 화학적인 작용으로부터 시작되었다. 생명체가 탄생되기 이전에는 현생대기와는 다르게 원시대기가 있었다는 추론이다. 원시 대기란 원시시대의 대기권을 말하며 원시 대기는 원시 해양보다 먼저 생성되었다. 원시 해양은 원시 대기에 수증기가 응결되어 비가 내리면서 생성된 액체이다. 원시 대기는 1차 원시 대기와 2차 원시 대기로 분류되고 있다. 1차 원시 대기의 구성은 수소와 헬륨으로 이루어졌고, 2차 원시 대기는 온천가스와 화산가스로 구성되어 있다. 후에 시간이 지남에 따라 지금 지구의 대기권이 형성 되었다. 지금의 대기권과는 많은 차이가 있으며 원시 대기에는 산소가 없던 것으로 추정되고 있다. 산소는 원시 해양이 생긴 후 바다 속 식물의 광합성에 의해 생성되었다. 원시 대기속에서 대류등 기상변동이 거듭되는 가운데 대기중에 포함되어 있던 원소들이 화학반응을 하게 되고 이 과정에서 단백질 알갱이가 최초의 생명체 시초가 되었을 것이라고 보는 것이다. 생명체를 구성하는 유기물들이 지구의 원시 대기에서 형성되었다는 오파린의 가설을 검증하기 위해, 당시 대학원생이었던 스탠리 밀러 (Stanley Miller)가 1952년에 실험을 유의미하게 시행하여 “생명의 기원이야기”에 등장하게 된다. 밀러 (Miller)는 원시대기와 유사한 상황이라고 할 수 있는 실험장치를 설계하고 제작하여 단백질의 기초단위라고 할 수 있는 유기물합성에 성공하므로써 세상을 놀라게 하였다.대기중에 포함되어 있던 원소들이 생명체의 시원 (始原)인 아미노산합성을 증명한 것이다. 이와같은 원소들의 화학반응으로 유기물이 형성되고 유기물은 자기복제로 이어지며 지구상에 생명체가 넘쳐나며 생명체는 독자적이 생물의 종 (種)을 만들고 종은 진화의 길을 밟으며 발전을 거듭하고 있다.
Chapter12의 외계생명체의 존재여부
다윈의 진화론은 너무 방대하기에 언급을 생략하고 Chapter12의 외계생명체의 존재여부 언급을 짚어본다. 결론적으로 언급한다면 아직까지 지구 외에 생명체가 있다는 것이 확인된 것은 없다. 더구나 지적문명을 소유하고 있는 천제나 생명체는 찾지 못했다. 그러나 크게 두 가지 이슈에 관하여 집중적인 추구를 하고 있기는 하다. 첫 번체는 태양계와 유사한 천제가 있느냐 하는 것인데 과학자들이 꼽고 있는 것은 태양계에서 가장 가까운 곳에 있다고 하는 센타우루스자리 알파 또는 알파 센타우리 (α Centauri, Alpha Cen, α Cen)는 태양계에서 센타우루스자리 방향으로 4.37 광년 (1.34 파섹) 거리에 있는 항성계이다. 태양과 유사한 조건을 갖춘 별인데 3개의 항성이 빛을 발하며 약 80여년 주기로 공전하고 있고 행성을 거느리고 있을 것으로 추정하고 있다. 이들 별의 주변을 뒤져보고 싶은데 우주의 거리로 치면 아주 가까운 4,37광년이다. 그러나 인류의 시간으로는 까마득하다. 과학자들은 별야별 아이디어를 짜내고 있다. 행성이 있을 것 같고 지구상에 없는 전파도 날라 오는데 현재, 지구상의 인간의 힘으로는 거의 불가능한 영역이다. 센타루이스자리는 그렇다 치고 태양계안에 생명체가 있는가? 하는 것인데, 이 이슈 (issue)에는 다소 희망적인 징후 (徵候)가 보인다. 태양계 내에 생명체가 존재할 가능성이 가장 큰 행성을 화성이라는 것을 오래전부터 점처온 것이며 지구에서 그나마 가장 가까운 행성이기에 그동안 세계의 내노라 하는 나라들이 화성탐사를 시도하여 왔으며 괄목 (刮目) 할만한 성과를 거두고 있기도 하다. 화성에 지적 생명체가 생존할 수 있는 조것은 전무하지만 미생물의 존재는 가능한 것이 아니냐? 하는 것이며 화산탐사를 통해, 메탄가스 (ch4)가 확인되면서 세계가 촉각 (觸覺)을 곤두세우고 있다. 메탄가스는 미생물의 작용으로 유시물이 분해될 때 방출되는 물질이다. 대표적으로 쓰레기장에서 방출되며 악취를 풍기고 소를 비롯한 반추동물들의 방귀가 메탄가스다. 지구온실효과의 이산화탄소와 함께 강력한 공범 (共犯)이지만 화성에서 풍기고 있는 메탄가스는 과학자들에게는 반가운 손님이 아닐 수 없다. 이 책은 첫 번째 질문에 대해 인간은 그저 우주의 한 구성원일 뿐이라고 말한다. 물질적으로 전혀 특별하지 않으며, 그저 물질이 우연한 계기로 의식을 갖게 된 것 뿐이다. 그러니 인간이라 해서 운명적으로 특별한 지위를 갖지는 않는다는 것이다. 생물학과 역사학이 우리에게 주는 교훈에는 공통점이 있다. 그것은 타자를 이해함으로써 자신을 더 잘 이해하게 된다는 것이다. 외계의 생명은 우리가 추구할 궁극의 목표이다. 왜냐하면 그것이 우리 자신을 더 잘 이해할 수 있게 해줄 것임에 틀림없기 때문이다.” 외계 생명체에 대한 지나친 갈망에 마음이 동하지 않는 부분은 있지만, 세이건이 우주에 대한 열정에 역사, 철학, 생물학, 종교, 생태학 등 방대한 지식을 적절히 결합하여 설명하는 방식은 대단히 아름답고도 설득력 있어서 그저 존경할 수밖에 없다. 만약 표지와 제목에만 함몰되어 우주를 알고 싶지 않다는 마음에 이 책을 건너뛴다면, 지적 탐구에 대한 인류의 매우 중요한 궤적을 함께 놓치게 되는 셈이다.
박광하 (전 여주대신고 교감, 전 수원계명고 교장)
38khpark@hanmail.net
필자 박광하 선생은 고려대학교 생물학과를 마친 후에 평생을 생물과학 강의와 교육에 헌신하여 왔다. 20여년 전 호주로 이주하여 시드니에 거주하며 집필 활동을 하고 있다. 저서로 ‘생명과학이야기’ (북랩)가 있다.