8. 산소 O
Oxygen
| 그리스어의 oxys (시다) + gennao(생기다) 에서 유래 |
산소는 지각(地殼)에 가장 풍부하게 있는 원소로서, 물론 수권(水圈: hydrosphere)에서도 대기권(大氣圈)에서도 가장 중요한 원소이다. 즉 지구에 있어 가장 중요한 원소라 해도 된다.
그러나 해양의 풍부한 물도, 대기 속에 21%나 있는 산소 기체도 결코 지구가 태어났을 때부터 존재했던 것은 아니다. "물의 행성" 지구의 표면의 4분의 3을 덮은 물은 아마도 지구 역사의 꽤나 이른 시기부터이지만, 지구의 내부로부터 탈(脫) 가스 작용에 의해서 배출된 것이다. 대기 중의 산소는 어떤가? 아마도 초기의 대기는 거의 산소를 함유하지 않았다. 그리고 이러한 상태가 지구의 역사를 반쯤 되는 동안을 계속했을 것이다. 즉 4~5억 년 전에 이르러서 겨우 오늘날에 가까운 수준으로 공기 속의 산소가 불어난 것이다.
오히려 이러한 것이 지상의 생명의 진화에 의미를 지니고 있었다. 간단한 화학물질로부터 점점 커다란 유기화합물의 분자로, 다시 생명으로 진화해 갔을 때 대량의 산소가 존재했더라면 이들 유기물이나 원시 생명은 연소하고 말았을 것이리라.
그리고 어느 때 산소가 증가하기 시작했다. 그리고 물론 그것에 의해 우리에게로 이르는 생명의 진화가 가능해졌다. 그러나 과연 어떻게 해서 산소가 발생하기 시작했을까?
실은 이 중대한 문제에 100% 만족할 만한 대답이 나왔다고는 아직도 말할 수 없는 것이다.
- 자외선 등에 의해 물이 분해하여 산소가 발생했다.
- 녹색 식물의 발달에 의해 광합성(光合作用)이 활발해지고 산소가 대량으로 발생했다는 두 가지 이유가 생각된다. 아마 그 어느 쪽도 다 대기 속의 산소의 발생과 관계가 있을 것이고 역사의 뒤안길에서는 2)가 주된 원인이 되었을 것이다. 그렇기는 하나 6억 년쯤 전에는 대기의 수% 정도를 차지했을 뿐인 산소가 그 후 2억 년쯤 되는 동안에 단번에 10배가 되었다는 것은 기적에 가까운 일이 아닐까?
지구의 대기가 그렇게도 극적으로 변화했다면 그 장래는 어떻게 될까? 어떤 이유로 앞으로의 대기의 조성(組成)이 바뀔 수 있는지 우리도 한 번 생각해 보기로 하자.
1980년대 이후로 대기 중 산소 농도에 대한 연구는 지속적으로 발전해 왔습니다. 현재 지구의 대기 중 산소 농도는 약 **21%**로 유지되고 있으나, 최근 80만 년 동안 약 **0.7%**의 감소가 있었습니다. 이 감소는 지질학적 과정에서 비롯된 것으로, 주로 피라이트(FeS₂, 황철석)와 유기 탄소가 산소와 반응하여 대기에서 산소를 제거하는 현상과 연관되어 있습니다. 또한, 해양이 냉각되면서 산소의 용해도가 증가하고, 이로 인해 산소를 소비하는 미생물들이 더 활발하게 활동하여 산소 농도를 낮추는 원인이 되기도 했습니다(livescience.com)(The University Record).
산소 농도는 지구 기후에도 큰 영향을 미쳤습니다. 예를 들어, 산소 농도가 감소하면 대기 밀도가 낮아지면서 표면의 증발량이 증가하고, 이로 인해 지구의 온도가 상승하는 경향을 보였습니다. 이는 백악기(Cretaceous, 白堊紀) 중기 같은 역사적 시기의 기후 변화와 연결되어 있었습니다(The University Record).
따라서, 1980년대 이후 대기 중 산소 농도는 큰 변화 없이 안정적으로 유지되고 있지만, 미세한 감소와 더불어 지구의 기후 변화와 밀접하게 관련이 있으며, 이에 대한 연구는 여전히 진행 중입니다.
오존(Ozone, O₃)
여기서 잠깐 숨을 돌려 산소의 동소체(同素體, Allotrope)인 **오존(O₃, Ozone)**에 대해 이야기해 보자. 오존은 우리 생명에 있어서 매우 중요한 존재이므로 자세히 알아두는 것이 좋다.
대기 속에 산소가 많아졌을 때, 산소 호흡을 하는 우리 동물의 조상이 처음으로 본격적으로 지구에 등장하게 되었다는 것은 앞서 설명한 바 있다. 그런데 이 시기와 거의 동시에 또 하나의 중요한 변화가 일어났다. 그것은 그때까지 바다나 호수 등의 물속에만 서식하던 생물이 육지로 상륙한 사건이다.
그 이유는 무엇일까? 생물이 물속에서 먼저 번창한 이유는 생명에 물이 중요하다는 사실에도 기인하지만, 해로운 방사선(放射線, Radiation)을 물이 차단해 주었기 때문이기도 하다. 태양에서 오는 자외선(UV, 紫外線) 중 파장이 짧은 성분은 생물의 **유전자(Gene, 遺傳子)**를 파괴하는 해로운 방사선이다. 이러한 자외선을 물이 방어해 주었다.
대기 속에 산소가 증가했을 때, 상층에 있는 산소의 일부가 특정 방사선의 영향으로 **오존(O₃)**으로 변했다. 이 오존은 성층권(成層圈, Stratosphere)에 분포하여 **오존층(오존層, Ozone Layer)**을 형성했는데, 이 오존층의 양은 지표로 가져오면 4mm쯤의 두께로 지구를 에워쌀 정도로 매우 얇지만 자외선을 효과적으로 차단해 준다.
오존층이 형성됨으로 인해 생물은 물에서 육지로 나올 수 있었다. 만약 오존층이 없어지면 자외선의 영향으로 인간에게도 **피부암(Skin Cancer, 皮膚癌)**이 증가하게 된다. 그중에서도 악성인 경우 **흑색종(黑色腫, Melanoma)**이라 하여 심각한 결과를 초래할 수 있다. 우리의 생명도 오존층의 보호 덕택에 유지되고 있다.
그런데 최근 대량으로 생산되고 있는 **프레온가스(Freon Gas, 염화불화탄소(Chlorofluorocarbon, CFC))**가 오존층을 파괴한다는 사실이 밝혀졌다. 이 화합물은 냉장고, 쿨러의 **냉매(冷媒, Refrigerant)**와 헤어스프레이(Hair Spray) 등에서 흔히 사용된다.
스프레이를 사용한 결과 이 물질이 대기로 방출되면 성층권의 오존층을 파괴하게 된다. 그로 인해 여러 나라에서는 프레온가스 사용과 생산을 중지하는 움직임이 증가하고 있다. 지구(地球, Earth) 위의 생명은 매우 미묘한 균형 속에서 유지되고 있다는 점을 오존층 문제가 잘 보여준다.
