아레시보 성간 메시지

(2003-7-7)

The Angel Question

영이: 아빠, 우주는 생각보다 훨씬 크고 넓은 것 같아요.

아빠: 나이도 많지.

영이: 우주의 나이가 150억 년 정도라고 듣기는 했지만 너무 큰 수자라서 감이 잘 안 와요.

아빠: 당연하지. 철이는 사람이 100년을 산다고 치고, 100년이 몇 초에 해당하는지 생각해 보았니?

철이: 아뇨. 지금 계산해 볼까요?

영이: 오빠, 나도 같이 할래.

철이: 그래. 우선 1년은 대충 몇 시간이지?

영이: 1년은 365일이고 하루가 24시간이니까 1년은 대충 만 시간이구나.

철이: 한 시간은 3600초니까 1년은 3600만 초쯤 되겠지? 그러니까 100년은 3600만에서 3억 6천만, 그 다음은 36억, 그래 100년은 약 36억 초야.

영이: 그러니까 150억이라는 수는 100년을 초로 세어서 다시 4를 곱한 수이구나. 아빠, 우주는 참 나이가 많네요. 그런데 우주는 얼마나 크지요?

철이: 우주의 크기라고? 아빠, 우주에도 크기가 있어요?

아빠: 하나의 점에서 시작해서 일정한 시간 동안 팽창해 왔다면 크기가 있다고 볼 수도 있겠지. 철이 생각에는 우주의 크기를 생각할 수 있는 어떤 단서가 있을 것 같아?

철이: 그건 너무 어려운데요.

아빠: 우리가 아주 배율이 높은 망원경으로 아주 멀리 있는 은하계로부터 나온 빛을 관찰했다고 해봐. 그런데 그 빛은 유한한 광속으로 지구에 도달한 거지.

철이: 그러니까 멀리 있는 은하계를 관찰했다는 것은 오래 전 과거를 보았다는 말이 되는 것이군요.

아빠: 그렇지, 요즘 천문학자들은 우주가 어린 아이 나이였을 때까지 거슬러 올라가서 관찰을 하고 있지.

철이: 우주가 어릴 때부터 지금까지 광속으로 달려온 빛을 관찰할 수 있다면 우주의 나이와 광속으로부터 대충 우주의 크기를 이야기할 수 있을 듯싶군요.

영이: 우주가 그렇게 크고 넓다면 혹시 지구 밖에도 사람 비슷한 무언가가 있지 않을까요?

아빠: 영이도 그 문제가 궁금한가 보구나. 아닌 게 아니라 그 문제는 소위 □천사 질문□이라고 해서 많은 사람들이 궁금해 하는 문제이지.

철이: 왜 갑자기 천사가 나오지요?

아빠: 만일 갑자기 천사가 어떤 사람 앞에 나타나서 어떤 질문도 좋은데 단 하나의 질문에 대해서만 답을 가르쳐 주겠다고 한다면 무얼 물어볼까, 그게 바로 □천사 질문□이야.

영이: 사람은 대답을 못할 질문이 많을 테니까 □천사 질문□이라고 하는군요.

아빠: 그래. 과연 어떤 질문에나 답을 할 수 있는 천사가 있을 지는 의문이지만 아무튼 많은 사람에게 □천사 질문□은 과연 지구 밖에, 외계에 생명체가 있을까 하는 의문이라는 말이지.

아레시보 성간 메시지

영이: 그래서 □천사 질문□에는 답이 있나요?

아빠: 답을 알아보려고 신호를 보냈지.

철이: 신호라니요? 무슨 신호를 어디에다 보냈다는 말인가요?

아빠: 하나씩 차근차근 생각해 보자꾸나. 우선 영이 생각에는 어디에 신호를 보내는 게 좋을 것 같아?

영이: 글쎄요, 달이나 화성에 보내보면 어떨까요?

철이: 야, 달에는 벌써 사람이 다녀왔잖아. 거긴 아무도 없어. 화성에도 패스파인더라는 탐사선을 보냈는데 사진을 보니까 아무도 없더라고.

영이: 사람 눈에는 안 보이는 생물도 있잖아?

아빠: 그렇고 말고. 카메라에 안 잡혔다고 해서 생명체가 없다고 할 수는 없지. 그래서 생명의 흔적을 찾을 때는 생명체의 대사 활동에 의해서 생기는 화합물이 있나 조사를 하기도 하고 여러 가지 간접적인 방법을 사용하는데, 일단 생명 존재 여부를 조사할 때는 우선 물이 있는지를 조사해보지.

영이: 물이 있으면 생명체가 있다고 볼 수 있나요?

아빠: 그야 물이 있다고 꼭 생명체가 있으리라는 법은 없지만, 일단 물이 없으면 생명이 있을 가능성이 희박하거든. 아무튼 지금으로서는 태양계 내의 다른 행성에 생명이 있을 가능성은 거의 없다고 보지.

영이: 그럼 태양계 바깥으로 신호를 보냈다는 말인가요?

철이: 태양에서 제일 가까운 별이 4광년 정도 거리에 있다고 들었는데 신호가 빛의 속도로 가도 4년은 걸려야 될 거 아니에요?

영이: 별에 어떻게 생명체가 있어?

아빠: 영이 말이 맞다. 별의 표면 온도는 수천 도나 되니까 별에는 생명이 있을 수 없지. 철이가 말하는 건 지구 같은 행성을 가진 별을 찾아야 하는데 일단 제일 가까운 별이 그렇게 멀리 있으니 생명이 있는 행성에 신호가 갔다가 되돌아오려면 아주 오랜 시간이 걸릴 거라는 말일 테지.

철이: 저는 사실 그런 생각까지는 못했어요. 그리고 보니 우리 은하계에 2천 억 개의 별이 있다고 하지만 그 중에 지구 같은 조건을 갖춘 행성을 거느린 별이 있을 지는 의문이군요.

아빠: 아무튼 실제로 1974년 11월 16일 날 푸에트리코에 있는 아레시보 전파천문대(Arecibo Observatory)에서 우리가 속한 은하계 내의 구상성단 M13이라고 알려진 별들로 마이크로파를 보낸 일이 있었지.

철이: 마이크로파라면 이동 통신에서 사용하는 전파지요?

아빠: 그래. 음식을 데우는 전자레인지도 마이크로파를 사용하지.

영이: 그럼 신호를 보낸 지 25년이 지났는데 무슨 대답이 왔나요?

아빠: 실망스럽게도 아직은 아무 연락이 없단다.

철이: 그 신호는 아직 태양계에서 아주 가까운 별을 지나가고 있을 텐 데요, 뭘. 수백 년 후에나 다시 한번 무슨 소식이 있나 들어보는 게 좋을 것 같네요.

아빠: 맞아. 외계 생명을 찾는 일은 엄청난 끈기가 필요한 일이지. 아무튼 그 때 보낸 그 메시지를 아레시보 성간 메시지(Arecibo Interstellar Message)라고 하지.

[아레시보 성간 메시지(Arecibo Interstellar Message)]

영이: 아빠, 누구한테 보내는 지도 모르면서 무어라고 신호를 보낸다는 말이에요?

아빠: 영이야, 그게 바로 제일 어려운 점이란다. 외계에 한국 사람이 살고 있다면 한국말로 신호를 보내면 되겠지만 이건 생명체가 있는지 없는지도 모르면서 신호를 보내는 판이니 도대체 어떤 말로 무슨 내용을 적어 보내야 할지 막막한 거지.

영이: 그러니까 알아들을지 어떨지 모르지만 일단 보내놓고 보자는 거네요.

철이: 그래도 가장 알아들을 만한 내용을 보내야 되겠지요. 그래서 결국 무얼 적어 보냈나요?

아빠: 전파를 보냈으니까 적었다고 할 수는 없고. 아무튼 과학자들이 오랜 궁리 끝에 결정한 아레시보 성간 메시지의 내용은 여기 이 그림에 있는 이런 거야.

영이: 이게 무슨 말인지 하나도 모르겠는데요, 아빠.

아빠: 응, 여기 제일 위에 있는 건 말이야 1에서 10까지 수이고, 그 다음에는 다섯 가지 원소, 그 다음에는 모든 생명체가 유전 정보를 기록하는 데 사용하는 4가지 염기, 그 다음은 DNA의 이중나선 구조, 그리고 사람의 DNA의 염기쌍의 수, 사람의 키, 인구 수 등이고, 아래쪽에는 태양계와 아레시보 천문대가 그려있지. 이런 내용을 마이크로파에 실어서 보내고 혹시 저쪽에서 알아듣고 신호를 보내오지 않을까 기다리는 거야.

철이: 왜 하필 그런 내용을 보냈는지 이해가 안 되는 데요. 좀 설명해 주세요.

영이: 아빠, 나도 궁금해요.

수: 자연의 기본 언어

아빠: 철이 생각에는 과학의 여러 분야 중에서 어느 분야가 제일 기본인 것 같애?

철이: 글쎄요. 대학의 과를 이야기할 때도 수물화생 식으로 말하는 걸 보면 수학이 기본이 아닌가 싶네요. 수식이 없이는 물리나 다른 과학을 말하기 어려울 거예요.

영이: 초등학교에서도 국어하구 산수를 제일 많이 해요.

아빠: 수는 자연의 기본 언어이지. 그래서 어딘가에 생명체가 있다면 거기에도 수가 기본일 거라고 생각한 거야.

영이: 그래서요?

아빠: 그래서 아레시보 메시지의 첫 대목에 수를 적은 거야. 1부터 10까지를 이진법으로 보낸 거지.

영이: 이진법이 뭐예요?

아빠: 철이가 설명해 줄 수 있겠니?

철이: 십진법에서는 1에서 9까지 1단위의 기본수가 있고, 그 다음 자리는 10 단위잖아. 그런데 이진법에서는 0과 1 두 수가 기본이야. 그러니까 십진법에서 2는 이진법에서는 10이 되는 거야. 컴퓨터에서도 이진법을 사용하지.

영이: 그러니까 십진법보다 이진법이 더 기본이라는 말이야? 나는 십진법이 더 좋아 보이는데.

철이: 야, 사람은 손가락이 열 개니까 십진법이 편하지만 딴 세상에서는 10이라는 수가 별다른 의미가 없을 수도 있잖아. 하지만 2라는 수는 훨씬 더 기본적이지. 맞다, 틀리다. 오른쪽, 왼쪽. 있다, 없다 식으로 말이야.

아빠: 컴퓨터 경우에는 켜져 있다, 꺼져 있다는 의미이지.

영이: 그리고 보니 이진법이 더 기본인 것 같네요.

아빠: 아무튼 수는 어디에서나 기본이니까 우선 수를 이야기하는 것은 당연한 일이지.

영이: 외계인들도 식구 수를 세고 나이도 세겠지요.

5 가지 핵심 원소

철이: 수 다음에 있는 이게 무어라고 했지요?

아빠: 다섯 가지 화학 원소의 원자번호야. 영이는 원자번호가 무언지 기억하니?

영이: 네, 원자번호는 어느 원자에 들어있는 양성자 수예요. 그런데 왜 다섯 가지 원소의 이름을 보내지 않고 원자번호를 보냈을까요?

철이: 이름이야 아무나 제멋대로 붙일 수 있는 거잖아. 수는 수를 어떻게 세건 간에 바뀌지 않는 기본적인 거구.

영이: 참 조금 전에 수가 기본이라 그랬지. 외계인이 수소를 자기네 말로 부른다고 해서 양성자의 수가 바뀌는 건 아닐 테니까.

철이: 아빠, 그런데 외계인이 과연 원자번호를 알아볼까요?

아빠: 원자번호의 수도 이진법으로 보냈지.

철이: 그건 잘한 일인데, 제 얘기는 말이에요 외계에서도 지구에서와 똑같이 양성자의 수가 중요할까, 다시 말해서 양성자들이 모여서 원자가 될까 하는 점이에요.

영이: 원자의 원료가 전혀 다르다면 우리의 이야기를 못 알아듣겠지요.

아빠: 바로 그거야. 과학자들이 다섯 가지 화학 원소의 원자번호를 보냈을 때는 우주의 어느 곳에서도 물질세계는 공통적인 원소들로 이루어졌고, 원자를 구성하는 양성자, 중성자, 전자도 똑같은 입자들이라는 확신이 있기 때문이지.

영이: 어떻게 가보지도 않고 그걸 알 수 있지요?

철이: 영이야, 너는 해에 가봐서 해가 있는 줄을 아니?

영이: 하긴 그러네.

아빠: 햇빛을 보고 해가 있는 것을 아는 것처럼 별빛을 관찰해서도 아주 많은 중요한 정보들을 얻을 수 있단다. 그 이야기는 차차 하기로 하고, 아까 말한 다섯 가지 원소가 무언지 알고 싶지 않니?

영이: 막 그걸 여쭈어 보려고 했어요. 왜 하필 다섯 가지지요?

아빠: 미국에 마크 트웨인이라는 소설가가 있었지.

영이: 나도 □톰 소여의 모험□이랑 □헉클베리 핀□을 읽었어요. 그런데요?

아빠: 이 분은 유머가 대단한 분인데 누구한테 편지를 쓰면서 □짧게 쓸 시간이 없어서 길게 씁니다□라고 말했다는 거야.

영이: 그건 말도 안되요. 긴 편지가 시간이 더 오래 걸리잖아요?

아빠: 영이도 한 번 두 장짜리 편지를 서너 줄에 요약해보렴. 어때, 쉬울 것 같아?

영이: 그건 좀 어려울 것 같군요.

아빠: 그래서 고심 끝에 생명에 필수적이라고 생각되는 다섯 가지 원소를 적은 거지.

영이: 그 다섯 가지 원소가 뭔 데요?

아빠: 영이와 철이가 같이 생각해 보렴.

철이: 내 생각에 탄소는 꼭 들어가야 될 것 같아. 외계인도 생명체라면 유기물질로 이루어졌을 것이고, 그렇다면 우리처럼 탄소 화합물이 중요할 거야.

영이: 나는 산소가 있어야 할 것 같아, 오빠. 거기서도 숨을 쉬어야 살 테니까 말이야. 그리고 물은 꼭 있어야 하니까 수소도 있어야 하구.

철이: 내 이름이 철이라서가 아니라 철의 원자핵이 가장 안정하다니까 거기도 철이 많을 것 같아요.

아빠: 수소, 산소, 탄소는 맞아. 철이는 비료의 3요소가 무언지 아니?

철이: 예, 질소, 인, 칼륨이에요.

영이: 아빠, 왜 그 것들이 비료의 3요소지요?

아빠: 비료는 식물이 잘 자라도록 하기 위해서 공급해 주는 것이잖아. 물론 식물은 수소, 산소, 탄소도 필요하지만 그것들은 물과 이산화탄소로부터 쉽게 얻을 수 있거든.

영이: 그러니까 질소, 인, 칼륨은 생명체에 꼭 필요한데 모자라기 쉽다는 말이군요. 그럼 그 셋 중에서 둘 만 고르면 되겠네. 오빠는 무얼 고를래?

철이: 글쎄, 중요한 순서로 말할 것 같기는 한데, 자신이 없는걸.

아빠: 그럼 이렇게 해볼까. 종이에다가 생체에 많이 들어있는 탄수화물, 단백질, 지방질, 핵산이라고 한 줄에 적어놓고 그 물질에 들어있는 원소를 적어봐. 그러면 어떤 원소가 중요한지가 드러날 거야.

영이: 오빠, 내가 쓸래. 우선 탄수화물에는 무슨 원소가 들어있지?

철이: 야, 네가 지금 말했잖아.

영이: 뭘 말이야?

철이: 탄수화물은 탄소에 물이 결합했다는 뜻이야.

영이: 그러면 탄수화물에는 탄소, 수소, 산소가 들어 있는 셈이네. 그 다음 단백질은?

철이: 단백질은 아미노산으로 구성되어 있다고 하던데, 아미노라는 건 암모니아와 관련이 있다니까 질소가 들어있겠네. 산이라면 산소와 수소가 있을 것 같고. 아빠, 다 되었어요?

아빠: 중요한 게 하나 빠졌군. 생체 화합물이니까 무슨 원소가 꼭 있어야 할까?

철이: 참, 탄소가 빠졌군요.

영이: 잠깐만 기다려. 탄수화물의 탄소 밑에 단백질도 탄소, 탄수화물의 수소 밑에 단백질도 수소, 탄수화물의 산소 밑에 단백질도 산소, 그리고 탄수화물에는 없는 질소가 단백질에는 들어있음.

아빠: 잠깐만, 영이야. 단백질에 괄호를 하고 황이라고 적어 줄래? 왜냐하면 대부분의 단백질에는 황이 들어있는데 없는 경우도 있기는 하거든.

영이: 알았어요. 그 다음 지방질에는 무슨 원소가 들어 있지, 오빠?

철이: 지방질은 기름 종류니까 휘발유처럼 탄소와 수소가 주로 들어있을 거야. 다른 원소도 들어있나요, 아빠?

아빠: 응, 지방질은 글리세롤이라는 알코올 종류와 지방산이 결합한 화합물이지.

철이: 산이라면 아무래도 산소가 들어 있겠군요.

영이: 그럼 지방질에는 탄소, 수소, 산소라고 적으면 되겠네요. 그 다음이 뭐더라?

철이: 핵산이잖아. 핵산은 잘 모르겠는데요. 산이니까 산소와 수소는 들었을 테고. 유기물질이니까 탄소도 들었을 테고. 질소도 들어있나요?

아빠: 철이는 DNA의 염기 서열이라는 말을 들어보았니?

철이: 요새 인간 무슨 프로젝트인가에서 유전자에 들어있는 염기 서열을 결정한다고 듣기는 했는데, 무슨 말인지 잘 모르겠어요.

아빠: 그 이야기는 나중에 하기로 하고, 아무튼 그 염기라는 게 아까 아미노산의 암모니아가 질소를 포함하는 염기인 것에서 볼 수 있듯이 질소를 포함한단다.

영이: 탄소, 수소, 산소, 질소가 들어있다면 황이 없는 단백질하고 비슷하네요.

아빠: 그래. 그런데 핵산에는 꼭 들어가야 하는 원소가 하나 더 있어.

영이: 그게 뭔 데요?

아빠: 아까 비료의 3요소 중에서 아직 안 나온 게 뭐지?

영이: 인과 칼륨이에요.

아빠: 그 중에서 핵산에는 반드시 인이 들어있단다.

철이: 그럼 다섯 가지 원소가 정해졌네. 영화 제목에도 제5원소라는 게 있더니만.

영이: 잠깐, 내가 말해볼게. 탄소, 수소, 산소, 질소, 인. 맞지요?

아빠: 그래. 아레시보 메시지에서는 수소, 탄소, 질소, 산소, 인 순서로 원자번호인 1, 6, 7, 8, 15를 보냈지. 외계 어디엔가 생명이 있다면 그 다섯 가지 중에서 하나라도 빼고는 살아가기 어려울 거라는 말이야.

영이: 참 재미있네요. 내 몸 속에 있는 원소가 ET 같은 외계인에게도 들어 있다니 말이에요.

철이: 그야 하나의 우주니까. 수소로 시작된 우주에서 수소가 몇 개씩 모여서 여러 가지 원소를 만든다면 우주 어디에도 같은 원소가 있을 수밖에.

영이: 우리 몸의 원소와 우주 전체의 원소가 같다면 그야말로 신토불이(身土不二)네요.

아빠: 원자 세계의 신토불이라, 그거 기막힌 표현인걸. 우리 영이는 정말 표현력이 대단하구나.

영이: 열심히 주워들은 덕이에요.

수소 이야기

생체에 제일 많은 수소

아빠: 영이가 만든 표에다 물을 추가하면 어때?

영이: 물도 중요한가요?

철이: 그럼. 네 체중의 반 이상이 물인 걸 몰라?

영이: 참, 그렇지. 그럼 목욕탕에 들어가는 건 물이 물에 들어가는 거네.

철이: 대략 그렇지.

아빠: 그럼 물을 추가하고 나서 공통적으로 들어 있는 원소가 뭔가 말해봐.

영이: 제가 표를 보여 드릴게요.

탄소     수소     산소     질소      인      황

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탄수화물     o        o        o

단백질       o        o        o        o              (o)

지방질       o        o        o

핵산	o        o        o        o       o

물                    o        o

---------------------------------------------------

아빠: 영이에게는 어떤 점이 제일 눈에 뜨이니?

영이: 인과 황은 핵산과 단백질에만 들어있다는 점도 보이지만 그보다는 수소와 산소가 어디에나 들어있다는 점이 더 중요해 보이네요.

철이: 정말 그렇군요. 탄소도 골고루 들어있기는 하지만 물에는 없잖아요?

영이: 그리고 보니 물은 정말 특별하다는 생각이 들어요.

아빠: 나는 제일 중요한 원소 한 가지를 들라면 수소를 들고, 제일 중요한 화합물 한 가지를 들라면 물을 들지.

영이: 저도 앞으로는 그럴 것 같아요.

우주의 주성분 원소

아빠: 그럼 이제부터 본격적으로 수소 이야기를 해볼까? 수소가 제일 먼저 내세울 수 있는 것은 수소가 우주 전체의 원소 중에서 4분의 3을 차지한다는 점이지.

영이: 수소가 우주의 주성분 원소라는 말이군요? 그래서 제일 메시지의 앞에 나오나요?

철이: 원자번호가 1이니까 그랬겠지. 그런데 아빠, 4분의 3이 개수 비로 말인가요 무게 비로 말인가요?

영이: 오빠, 그게 무슨 말이야?

철이: 너, 천 원 짜리 한 장 가질래, 만 원 짜리 한 장 가질래?

영이: 그야 당연히 만 원짜리지.

철이: 그럼 제일 가벼운 수소가 원소 전체의 거의 4분의 3을 차지한다, 두 번째로 가벼운 헬륨이 나머지 4분의 1을 차지한다, 그런데 헬륨은 수소보다 4배정도 무겁다고 한다면 개수로는 수소가 전체의 몇 퍼센트를 차지하겠니?

영이: 수소가 헬륨보다 무게로 3배나 많이 있는데 하나의 무게는 4분의 1이라니까 개수는 12배나 많아야겠네. 맞아?

철이: 제법인걸.

영이: 아빠, 그런데 수소가 그렇게 많이 있다는 걸 어떻게 알 수 있지요?

아빠: 그것 참 좋은 질문이구나. 1920년대에 영국에서 미국의 하버드 대학원에 유학 온 세실리아 페인이라는 젊은 여학생이 있었지. 페인은 망원경으로 많은 천체를 자세히 조사해서 모든 별은 수소의 흡수 스펙트럼을 강하게 나타낸다는 사실을 발견했어. 그 이후로 망원경의 배율이 늘면서 아주 멀리 있는 은하계에서도 같은 결과가 얻어졌고.

영이: 그런데 수소가 아무리 많아도 생명에 관계가 별로 없다면 외계인에게 구태여 말을 할 필요가 없을지도 모르지요.

에너지원인 수소

아빠: 그럼 생명 현상에서 수소의 중요성을 하나하나 생각해 보자꾸나. 우선 수소는 에너지원으로서의 역할이 가장 중요하다고 말 할 수 있을 텐데, 그 점을 철이가 영이에게 설명해 줄 수 있겠니?

철이: 아까 모든 별에는 수소가 많다고 했잖아? 별이 빛을 내는 건 에너지가 나온다는 뜻인데 그 에너지가 바로 수소의 핵융합 반응의 결과라는 거지. 그리고 식물은 이러한 태양 에너지를 이용해서 이산화탄소와 물로부터 탄수화물을 만들어.

영이: 광합성 작용 말이구나.

철이: 우리 같은 동물은 직접 식물을 먹기도 하고 또는 식물을 먹고 살아가는 동물을 먹기도 하니까 결국 수소는 모든 생명체의 에너지원이라고 말할 수 있지.

영이: 이제부터는 밥을 먹을 때마다 수소에게 감사해야겠네.

수소 결합을 이루는 수소

아빠: 그 다음 수소가 하는 중요한 일은 산소와 결합해서 물을 만든다는 점이지. 왜냐하면 대부분의 몸에서 일어나는 반응은 물을 필요로 하거든. 그 이유가 뭘까?

철이: 반응하는 물질들이 섞여야 되거든요. 그런데 물은 대부분의 생체 물질을 잘 녹여서 반응이 일어나기 쉽게 해주는 좋은 용매지요. 그래서 화성 탐사선이 생명체를 찾을 때는 일단 물의 흔적을 찾는 거래요.

아빠: 철이는 물은 메탄이나 암모니아 같이 작은 분자인데도 보통 액체로 존재하는 이유를 알고 있니?

철이: 네, 눈송이의 6각형에서 볼 수 있듯이 물분자들 사이에 수소 결합이 이루어지기 때문이에요. 그렇지 않다면 바닷물이 다 증발해 버리고 말겠지요.

아빠: 그럼 생명이 시작되기도 어려웠을 거야. 그러니 빅 뱅 당시에 만들어진 수소와 수 억 년 후에 별의 내부에서 만들어진 산소가 만나 화학 결합을 이루어서 물을 만들어낸 것은 참 다행한 일이지. 철이는 수소 결합이 생명 현상에서 또 중요한 이유를 들어보았니?

철이: 네, DNA에서 A와 T, 그리고 G와 C라고 하는 염기들 사이에 수소 결합이 이루어져서 전체적으로 안정한 이중나선 구조를 이루게 되지요.

아빠: 수소 결합 덕분에 DNA는 대단히 안정하고, 그래서 모든 세포는 DNA를 한 개 씩 만 가지고 있어도 염려할 필요가 없는 거야. 뿐만 아니라 수소 결합은 DNA의 염기 서열이 RNA의 염기 서열로 전사되는 과정이나 RNA의 염기 서열이 단백질의 아미노산 서열로 번역되는 과정에서도 결정적인 역할을 하지. 또 수소 결합은 또 하나의 중요한 생체 고분자인 단백질의 3차원적 구조를 이루는 데에도 중요한 역할을 한단다.

영이: 자세한 건 잘 모르겠지만 수소는 생명의 많은 과정에서 꼭 필요한 것 같군요.

세포막을 만드는 수소

아빠: 마지막으로 한 가지만 보탤게. 아까 철이가 물은 반응이 잘 일어나도록 섞이게 해주는 용매라고 했지. 그런데 너무 잘 섞이면 곤란한 경우가 있어. 어떤 경우일까?

영이: 제 몸의 반 이상이 물이라고 해서 제가 목욕탕에 들어갈 때 몸 전체가 목욕물과 섞여버리면 곤란하겠지요.

아빠: 많은 세포들이 모여서 조직과 기관을 이루고 우리 몸이 되는 것이지만, 일단은 세포 하나하나에 세포막이 있어서 안과 밖을 구분해주지. 태초의 바다에 태어난 단세포 생물을 생각해봐. 세포 바깥은 바다 물인데 내부의 세포질도 물과 잘 섞이니까 이 두 가지 환경을 구분하는 세포막이 없다면 모두 바다 물에 녹아버리고 말겠지.

영이: 그건 내 몸이 목욕탕에 녹아버리는 것 이상으로 심각한 문제네요. 태초의 생명이 없이는 지금의 모든 생명이 있을 수 없잖아요.

아빠: 그래서 자연은 인지질이라고 하는 물과 잘 섞이는 부분과 물과 잘 섞이지 않는 부분을 함께 지닌 화합물을 만들어서 인지질 이중막 구조로 그 문제를 해결했지.

철이: 학교에서 비누의 원리를 배웠는데 세포막에도 같은 원리가 적용된다고 들었어요. 좀 자세히 설명해 주세요.

아빠: 인지질에는 물과 잘 섞이는 인산의 머리 부분이 있고, 물과 잘 안 섞이는 지방질 꼬리 부분이 있어. 인지질을 올챙이라고 생각해봐. 수백 마리의 올챙이가 모두 머리를 바깥으로 향하고 다닥다닥 늘어서서 공 모양을 만들었다면 꼬리는 모두 안 쪽을 향하게 되겠지. 그런데 세포의 안 쪽도 대부분 물이거든. 그래서 꼬리와 잘 안 맞는 거지. 그런데 안 쪽에 또 수백 마리의 올챙이가 이번에는 머리를 안으로 향하고 늘어섰다면 꼬리들끼리 서로 만나게 되겠지. 그럼 서로 잘 안 섞이기 때문에 생기는 문제가 없어지는 거야.

철이: 그래서 이중막이라고 하는군요. 그런데 수소 이야기를 하다가 어떻게 이중막 이야기가 나왔지요?

아빠: 아, 올챙이의 꼬리가 이중막을 만드는 데 중요한 이유가 바로 꼬리 부분이 전기음성도가 낮은 수소와 탄소의 결합으로 이루어져 있어서 극성이 낮고 그래서 기름처럼 물과 안 섞이기 때문이거든. 그러니까 수소가 아니었다면 안정한 세포막 구조가 불가능하고 따라서 생명체의 존재 여부조차 의심스러워지는 거지.

에너지 밀도가 높은 수소

철이: 아빠, 기름 이야기가 나오니까 생각이 나는 데요, 지방이 탄수화물이나 단백질보다 두 배 이상 발열량이 높다던데 그것도 수소와 관계가 있나요?

아빠: 사실 그렇단다. 수소는 핵융합에 의한 태양 에너지와는 다른 의미에서 생물의 에너지원으로 중요하단다. 동면하는 동물이나 사막에서 여행하는 낙타는 몸에 많은 지방질을 지니는데, 그 이유가 철이가 말한 대로 지방질은 탄수화물이나 단백질보다 단위 무게 당 2배 정도의 에너지를 내기 때문이지.

철이: 학교에서도 그렇다고는 배웠는데 왜 그런지는 안 배웠어요.

아빠: 우리나라 교육이 지식 전달에만 급급하고 생각하게 하는 훈련은 부족하지. 철이는 같은 무게의 수소와 탄소를 태울 때 어느 쪽이 열이 많이 나올 것 같아?

철이: 글쎄요. 석탄을 태워서 발전도하고 기관차가 달리기도 하는 것을 보면 탄소도 꽤나 많은 열을 내는 것 같은 데요. 수소는 잘 모르겠어요.

영이: 오빠, 얼마 전에 TV에서 보았는데 수소가 든 풍선이 폭발해서 애들이 많이 다쳤대요. 그걸 보면 수소가 탄소보다 빨리 타고 열도 많이 나오는 것 같지 않아?

철이: 네 말이 맞는 것 같은데.

아빠: 그래, 영이 말이 맞다. 그렇기 때문에 수소가 많이 들어 있는 물질이 잘 타고 열도 많이 나지.

철이: 그러니까 지방질에 수소가 들어있는 비율이 높다는 말이군요?

아빠: 탄수화물이나 단백질과 달리 지방질은 탄소와 수소의 긴 사슬로 되어있어서 탄수화물이나 단백질에 비해 수소를 많이 포함하고 있지. 탄수화물이나 단백질에는 산소가 이미 어느 정도 들어 있어서 그 부분은 도움이 안 되는 거지.

영이: 그런데 왜 수소가 탄소보다 열을 많이 내지요?

아빠: 탄다는 건 공기 중의 산소와 결합하는 거라는 점은 알고 있겠지. 그런데  산소와 결합하는 결과로 열이 나오는 이유는 뭐지?

철이: 산소는 전기음성도가 높아서 전자를 자기 쪽으로 끌어당기는데 전자를 잘 내어주는 탄소나 수소를 만나면 만족한 상태가 되고, 그만큼 에너지가 빠져 나오는 거지요.

아빠: 그럼 영이가 탄소와 수소 중에서 어느 쪽이 전자에 대한 욕심이 적은 지 말해 볼래?

영이: 산소가 전자를 잘 내어주는 원소와 만나야 열이 더 많이 나올 테니까, 수소가 전자에 대한 욕심이 적어 보이네요.

철이: 그걸 수소가 탄소보다 전기음성도가 낮다고 말하는 거야.

영이: 그러니까 전기음성도가 높은 산소가 전기음성도가 낮은 수소와 반응할 때 열이 많이 나오는 것이군요.

철이: 그래. 지방질이나 휘발유에 들어 있는 탄화수소나 결국 에너지를 많이 내는 수소를 탄소가 날아가지 못하게 붙잡고 있는 거지. 물론 탄소도 타면 에너지를 내지만 가벼운 수소가 단위 무게 당 훨씬 많은 에너지를 내거든.

수소의 발견

영이: 그런데 수소는 누가 발견했지요?

아빠: 수소는 1766년에 영국의 캐번디쉬라는 과학자가 발견했어. 캐번디쉬는 지구의 무게를 정확히 잰 것으로 유명한데 아연 같은 금속에 산을 가하면 불에 잘 타는 기체가 발생하는 것을 알게 되었지. 그게 알고 보니 수소인 거야.

영이: 왜 수소라는 이름을 붙였지요?

철이: 넌 물 수(水)자도 모르냐? 타면 물이 되니까 수소가 된 거지. 아빠, 그런데 왜 아연에 산을 넣으면 수소가 나오지요?

아빠: 그게 다 전기음성도 차이 때문이지. 간단한 염산을 생각해봐. 염산에서 수소는 염소에게 전자를 많이 양보한 상태잖아. 거기에 수소보다 전기음성도가 낮은 아연이 들어갔다고 해봐. 염소가 자꾸 야, 수소야, 전자 좀 더 내놔 한 대봐. 그럼 수소는	벌써 주었는데 더 내놓으란 말이야 하겠지. 그러니까 염소가 싫으면 그만 둬, 너보다 맘 좋은  아연더러 달래면 되니까 하는 거야. 그랬더니 아연이 잘 생각했어. 나는 차라리 전자가 없는 게 더 편해. 내 전자를 가져 하고 전자를 주어버린 거지. 그럼 염소와 아연은 어떻게 되는 거지?

철이: 전자를 얻은 염소는 염소 이온이 되어 만족한 상태로 지내겠지요.

아빠: 전자를 내준 아연 역시 양이온 상태에 만족하겠지. 그걸 보면 경우에 따라서는 주는 것도 받는 것 못지않게 바람직한 모양이야. 그럼 염소에게 일부 전자를 내주었다가 되찾은 수소는 어떻게 되었을까?

철이: 염소가 전자를 반납했으니 수소는 원자 상태가 되겠지요. 아, 알겠어요. 수소 원자는 옥텟 규칙에 따라 수소 분자(H2)를 만드는데 수소 분자는 가벼우니까 위로 부글부글하고 나오는 거군요. 학교에서 폭명 가스라고 배웠어요. 수소가 발생할 때 성냥을 그어대면 펑하고 순간적으로 가벼운 폭발을 일으키지요.

아빠: 수소가 발생하는 것은 자기가 태어난 우주 공간을 찾아가는 셈이지.

영이: 그러니까 고향을 찾아 나섰다가 캐번디쉬에게 들켰군요.

산소 이야기

산소의 발견

아빠: 수소 이야기가 너무 길어졌구나. 다음에는 어느 원소 이야기를 할까?

철이: 메시지 순서대로 한다면 탄소지요?

영이: 아빠, 나는 산소 이야기를 먼저 듣고 싶어요. 내 표에는 수소와 산소가 어디에나 들어있으니까요.

아빠: 그래? 그럼 그러지. 우선 산소를 발견한 프리스틀리 이야기부터 할까?

영이: 좋아요. 나는 과학자 이야기가 재미있어요.

아빠: 프리스틀리(Joseph Priestley, 1733-1804)는 18세기 후반에 영국에서 활동한 목사 겸 화학자였지. 그런데 하루는 리즈의 한 교구에 이상한 소문이 돌았어.	경건한 프리스틀리 목사가 한 밤중에 양조장을 기웃거린다는 거야.

영이: 목사님이 양조장엘요?

아빠: 궁금해 하는 교구민들에게 □목사님이 하시는 일이라고는 한 손에 든 양초에서 다른 손에 든 나무 조각에 불을 붙여서 술통에 가까이 가져가 보는 것 밖에는 없어요. 그러다 불이 꺼지면 다시 양초에서 불을 붙여다가 새로 시작하지요□라고 양조장 종업원이 설명해도 별 도움이 되지 못했지.

영이: 저도 도움이 안 되는 데요.

철이: 영이야, 그 건 이산화탄소라는 기체야. 이산화탄소는 공기보다 무겁기 때문에 밑으로 가라앉는데 거기다 불을 가져가면 산소가 부족해서 불이 꺼질 수밖에.

아빠: 그 때는 산소도 발견되기 전이야. 그러니 신기할 수밖에.

영이: 그러니까 프리스틀리가 산소가 발견되기 전에 이산화탄소를 발견한 셈이네요.

아빠: 그러다가 프리스틀리가 다른 교구로 가게 되었는데 그러자 양조장을 찾아오기가 번거롭게 되었거든. 그래서 프리스틀리는 이 흥미 있는 기체를 압축해서 물통에 저장하는 방법을 고안했지. 그런데 이 기체가 녹아있는 물은 기분 좋게 톡 쏘는 맛이 났거든.

철이: 이산화탄소의 운반 방법을 고안하려다가 내가 좋아하는 탄산음료를 발명했네요.

아빠: 발견의 역사에는 옆으로 빠지는 바람에 대어를 낚은 일이 얼마든지 있지.

철이: 누가 발견은 계획할 수 없다고 했다지요?

아빠: 파스퇴르의 □우연은 준비된 마음을 선호 한다□는 말도 있지. 새로운 기체를 찾는데 재미를 붙인 프리스틀리는 햇빛을 볼록거울로 모아서 어떤 물질(산화수은)에 쪼이면 그 때까지 알려지지 않았던 기체가 발생하는 것을 알게 되었는데 이 기체가 아주 재미있는 성질을 나타내는 거야.

영이: 어떻게요?

아빠: 뜨겁게 달군 철사를 이 기체에 넣으면 환하게 빛을 내면서 타고, 또 이 기체가 들어있는 병에 쥐를 넣으면 두 배나 오래 살았다지.

철이: 응급실에서는 산소 호흡을 시키지요.

아빠: 프리스틀리도 이 기체가 폐 기능에 문제가 있는 사람에게 도움이 될지도 모른다고 생각했어. 그는 실제로 이 기체를 들이마시면 기분이 좋아진다, 그리고 식물이 자라면서 이 기체를 내보내서 동물의 호흡으로 나빠진 공기를 새롭게 한다는 사실을 알아냈고. 그가 산소를 분리해낸 1775년 3월 8일은 과학뿐만 아니라 의학의 역사에서도 가장 중요한 날의 하나가 되었지.

영이: 산소가 공기의 5분의 1이나 들어있는데 프리스틀리 이전에는 매 순간 숨을 쉬면서도 산소의 존재를 몰랐다니..

아빠: 5분의 1 이야기가 나와서 말인데 프리스틀리는 이 기체가 보통 공기보다 5-6배의 연소 효과를 가진다고 말했다니까 상당히 정확히 알아낸 셈이지.

영이: 우리가 공기를 돈을 주고 사서 마셔야 한다면 큰일이겠지요?

아빠: 귀중한 것일수록 값없이 얻는 경우가 많이 있지. 한 가지 보태자면 프리스틀리는 영예로운 영국 왕립학회의 코플리 메달을 받았지만 자신은 한 사람의 목사로 기억되기를 원했다지. 그의 글에 종교에 비하면 다른 모든 것들은 얼마나 하찮은지 모른다는 말이 있대.

영이: 다른 것은 몰라도 산소의 발견은 절대로 하찮은 게 아니지요.

아빠: 물론이지. 그런 의미에서 프리스틀리와는 별도로 산소를 발견한 스웨덴의 셸레(Scheele) 이야기를 해야겠군.

철이: 어떻게 발견이 두 번 있을 수 있어요?

아빠: 예전에는 지금같이 인터넷이 있는 것도 아니고 해서 멀리 떨어진 곳에서 일어나는 일을 잘 몰랐거든. 아무튼 셸레는 약제사 밑에서 일하면서 틈틈이 실험을 했는데 공기를 어떤 물질(황화칼륨) 위에 놓아두면 1/4 정도가 흡수되고 남은 기체는 공기보다 약간 가볍다는 사실을 관찰했지.

영이: 왜 남은 기체가 가볍지요?

철이: 그건 말이야, 남은 기체는 질소인데 질소의 분자량은 28이고 산소의 분자량은 32이기 때문이지.

영이: 공기 중에서 무거운 산소가 없어지니까 가벼워졌단 말이지?

철이: 그래. 자세히 이야기하자면 아보가드로의 원리를 이야기해야 하지만 그건 너한테는 좀 어려울 걸.

영이: 그래도 말해봐. 쉽게 설명하는 것도 능력이라던데.

철이: 어쭈, 오빠를 테스트하네. 좋아. 여기 탄성이 없는 종이로 만든 같은 크기의 풍선이 두 개 있다고 해봐. 이 풍선을 각각 1기압의 질소와 산소로 채웠다고 해봐.

영이: 1기압의 질소와 산소로 채웠다는 게 무슨 뜻이지?

철이: 풍선 바깥의 대기압이 1기압인 건 알겠지. 그런데 질소의 압력이 1/2 기압이었다고 해봐. 그럼 질소가 든 풍선은 어떻게 될까?

영이: 아마 반으로 쭈그러들겠지.

철이: 맞아. 그러니까 풍선 안쪽의 압력이 1기압이면 대기압과 맞서서 쭈그러지지도 팽팽하지도 않은 상태가 될 꺼야. 고무풍선이라면 탄성이 있기 때문에 좀 복잡해지지.

영이: 그래서 종이 풍선이라 그랬구나.

철이: 아무튼 아보가드로의 원리라는 건 다른 기체라도 같은 압력 하에서는 같은 부피 안에 같은 개수의 분자가 들어있다는 거지. 그러니까 셸레 당시에는 이해를 못했지만 알고 보면 공기가 가벼워졌다는 것은 질소의 분자량이 산소의 분자량보다 작다는 것을 의미하는 거야.

아빠: 다행히 질소나 산소나 다 원자 두 개가 결합한 소위 2원자 분자이기 때문에 분자량의 비율이 바로 원자량의 비율이 되는 거지.

영이: 잠깐 계세요. 아까 질소와 산소의 원자번호는 7과 8이라고 했던 것 같은데, 질소의 분자량은 28이고 산소의 분자량은 32이라니 왜 꼭 원자량의 4배인지 이상하네요.

철이: 질소와 산소의 경우에는 분자량이 원자량의 2배라고 했잖아.

영이: 그럼 질소와 산소의 원자량은 14, 16이잖아. 그래도 원자번호의 2배인데?

철이: 원자번호가 뭐랬지?

영이: 아빠, 원자번호는 양성자의 수라고 했지요? 그럼 원자량은 항상 원자번호의 2배인가요?

아빠: 그보다 원자량과 원자번호의 차이는 어디에서 오는지를 먼저 알아야겠지.

영이: 오빠, 그 차이가 뭐지?

철이: 원자에는 양성자 말고도 중성자라는 양성자와 무게가 비슷한 입자가 있거든.

영이: 그러니까 질소와 수소의 경우에는 양성자와 중성자의 수가 같단 말이지?

철이: 지금 단계에서는 그렇다고 해두면 될 거야. 양성자 수와 중성자 수의 합을 질량수라고 한다는 점만 추가한다면 말이야.

아빠: 산소의 발견 이야기를 하다가 질량수까지 나왔구나.

영이: 질소 이야기도 나왔어요.

아빠: 참 그랬구나. 그 당시에는 질소가 알려지지 않아서 셸레는 산소가 흡수되고 남은 기체를 나쁜 공기라고 불렀어.

영이: 나쁘기는 왜 나빠요?

철이: 영이야, 너는 질소를 마시고 살 수 있을 것 같아?

영이: 그야 못 살겠지. 촛불도 꺼질 테고. 아하, 질식시킨다고 해서 질소라 그러는 거구나. 그렇다고 무조건 나쁘다고 할 수는 없잖아.

아빠: 그건 영이 말이 맞다. 공기 중에 질소가 없다면 비료의 성분인 질소의 공급이 부족하겠지.

영이: 아빠, 그럼 공기 중의 질소에서 비료를 만든다는 말씀이세요?

철이: 그럼. 공기 중의 질소에서 비료를 만드는 방법을 고안한 하버라는 화학자는 노벨상까지 받았다고.

아빠: 그 뿐이 아니지. 비료를 주지 않더라도 식물은 공기 중의 질소로부터 얻어지는 천연의 비료를 사용하지.

영이: 그럼 질소는 나쁜 공기가 아니라 좋은 공기라고 불러야 되겠네요.

철이: 셸레도 그걸 알았다면 그랬겠지.

호흡에 적당한 산소

아빠: 아까 이야기로 돌아가서 어쨋든 재미있는 일은 산소보다 탄소와 산소의 화합물인 이산화탄소가 먼저 발견되었다는 점이지.

영이: 그것도 같은 프리스틀리에 의해서 말이지요.

아빠: 영이는 참 재치가 있단 말이야. 그런데 이산화탄소가 먼저 발견된 이유가 뭘까?

철이: 프리스틀리의 경우에도 산소를 햇빛의 에너지로 분리해 내기 전에는 산소는 수은과 결합한 상태였고, 이산화탄소에서도 산소는 탄소와 결합하고 있지요. 그러니까 산소는 다른 원소와 결합하는 성질이 강해서 산화물을 잘 만들기 때문이겠지요.

영이: 그렇지만 공기 중에는 5분의 1이 산소라면서.

아빠: 그게 신통한 거지. 만일 모든 산소가 다른 원소와 결합하고 있다면 큰일이지. 철이는 산소가 반응성이 높은 데도 불구하고 다른 원소와 결합하지 않은 상태로 공기 중에 들어 있는 이유를 말할 수 있겠니?

철이: 산소 원자는 다른 하나의 산소 원자와 이중 결합을 만들어서 산소 분자를 이룬다고 들었어요. 그러니까 자기끼리 결합하고 있기 때문에 다른 원소와 결합하지 않는 셈이지요.

아빠: 산소 원자끼리의 반응성도 높다고 말할 수 있겠지. 그런데 자기끼리의 결합이 보통 결합보다 두 배나 강한 이중 결합이 아니었다면 활성이 높은 산소는 쉽게 결합을 깨고 다른 원소와 결합할거야.

영이: 알고 보니 산소가 이중 결합을 이루는 것은 아주 다행스러운 일이네요. 그렇지 않다면 너무 쉽게 불이 나지 않을까요?

철이: 정말 그렇겠다. 마음 놓고 불도 못 피우겠네. 어디에서 뭐가 폭발할지를 모를 테니까 말이야.

영이: 끔찍한 폭발 이야기는 피해 주었으면 좋겠어. 폭발보다도 내 생각에는 수명이 단축될 것 같아. 빨리 살아 버릴 테니까.

아빠: 아까 그 이야기를 했나 모르겠는데 아닌 게 아니라 프리스틀리도 산소를 많이 마시면 빨리 죽을지도 모른다는 말을 했지. 요즘 노화에 관한 가장 신빙성 있는 가설이 바로 몸속에서 일어나는 산화 반응의 부산물 때문에 세포가 늙고 죽는다는 설이거든.

영이: 나는 이제부터 숨을 반씩만 들여 마실래. 참, 그런데 아직 본론을 이야기하지 않았네요. 외계에 생명이 있다면 거기서도 산소를 호흡하고 살 것이다, 맞나요?

아빠: 우주에서 세 번째로 풍부하고도 반응성이 높은 원소가 산소이고 보면 다른 원소를 호흡해서 생명을 유지한다는 것은 생각하기 어렵지.

철이: 그러니까 산소가 산화 반응을 일으켜서 가장 많은 에너지를 낸다고 말할 수 있나요?

아빠: 그 점은 조심해야 된단다. 왜냐하면 산소보다 전기음성도가 높은 원소가 하나 있거든.

철이: 그게 뭐지요?

아빠: 불소라는 놈이지. 불소는 하도 반응성이 높아서 석면 같이 타지 않는 물질도 닿으면 확 불길이 일어날 정도니까.

철이: 그렇다면 호흡하기에 적당한 원소는 아니군요.

아빠: 불소는 누구랑 결합하면 절대 떨어지지를 않아서 불소를 분리한 무아상에게 노벨상을 주었을 정도라니까.

영이: 그 말을 듣고 보니까 산소가 더욱 고맙게 생각되네요. 반응을 해도 사람이 살아가기에 적당히 하니 말이에요.

철이: 그 말은 사람뿐이 아니라 외계인에게도 똑같이 적용되겠지.

영이: 외계인이 있다면 말이지, 오빠.

수소를 붙잡아주는 산소

아빠: 그런데 산소의 역할 중에서 우리가 생각을 못하고 넘겨버리기 쉬운 게 있지.

영이: 그게 뭔데요?

아빠: 우리가 일단 수소가 우주에 제일 많고 또 생명에서도 다양하게 핵심적인 역할을 하고 있다고 했잖아.

영이: 네, 저도 아레시보 메시지에서 수소가 제일 먼저 나오는 것이 당연하다고 생각해요.

아빠: 그런데 수소 자체는 아주 가벼운 기체라서 공기 중에는 거의 남아 있지 않거든.

철이: 남아 있지 않다니요?

아빠: 태양계가 생길 때는 지구에도 태양이나 목성, 토성처럼 수소가 주종이었겠지.

영이: 저도 태양은 주로 수소로 이루어졌다는 건 알고 있어요.

철이: 목성, 토성도 마찬가지야.

영이: 그럼 목성, 토성에서도 핵융합이 일어나?

철이: 그건 아니지. 성으로 끝나니까 별은 별이지만 태양계의 행성은 햇빛을 반사해서 빛나는 거야.

영이: 그럼 목성, 토성에서는 왜 핵융합이 안 일어나?

철이: 그게 말이야, 수소 원료는 있기는 있는데...

아빠: 힌트는 크기랄까, 정확히 말하면 질량에 달렸지. 철이야, 태양에서 핵융합이 일어나는 부분이 어디지?

철이: 중심이라고 들었어요. 태양의 중심에는 수소의 핵융합으로 생겨난 헬륨이 많이 있다고 하거든요.

아빠: 그래. 중심의 높은 온도가 필요한 거지. 그런데 별의 질량이 어느 정도는 되어야 중력에 의해서 그렇게 높은 온도에 도달할 수 있거든.

영이: 그러니까 태양계의 중심에서는 태양이 수소를 원료로 빛과 열을 내고, 바깥쪽에는 태양이 채 못 된 수소 덩어리인 목성과 토성이 자리 잡고 있고, 그 사이에 작은 수소 덩어리인 지구가 있었다는 거지요.

아빠: 그래. 그런데 태양이 본격적으로 핵융합을 하면서 지구의 수소는 지구를 이탈한 거야.

영이: 목성과 토성은 지구보다 춥기 때문에 수소가 안 날아가는군요.

철이: 목성과 토성은 지구보다 훨씬 무겁기 때문에 수소를 잡아주는 중력 작용도 크지.

영이: 참 그렇겠네.

아빠: 어쨋든 지구에서 생명을 꾸려가자면 수소가 꼭 필요한데 수소가 남아있기 힘든 여건이라는 게 문제지.

영이: 그런데 다행히 물이 수소를 붙잡아 주고 있다는 말씀이군요.

아빠: 그래. 오대양과 남극의 빙산을 생각해봐. 엄청난 양의 물이지.

영이: 그러니까 산소가 중력 대신 화학 결합을 통해서 물 속에 수소를 붙잡아 주는 거네요.

철이: 그 뿐 아니고 물분자 사이의 수소 결합이 수소를 지상에 붙잡아 주는 데 한 몫을 하는 셈이지.

영이: 참, 자연은 알수록 신기해요.

아빠: 아는 만큼 보이는 거야.

영이: 이제부터는 물을 볼 때 수소를 붙잡고 있는 산소가 보일 것 같아요.

탄소 이야기

유기화합물의 핵심 성분

아빠: 이번에는 탄소 이야기를 해볼까? 영이야, 탄소는 어디 어디에 들어있지?

영이: 탄소는 물을 제외하고는 어디나 다 들어있어요.

철이: 그걸 □모든 유기화합물은 탄소의 화합물이다□라고 말하는 거야.

영이: 유기화합물이 뭔데?

철이: 무기화합물의 반대라고 하면 무기화합물은 뭐냐고 묻겠지? 결국 기가 있냐없냐 차이인데 말이야, 요새 기 치료라는 것도 있고 하지만 결국 기는 살아있는 기운이 아니겠어. 그러니까 살아있는 몸에 들어있는 화합물은 유기화합물인 거지.

아빠: 철이의 설명이 참 재미있구나. 다 맞는 말이기는 한데...

철이: 그런데요?

아빠: 유기, 무기 할 때의 기는 생기(生氣)라는 뜻의 기가 아니고 움직이고 활동한다는 뜻의 기야.

영이: 기계(機械)라고 할 때의 기 말인가요?

아빠: 바로 그거야. 사람의 심장이 뛰고 다리로 걸어 다니는 거나 엔진이 작동해서 자동차가 굴러가는 거나 비슷하잖아.

철이: 머리를 굴리는 것과 컴퓨터가 돌아가는 것도 비슷하지요.

아빠: 맞아. 사람의 몸에서 물과 이빨, 뼈 등의 일부 성분을 제외하고는 모든 화합물은 탄소를 포함하는 유기화합물이지.

영이: 탄소를 포함하면 모두 유기화합물인가요?

아빠: 철이가 대답해 보렴.

철이: 글쎄요. 그럴 것 같기는 한데. 가만 있자. 그리고 보니 이산화탄소는 탄소를 포함하지만 우리 몸속에 들어있는 유기화합물은 아니지요. 또 석회석의 성분은 탄산칼슘(CaCO3)이라는데 석회석은 무기물이겠지요.

아빠: 탄산칼슘은 바닷물에 녹은 이산화탄소가 칼슘과 만나서 침전을 이룬 것이니까 이산화탄소와 묶어서 생각할 수 있지. 어쨋든 탄소가 이산화탄소에서와 같이 산소와 이미 결합을 하고 있으면 산소와 다시 결합을 이루면서 에너지를 내고 생명 활동을 하기가 어렵겠지. 그래서 영이의 표를 보면 알 수 있듯이 유기화합물은 탄소뿐만 아니라 반드시 수소를 가지고 있어.

철이: 이산화탄소에서 산소 대신 수소가 결합하고 있으면 그게 바로 제일 간단한 유기화합물인 메탄이지요?

아빠: 그래. 바로 방귀의 성분인 메탄이지. 그러니까 탄소 원자가 산화된 상태로 있으면 무기화합물인 이산화탄소이고.

철이: 그럼 메탄은 이산화탄소가 환원된 상태군요. 그러니까 유기화합물은 일반적으로 환원 상태이다, 따라서 산소와 결합하면 이산화탄소와 물이 나온다, 그렇게 말할 수 있나요?

아빠: 그렇지. 18세기 후반에 이미 근대화학의 아버지라 불리는 라부아지에가 유기화합물인지 아닌지를 알아보려면 태웠을 때 이산화탄소와 물이 생기는지를 보면 된다고 말했단다.

철이: 탄소에서는 이산화탄소가, 수소에서는 물이 생긴다는 말이군요.

탄소의 결합수

영이: 그런데 왜 유기화합물은 꼭 탄소를 포함하고 있나요?

아빠: 철이가 대답해 보겠니?

철이: 탄소는 결합수가 네 개이기 때문에 그야말로 사방으로 다양한 결합을 이루어서 많은 복잡한 화합물을 만들 수 있기 때문이야.

영이: 결합수가 네 개 이상인 경우는 없다는 말이야?

철이: 내가 알기로는 그런데, 맞지요?

아빠: 사실은 예외가 있단다. 나중에 인을 이야기할 때 그 이야기가 나올 거야. 그렇지만 일반적으로는 탄소는 결합수가 네 개가 제일 높다고 말할 수 있지. 철이는 그 이유를 주기율표로부터 설명할 수 있겠니?

철이: 글쎄요. 제가 아는 건 주기율표에는 1족부터 8족까지 있고, 8족의 불활성 기체들은 반응을 전혀 안 한다 정도인데요.

아빠: 그 정도면 충분해. 영이야, 아까 그 교과서에서 주기율표를 다시 펼쳐봐. 탄소의 위치가 어디지?

영이: 왼쪽부터 세어서 네 번째예요.

아빠: 8족은 불활성 기체니까 빼고, 7족의 불소부터 세면 어떻게 되지?

영이: 하나, 둘, 셋, 넷. 오른쪽부터 세어도 네 번째네요.

아빠: 그렇지? 그럼, 영이야, 종이를 길게 잘라서 여덟 칸을 만들고 왼쪽부터 2주기의 원소 기호를 적어봐. 영어로 Li, Be, B, C, N, O, F, Ne라고 말이야.

철이: 아빠, 제게 좋은 생각이 있어요. 영이야, 종이를 둥글게 말아서 테이프를 붙이면 네 머리에 왕관같이 꼭 맞게 만들어봐.

영이: 왕관은 왜?

철이: 글쎄 하라는 대로 해봐. 이유는 내가 설명해 줄게.

영이: 이만하면 됐어?

철이: 그래. 영이야, 왕이나 귀족의 색이 뭐지?

영이: 글쎄, 중국에서는 황제가 노란색 옷을 입었다고 들은 것 같기도 하고, 서양에서는 자주색이 귀족들만 사용한 색이라고 들은 것 같기도 한데.

철이: 그럼 금관도 노란색이니까 노란색으로 네 왕관 앞쪽 칸에 Ne라고 크게 써 봐.

영이: 네온사인의 그 네온이야?

철이: 맞아. 그렇지만 지금 중요한 건 네온이 영어로는 noble gas라고 하는 귀족적인 원소라고 하는 점이지.

영이: 원소도 귀족적이고 아니고가 있다는 말이야?

철이: 원소들도 인간성이 있고 심리 상태가 다르다고. 어쨋든 네온 바로 오른쪽에서 시작해서 1족의 리튬부터 죽 적어봐. 우리 학교에서는 □리베비시노프네□라고 외웠어.

영이: 불소까지 오니까 한 바퀴를 돌아서 네온 옆으로 돌아왔네.

철이: 탄소는 어디 있지?

영이: 탄소는 뒤통수에 있구나. 그러니까 네온의 정반대 위치네.

철이: 바로 그거야. 모든 원소는 전자를 얻거나 잃거나 해서 불활성기체와 같이 되려고 하거든. 7족의 불소는 전자를 하나 얻으면 네온과 같아지고, 산소는 둘, 질소는 셋, 탄소는 넷, 이렇게 말이야.

영이: 그럼 3족의 붕소는 다섯이네?

철이: 붕소가 되면 전자를 다섯 개나 얻어야 되잖아. 그런데 말이야 그보다는 셋을 주어버려도 불활성기체와 같이 되거든.

영이: 불소, 산소, 질소, 탄소와 반대 방향으로 가서 불활성기체에 도달하겠다는 말이구나. 모로 가도 서울만 가면 된다더니 원자 세계에서는 왼쪽으로 가도 불활성기체만 가면 된다 그거지?

아빠: 영이는 어쩜 그렇게 재미있는 비유를 잘 생각해 내니? 영이와 철이가 하는 이야기를 듣고 있으니까 아빠는 보탤 말이 별로 없구나.

철이: 이렇게 대화를 주고받으니까 생각을 많이 하게 되어서 좋아요.

탄소의 전기음성도

아빠: 그런데 영이야, 그 왕관을 보니까 탄소가 역시 특이하구나 생각이 드니?

영이: 네, 탄소는 4개의 전자를 주거나 받거나 상관없는 특별한 위치에 있어요.

철이: 아빠, 그래서 탄소의 전기음성도가 낮은 건가요?

아빠: 그렇지. 그리고 그 때문에 탄소는 얼마든지 길게 탄소-탄소의 결합을 만들어 갈 수 있는 거야. 사실 산소도 결합수가 2이기 때문에 사람들이 손에 손잡고 늘어서듯이 얼마든지 길게 연결될 수 있을 것 같지만 탄소가 고분자를 만들 듯이 산소도 고분자를 만들지는 못하거든.

철이: 그 생각은 못해봤는데 듣고 보니 그럴 수도 있을 것 같은데 왜 안 되지요?

아빠: 산소는 탄소보다 전기음성도가 훨씬 높잖아. 그러니까 전자를 잘 내어주는 원자랑 결합을 해야 될 텐데 자기랑 인간성이 똑같은 산소랑 결합을 한다면 어느 누구도 만족을 못하겠지.

영이: 원자 세계에서는 인간성이 아니라 원자성이라고 해야 하는 게 아닌가요? 어쨋든 욕심쟁이 둘이 있으면 조용할 날이 없겠지만 탄소들끼리라면 얼마든지 손에 손을 잡겠지요.

아빠: 그래, 탄소끼리는 10개건 100개건 일직선으로 또는 곁가지를 가진 체인을 만들 수 있지.

철이: 탄소는 결합수가 넷이니까 양쪽으로 손을 잡아도 손이 둘이나 남아 있잖아요?

아빠: 그게 핵심이야. 탄소는 그야말로 사지를 사용해서 결합을 하는데 탄소의 체인을 만들고 나서도 다른 다양한 작용기들과 결합할 여지가 탄소 원자마다 두 자리가 남아 있다는 말이야.

영이: 작용기가 뭔데요?

철이: 작용기는 결합해서 알코올, 산, 염기 등을 만들 수 있는 원자들이 몇 개가모인 집단이야. 학교에서도 꼭 손을 잡고 몰려다니는 애들이 있잖아.

아빠: 탄소 원자들이 다양하게 결합하고 게다가 다양한 작용기들까지 결합을 하니 탄소 화합물의 가능성은 거의 무제한이라고 말할 수 있지.

영이: 실제로 알려진 화합물은 몇 가지나 되는데요?

아빠: 얼마 전에 1800만 종류라고 했는데 자꾸 새로운 화합물들이 합성되니까 곧 2천만을 돌파하지 않을까?

철이: 역시 유기화합물은 탄소가 아니면 안 되겠어요.

외계에도 풍부한 탄소

영이: 이제는 나도 왜 아레시보 메시지에 탄소가 들어가야 하는지 알겠어요. 그런데 지구 바깥에는 탄소가 없으면 어떡하지요? 탄소도 별에서 만들어지나요?

아빠: 탄소는 별의 내부에서만 만들어지는 가벼운 원소들 중에서 첫 번째야. 지금까지 별들 사이와 별들 주위에서 100 수십 가지의 분자들이 발견되었는데 그 중 75% 이상은 탄소를 포함하는 분자이지. 그걸 보면 알 수 있듯이 지구 밖에도 탄소가 풍부해서 외계인도 얼마든지 탄소화합물로 몸체도 만들고 유전과 대사 등 생명 활동을 할 수 있을 거야.

영이: 그렇다면 마음이 놓이네요. 나도 언제 외계인을 만나면 탄소로 되어있나 확인해야지.

철이: 그러자면 그 녀석 몸을 태워봐야 할 텐데.

영이: 머리카락 한 올만 교환하자 그러면 돼.

질소 이야기

생명의 알파벳

아빠: 이제는 질소 차례야.

영이: 사람을 질식시키는 기체 말이지요?

아빠: 셸레가 나쁜 공기라고 불렀던 질소가 왜 아레시보 메시지에 들어가게 되었나를 알려면 다섯 가지 원소 바로 다음에 무슨 내용이 나오는 지를 보면 되지.

영이: 유전 정보를 기록하는 데 사용하는 4가지 염기라고 했어요. 그게 무슨 말인지는 잘 모르겠지만요.

아빠: 영이는 한글을 배울 때 무엇부터 배웠지?

영이: 기역, 니은부터 배웠어요.

아빠: 영어를 배울 때는?

영이: A, B, C요. 영어에서는 알파벳이라고 해요.

아빠: 생명체는 어떤 알파벳을 사용할까?

영이: 아니 생명체가 뭘 기록하기에 알파벳이 필요해요?

아빠: 철이가 생명체가 기록해야 할 내용을 말해보겠니?

철이: 별로 생각해 본 적이 없어서요,

아빠: 그럼 구체적으로 정자와 난자 세포를 생각해 봐.

철이: 정자와 난자가 합쳐서 자식이 태어나는 거지요? 그렇다면 어떤 자식이 태어날 지에 대한 내용이 어떤 식으로 건 정자와 난자에 들어있어야겠군요.

영이: 정자와 난자에 모두 들어있나요?

철이: 영이야, 너도 엄마도 닮고 아빠도 닮았잖아.

영이: 참 그렇지. 그럼 내가 눈에 쌍가풀이 있고 곱슬머리를 가진 애가 될 거라는 내용이 정자와 난자에 들어있었다는 말이에요?

철이: 그걸 두고 콩 심은 데 콩 나고, 팥 심은 데 팥 난다고 하는 거야.

영이: 그거랑 4가지 염기랑 무슨 상관이에요?

아빠: 영이가 어떤 애로 태어나리라고 하는 내용을 한글로 적으려면 어떻게 해야 하지?

영이: 뭐, 기역, 니은과 아, 야, 어, 여를 섞어서 쓰면 되지요. 좀 길어지겠지만요.

아빠: 생명체는 그런 일을 세포 내에서 원자, 분자들을 가지고 해야 될 테니 기역, 니은을 쓸 수도 없고 어떻게 하지?

영이: 생명체도 알파벳을 개발해야 된다는 말씀이지요?

아빠: 그래. 한글에는 자음, 모음이 몇 개지?

영이: 지금 쓰이는 건 24자일 거예요. 영어의 알파벳도 비슷하고요.

아빠: 그런데 생명은 불과 4개의 알파벳을 가지고 복잡하고 신비한 생명 활동을 꾸려나간다니까.

영이: 네? 4가지 염기라는 게 그런 뜻이에요? 어떻게 4가지만 가지고 되겠어요?

철이: 정말 믿어지지 않네요. 적어야 할 내용이 한두 가지가 아닐 텐데요.

아빠: 좀 더 자세히 이야기하자면 말이야, 생명체에는 알파벳이 두 종류가 있어. 하나는 아미노산이라고 세포 내에서 여러 가지 역할을 담당하는 단백질을 만드는 비교적 간단한 화합물이지.

철이: 아미노산에는 20 종류가 있다고 들었어요. 그러니까 세포 활동은 20 가지의 알파벳으로 쓰여 진 단백질에 의해서 이루어진다고 볼 수 있나요?

아빠: 그렇지. 한글에서도 자음과 모음이 나열된 순서에 의해서 내용이 기록되듯이 단백질에서는 20 가지 아미노산이 나열된 순서에 의해서 단백질의 특성이 결정되거든.

영이: 그런데 왜 아레시보 메시지에서는 20가지 아미노산을 적지 않고 4가지 염기라는 걸 적었지요?

철이: 그건 20가지 아미노산들을 어떤 순서로 늘어놓을지를 적는 데 바로 A, G, T. C라는 4가지 염기를 사용하기 때문이야.

아빠: 아미노산의 순서를 결정하는 정보가 바로 우리가 대대로 물려주어야 할 유전 정보인데 그 유전 정보를 적는 알파벳이 바로 4가지 염기라는 거지.

영이: 그럼 4가지 염기가 20가지 아미노산보다 더 기본이라는 말이에요?

아빠: 그래, 바로 그거야.

영이: 그렇다면 아레시보 메시지에 4가지 염기를 적은 건 당연한 일이군요.

염기를 만드는 질소

영이: 그런데 염기하고 질소하고 무슨 상관이지요?

철이: 영이야, 너 산-염기는 들어봤지?

영이: 응, 산은 수소 이온을 내고 염기는 그 반대라던가?

철이: 그 정도면 됐어. 그런데 염기에는 수산화나트륨 같이 OH- 이온을 내놓아서 산이 내놓는 H+ 이온을 중화시키는 경우도 있지만 암모니아(NH3) 같이 OH- 이온을 내놓지는 않더라도 H+ 이온을 받아들이는 염기도 있거든.

영이: 그럼 그 4가지 염기가 바로 암모니아 비슷한 염기라는 말이야?

철이: 아빠, 그렇지요?

아빠: 그래. 생명의 4가지 알파벳도 모두 암모니아 비슷하게 질소를 포함하고 있단다. 물론 유기물이니까 탄소와 수소도 포함하고.

영이: 그렇다면 질소가 중요하군요.

철이: 그 뿐인 줄 알아? 20가지 아미노산도 모두 질소를 가지고 있어.

영이: 그럼 아미노산도 염기야? 아미노산이라면 산이라는 말 아냐?

철이: 그게 말이야.

아빠: 응, 영이 말이 맞다. 아미노산이라면 문자 그대로 산이겠지. 그런데 아미노라는 부분은 염기거든.

철이: 그럼 아미노가 염기인 암모니아에서 나온 말인가요?

아빠: 그래. 그러니까 아미노산은 한 분자 내에 산 부분과 염기 부분을 동시에 가진 특수한 화합물이야.

영이: 그거 이상하네요. 하기는 어떤 동물이나 식물은 남성과 여성이 동시에 들어있다던데.

아빠: 그렇게 때문에 여러 개의 아미노산이 남-여-남-여- 식으로 길게 연결되어서 단백질을 잘 만드는 거야. 어쨋든 중요한 건 DNA에 들어있는 염기도, 단백질을 만드는 아미노산도 모두 질소를 꼭 필요로 한다는 점이지.

원자 세계의 음양 조화

철이: DNA의 염기나 단백질의 아미노산이 질소 화합물이라는 점은 이해가 가는 데요, 왜 생명은 구태여 염기를 사용해야 하는 지는 잘 모르겠어요.

아빠: 좋은 질문이야. 그에 답하려면 우주의 원소 분포를 다시 상기해 보는 것이 좋을 거야. 영이가 반응성이 없는 헬륨을 제외하고 많은 원소부터 네 가지만 말해봐.

영이: 제 기억이 맞다면 수소, 산소, 탄소, 질소의 순서예요.

철이: 아빠, 맞아요? 나는 산소, 탄소, 질소의 순서는 자신이 없어요.

아빠: 영이가 정확히 답했다. 영이는 무슨 기억하는 방법이라도 있니?

영이: 주기율표를 보고 제 나름으로 방법을 생각해냈지요. 왼쪽 꼭대기에 있는 수소는 외울 필요도 없고요. 거기서 주기율표를 가로지르면 두 번째로 풍부한 헬륨이 있는데, 헬륨은 반응성이 없으니까 거기서 제일 가까운 산소를 찾아가는 거예요. 그 다음에는 반대 방향으로 가로지르는데 그래봤자 탄소 밖에는 갈 데가 없지요. 다시 방향을 바꾸면 질소로 가게 되고요.

아빠: 그거 참 재미있는 방법이구나. 철이도 이제는 안 잊어버리겠지.

철이: 문제없어요.

아빠: 그럼 제일 많은 수소가 산소, 탄소, 질소와 만드는 결합의 특성을 살펴볼까? 철이가 우선 수소와 산소 사이의 결합에 대해서 생각나는 것을 이야기 해볼래?

철이: 수소와 산소는 전기음성도의 차이가 크지요. 그래서 산소가 전자쌍을 자기 쪽으로 끌어당기고, 그러다 보니 수소는 전자를 몽땅 뺏기고 맨몸으로 떨어져 나와서 산성을 나타내는 수가 많아요.

아빠: 아주 잘 설명했어. 산소는 산화 반응의 결과로 산을 만들지. 영이는 혹시 수소-탄소 결합에 대해서 기억나는 점이 있니?

영이: 수소와 탄소로 이루어진 화합물은 탄화수소라고 해서 메탄같이 가벼운 기체도 있고, 큰 것은 휘발유나 기름 같은 성질을 나타낸다고 들은 것 같아요.

철이: 다시 말해서 수소-탄소 결합은 극성이 거의 없다는 거지요. 전자가 어느 한 쪽으로 치우치지도 않을 테니까 산성을 나타낼 이유도 없고요.

아빠: 좋아. 그럼 수소와 질소의 결합은?

철이: 질소의 전기음성도는 아마도 산소와 탄소의 중간 정도가 되겠지요? 그럼 약한 산성을 나타낼 것 같기도 한데요.

아빠: 그런데 그게 아니라 질소와 수소가 결합한 암모니아는 염기이거든. 그게 질소가 특별한 중요성을 지니는 이유이지. 철이는 암모니아의 구조를 알고 있겠지.

철이: 네, 엄지, 검지, 중지 세 손가락을 펼친 모양이에요. 세 손가락 끝에 수소 원자가 하나씩 있고, 세 손가락이 모이는 점에 질소가 있어요. 그런데 질소는 5족이라서 최외각 전자가 다섯 개거든요. 그 중 세 개는 수소와의 결합에 사용되고 남은 두 개의 전자가 쌍으로 손잔등에 자리 잡고 있어요.

아빠: 그 전자쌍이 아주 중요한 역할을 한단다. 산에서 떨어져 나온 수소 이온이 암모니아와 만났다고 생각해봐. 전자가 없는 수소 이온이 놀고 있는 전자쌍을 이용해서 공유결합을 이루는 거야.

철이: 공유 결합이라는 건 전자쌍이니까 충분히 그럴 수 있겠지요. 암모니아는 산과 반응하는 염기다 그 말이네요. 그러니까 수소가 산소, 탄소, 질소와 결합하면 각각 산성, 중성, 염기성을 나타내는군요. 만일 이것들 모두가 한 쪽 성질을 나타낸다면 균형 있는 자연이 만들어지지 못했겠네요.

아빠: 아까 아미노산에서도 산성과 염기성이 균형을 맞추고 있다고 했었지? 그런데 알고 보니 DNA 같은 핵산에서도 염기 부분과 산 부분이 균형을 맞추고 있는 거야.

영이: 아직 핵산의 산 부분은 이야기 안 했잖아요?

아빠: 그게 바로 다음 이야기야.

영이: 이제 남은 건 인 밖에 없잖아요.

아빠: 그 인이 바로 핵산의 산 역할을 담당하는 원소야.

철이: 원자 내부에도 양전기를 가진 양성자와 음전기를 가진 전자가 조화를 이루고 있다더니, 생체 분자 내에도 음양조화가 있군요.

인 이야기

유전 정보의 기록

아빠: 영이야, 아레시보 메시지에 4 가지 염기 다음에는 뭐가 나오지?

영이: 여기 그림을 보니까 꽈배기 비슷한 게 나오네요.

철이: 그게 유명한 DNA의 이중나선이라는 거야. 두 개의 나선이 마주 보는 부분에 염기쌍이 자리 잡고 있는 거구.

영이: 그럼 아까 말한 산은 나선 부분에 들어있는 거야?

철이: 아마 그럴걸. 아빠, 그렇지요?

아빠: 맞아.

영이: 그런데 DNA는 왜 두 개의 나선이 마주 보는 모양을 가졌을까요? 나선이 하나면 안 되나요?

아빠: 그건 좀 어려운 질문인데, 일단 유전 정보를 기록하는 방법에 대해 생각해 보기로 하자꾸나. 사람은 정보를 어떻게 기록하지?

영이: 옛날엔 석판, 목판, 파피루스 등을 사용했을 테지요.

철이: 팔만대장경을 본 일이 있는데 그걸 일일이 파느라고 고생이 대단했을 거예요. 그러니 종이의 발명은 대단한 혁명이었겠지요. 요즘은 컴퓨터의 디스크에 많은 정보가 기록되어 있겠지만요.

영이: 디스크에 기록한다는 게 무슨 뜻이야?

철이: 컴퓨터 작업을 하다가 저장을 안 하면 몽땅 날려버리는 수가 있잖아. 저장이라는 게 바로 하드디스크나 플로피거나 간에 자석의 원리를 이용해서 영구적으로 기록을 남기는 거지.

아빠: 생명체도 어떤 식으로 건 유전 정보를 기록해야 자기를 닮은 자식이 태어나리라는 확신을 가지고 살아갈 수 있겠지. 물론 살아가는 동안에도 수없이 세포 분열이 일어나는데 엉뚱한 세포들이 생기면 그것도 곤란할 테고.

영이: 생명체도 4가지 염기를 알파벳으로 가지고 있다고 했잖아요? 불과 4가지 염기로 어떻게 복잡한 생명 현상을 적을 수 있을지는 모르겠지만요.

아빠: 문제는 어디다가 적을까 하는 점이야.

철이: 세포 안의 어디에 적어야 할 테니까 웬만한 방법으로는 어림도 없겠군요.

아빠: 바늘 끝에 백과사전을 몽땅 적는 것보다 더 어려운 일이지. 그래서 자연은 염기라는 알파벳을 가지고 정보를 기록하는 방법으로 일단 염기들을 일렬로 나열하는 방법을 채택했어.

영이: 다른 방법도 있나요?

철이: 과일 가게에서 과일을 쌓아놓 듯이 염기를 쌓아놓는 방법도 있겠지.

아빠: 그럼 무슨 문제가 생길까?

철이: 기록을 했다면 언젠가는 읽기 위해서 일 텐데 염기 무더기를 다 휘젓고 읽어야 한다면 좋은 방법은 아니지요.

영이: 아무래도 한 줄로 늘어놓는 방법이 제일 좋아 보이는군요.

아빠: 아마도 자연은 처음에는 이 방법, 저 방법을 시도해 봤겠지. 그럼 염기를 일렬로 늘어놓는 방법은 어떤 게 있을까?

영이: 구슬로 목걸이를 만들 듯이 염기들을 실에 꿰면 되겠지요.

아빠: 영이다운 대답이군. 그런데 분자 단위에서는 목걸이 만들기가 쉽지 않아.

철이: 쉬운 방법이 있어요. 지하철에서 사람들이 손잡이를 잡고 한 줄로 늘어선 것처럼 기다란 분자 막대기에다가 손잡이를 죽 매달고 염기들에게 일정한 순서대로 손잡이를 붙잡게 하는 거예요. 그럼 순서에 따라서 어떤 정보를 기록할 수 있겠지요.

아빠: 철이가 말한 □순서□가 핵심이지. 러시아 출신의 물리학자 가모프가 유전 정보는 염기의 서열에 의해서 기록될 것이라고 예측했는데, 그게 바로 자연이 수천 만 년의 시도 끝에 발명한 가장 만족스러운 해답이야. 남은 문제는 철이가 말한 분자 막대기와 손잡이를 어떻게 만드느냐 하는 거지.

철이: 어느 과학 잡지에서 당-인산 골격이라는 말을 보았는데 이제 보니 그게 바로 염기를 일정한 순서로 배열하기 위한 수단이었군요.

아빠: 그래. 자연은 인산-디옥시라이보스-인산-디옥시라이보스- 식으로 골격을 먼저 만들고 디옥시라이보스 부분을 염기가 붙잡는 손잡이로 이용하는 방법을 발전시킨 거지.

영이: 아빠, 디옥시라이보스가 뭔지 설명해 주세요.

아빠: 참, 그걸 잊었구나. 디옥시라이보스(deoxyribose)는 당류의 일종인데 말이야, 우리가 밥을 먹으면 탄수화물이 분해 되어서 포도당으로 바뀌잖아. 포도당은 탄소가 여섯 개인 6탄당의 일종이지. 그런데 디옥시라이보스는 탄소가 다섯 개인 5탄당이야. 아무튼 중요한 건 디옥시라이보스에는 손이 세 개가 있어서 두 개는 양쪽의 인산과 결합하는 데 사용하고 나머지 한 개로 염기와 손을 잡는 거야. 그러니까 그림을 그린다면 이렇게 되겠지.

-인산-디옥시라이보스-인산-디옥시라이보스-인산-디옥시라이보스-

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염기                 염기                염기

영이: 그런 인산도 양쪽의 디옥시라이보스와 손을 잡아야 하니까 손이 두 개 필요하겠군요.

아빠: 적어도 두 개는 필요하지. 그래서 인산이 사용되는 거구.

왜 인산인가?

철이: 산에도 여러 가지가 있는데 왜 꼭 인산이지요?

아빠: 하기야 다른 산이라도 되었다면 구태여 그 짧은 편지에 다섯 번째 원소를 적지 않았겠지.

영이: 다른 산은 어떤 것들이 있어요?

철이: 내가 말해 줄게. 제일 간단한 산에는 강산인 염산(HCl)이 있고, 그 밖의 강산에는 질산(HNO3), 황산(H2SO4) 등이 있지. 약산에는 초산(CH3COOH), 인산(H3PO4) 등이 있고. 그런데, 아빠, 저는 아직 왜 인산이 아니면 안 되는지를 모르겠어요.

아빠: 그건 아까 디옥시라이보스가 손이 세 개가 있었듯이 인산에도 손이 세 개 있기 때문이지. 인산의 구조를 보면 가운데 인 원자에 O-H가 세 개 결합되어 있지.

영이: 왜 O-H가 손이예요?

아빠: 응, 아까는 이야기를 안 했지만 사실은 디옥시라이보스에 있는 세 개의 손도 사실은 O-H야. 양쪽에서 O-H의 손을 내밀면 물(H2O)이 빠져나가면서 디옥시라이보스와 인산이 손을 잡게 되는 거지. 그런데 디옥시라이보스가 손이 두 개였다면 양쪽으로 인산과 손을 잡고 나면 염기를 붙잡아줄 손이 안 남듯이, 인산도 손이 두 개 밖에 없다면 양쪽으로 디옥시라이보스와 손을 잡으면 산으로의 역할을 못하겠지.

영이: 산으로의 역할이 뭔데요?

아빠: 응, 간단한 염산의 경우를 생각해 볼까. 염산이 수소 이온을 내놓으면 음전기를 띤 염소 이온(Cl-)이 남겠지. 많은 생체 분자에서 이렇게 생긴 음전기를 가진 부분들이 여러 가지 중요한 기능을 가지거든. 핵산의 경우에도 세 번째의 O-H에서 수소 이온이 떨어져 나가면서 DNA 분자 표면이 음전기를 띠게 되는데, 그 덕분에 아주 큰 분자인 DNA가 물과 잘 섞이고 또 양전기를 띤 히스톤이라는 단백질과 상호 작용을 해서 세포핵 속에 똘똘 뭉쳐있게 되는 거야. 필요에 따라 단백질을 걷어내고 나서 원하는 부분의 DNA 정보를 읽어야 하니까 히스톤과 DNA가 적당한 세기로 상호 작용하는 게 중요하지.

철이: 그리고 보니 인산도 디옥시라이보스와 마찬가지로 손이 세 개라는 점이 중요하군요.

영이: 다른 산들은 손이 셋이 아닌가보지요?

아빠: 그래. 염산, 질산, 초산은 손이 한 개고, 황산은 두 개야.

영이: 그럼 꼭 인산을 써야겠어요.

에밀레종과 인

아빠: 이제는 아레시보 메시지에 인이 들어 간 이유를 알겠지?

영이: 인이 비료의 3요소 중의 하나인 것도 이해가 가요.

아빠: 한 가지만 더 이야기할까? 얼마 전에 과학자들이 에밀레종에 인이 들어 있는지를 조사한 일이 있었어.

철이: 에밀레종이라고요? 에밀레종이라면 신라 시대에 만들어진 종이잖아요?

영이: 나도 알아요. 종을 만드는 장인이 종이 잘 안 만들어지니까 자기 어린애를 펄펄 끓는 쇳물에 집어넣었다면서요?

아빠: 그 전해지는 이야기의 사실 여부를 가리기 위해서는 종에 인이 남아 있는지를 테스트하는 것이 제일 확실하다고 생각한 거지.

영이: 수소, 산소, 탄소, 질소도 있잖아요?

철이: 수소와 탄소는 물과 이산화탄소로 날아가고 남아있지 않을 수도 있잖아. 녹이 슬면 산소가 들어갈 테고.

영이: 질소는?

철이: 글쎄, 질소는 어떻게 되지요?

아빠: 질소도 타면 기체가 되지. 산성비의 주요 원인 중의 하나가 공기 중의 질소 산화물인 것을 보면 알 수 있거든. 그런데 인은 타도 쉽게 기체로 안 바뀌지.

철이: 역시 인은 특별하군요. 그런데 영이야, 인이 주기율표에서 어디 있더라?

영이: 질소 바로 아래야.

철이: 지금까지 수소-산소-탄소-질소 식으로 지그재그를 했는데, 질소 바로 옆이 탄소니까 되돌아 갈 데도 없고 해서 하나 아래 인으로 가는 거구나.

아빠: 그럴듯한 해설이네.

30억 개의 염기쌍

영이: 아빠, 그 이중나선 가운데 막대기 같이 생긴 건 뭐예요?

아빠: 응, 그 건 말이야, 이중나선 바로 아래 뭐가 보이지?

영이: 사람 같은 데요.

아빠: 맞아. 이중나선의 당-인산 골격을 바탕으로 해서 염기를 몇 개나 적어야 사람이라고 하는 복잡한 생명체가 만들어질 지에 관한 내용이지.

철이: 아, 그 인간유전체 프로젝트에서 말하는 30억 개의 염기쌍 말씀이군요.

아빠: 철이는 과학 상식이 대단하구나.

철이: 요즘은 그 정도는 기본이에요.

영이: 30억이라면 세계 인구의 절반이네요.

철이: 30억 쌍이니까 염기 수를 따지면 바로 세계 인구네.

영이: 내 몸에도 그만큼이나 되는 염기가 들어있다는 말인가요?

철이: 그게 아냐. 네 몸의 세포 하나에 그만큼 들어있다는 말이야.

아빠: 세포 하나가 생명체인 박테리아도 400만 개 정도의 염기쌍을 가지고 있지.

영이: 그런데 왜 염기는 쌍으로 있는 거지요?

아빠: 유전 정보는 아주 중요한 정보야. 그러니까 잘 간수해야 되지.

철이: 지하철에서도 사람이 너무 많으면 손잡이를 잡고 있다가도 떠밀려서 손잡이를 놓치는 수가 있지요.

영이: 한 손으로는 손잡이를 잡고 다른 손으로는 맞은 쪽 사람의 손을 잡으면 훨씬 덜 밀릴 게 아니야.

아빠: 그게 바로 수소 결합이지. 지하철 제일 앞 칸부터 맨 뒤 칸까지 사람들이 두 줄로 늘어서서 한 손으로는 당-인산 골격을 붙잡고, 다른 손으로는 상대방 염기와 수소 결합으로 손을 잡은 것이 바로 DNA의 이중나선 구조야.

철이: 그러니까 안정한 구조를 만들기 위해서 이중나선을 이용한다는 말이군요.

아빠: 그 뿐만은 아니지. 이중나선 구조를 가지면 열쇠를 복사하듯이 똑같은 DNA를 복제해서 후손에게 물려주기에 아주 편리하거든. 언젠가 이야기가 나왔지만 염기쌍은 A-A, T-T 식으로 같은 염기끼리 수소 결합을 이루는 게 아니고, A에는 T, G에는 C 식으로 결합하기 때문에 필요한 부분의 수소 결합을 떼서 두 가닥을 벌려놓고 각각의 가닥에 맞는 짝을 만들면 정확히 원래의 DNA가 두 개 생기겠지.

철이: 좀 헷갈리는데요.

영이: 제가 설명해 볼게요. 빨간색 끈과 파란색 끈이 꼬여 있는데 그걸 풀은 다음에 빨간색 끈에는 새 파란색을 가져다가 꼬고, 파란색 끈에는 다른 빨간색 끈을 가져다가 꼬면 전체적으로 처음의 두 배가 되는 거지요.

아빠: 재미있는 점은 DNA는 수소, 산소, 탄소, 질소, 인을 모두 포함하고 있는 화합물이라는 점이지. 한 분자 내에 유기화합물의 골격으로서의 탄소, 인산으로 하여금 산으로 작용하게 하기도 하고 또 디옥시라이보스와 인산이 손을 잡도록 해주는 산소, 알파벳으로 사용되는 염기를 만드는 질소, 두 나선을 묶어주는 수소 결합을 가능하게 해주는 수소, 그리고 유전 정보를 기록하는 바탕을 제공하는 당-인산 골격을 만드는 인, 이 모두가 어울려서 생명의 핵심 화합물인 DNA를 만들어내는 거지. 간단한 박테리아의 DNA도 만들고, 이 넓은 우주를 관찰하고 이해할 능력을 지닌 인간의 DNA도 만든다는 말이야.

영이: 누가 아레시보 메시지를 듣고 우리도 수소, 산소, 탄소, 질소, 인으로 만들어진 생명체다, 우리는 하나다 하는 메시지를 보내왔으면 좋겠다.