도서요약

도서정보

■ 책 소개

인류를 구하거나 위기로 몰아넣은 사건들 중심에는 화학이 있었다!

식량난, 전염병, 환경오염, 기후 위기까지 화학이 말해줄 수 있는 모든 것

이 책은 오스트리아 ‘올해의 과학자상’과 ‘올해의 과학 저널리즘상’을 받은 두 저자가 함께 집필했다. 두 저자는 화학이 일상을 어떻게 움직이는지, 세상이 얼마나 화학의 영향에 의해 좌우되는지 흥미로운 시선으로 풀어냈다. 양파를 썰 때 눈물 흘리지 않는 방법 같은 일상적인 화학부터 인류 역사를 바꾼 위대한 화학까지 음식, 인체, 의약, 비료, 플라스틱, 가스, 기후의 7가지 키워드로 화학의 세계를 소개한다. 역사적으로 보면 화학 없는 세상은 상상할 수 없을 정도로 화학은 우리 삶을 바꾸어 놓았다. 인공비료로 식량난이 해결됐고, 의약품 개발로 수명이 늘었으며, 플라스틱 발견으로 삶이 편하고 윤택해졌다. 미래에 인류가 직면하게 될 기후 변화와 폐기물 문제의 대안도 화학에서 찾을 수 있을 것이다. 이처럼 화학 렌즈를 통해 세상을 보면 우리 주변의 모든 것이 화학으로 이루어져 있고, 화학이 지탱하고 있다는 것을 알게 된다.

■ 저자 누노 마울리데

저자 누노 마울리데는 1979년생으로 현재 오스트리아 빈대학교 화학부 교수이자 유기화학연구소 소장으로 일하고 있다. 2009년부터 2013년까지 세계 최고의 기초과학 연구소이자 노벨상 사관학교라고 불리는 독일 막스플랑크 석탄연구소의 그룹 리더를 맡았고, 2013년 34세의 젊은 나이에 빈대학교 교수로 임명됐다. 2018년 오스트리아 ‘올해의 과학자상’을 받았으며, 미국화학회(ACS)에서 발행하는 학술지 ‘오가닉 레터스(Organic Letters)’의 부편집장을 맡고 있다.

포르투갈 리스본대학교에서 화학과 피아노를 전공했다. 프랑스 에콜 폴리테크니크에서 석사학위와 벨기에 루뱅가톨릭대학교에서 박사학위를 취득하고, 미국 스탠퍼드대학교에서 박사후연구원을 거쳤다. 저서로 ‘공기로 빵을 만드는 법(Como se Transforma Ar em Pao)’, ‘생명 기원의 수수께끼를 푸는 법(Como Desvendar Quebra-Cabecas da Origem da Vida)’이 있다.

■ 저자 탄야 트락슬러

저자 탄야 트락슬러는 1985년생으로 현재 오스트리아 일간지 ‘데어 슈탄다르트(Der Standard)’의 과학 담당 여성 기자로 일하고 있다. 2018년 오스트리아 ‘과학 저널리즘상’을 받았으며, 2019년 ‘리제 마이트너-원자시대를 연 선구자(Lise Meitner-Pionierin des Atomzeitalters)’의 공저자로 ‘올해의 과학도서상’을 받았다. 오스트리아 빈대학교와 미국 캘리포니아주립대학교 산타크루즈 캠퍼스에서 각각 물리학과 철학을 전공했다.

■ 역자 이덕임

역자 이덕임은 동아대학교에서 철학을 전공하고, 인도 푸네대학교 인도철학대학원을 졸업했다. 현재 바른번역 소속 번역가로 일하고 있다. 옮긴 책으로 ‘비만의 역설’, ‘구글의 미래’, ‘세상을 구한 의학의 전설들’, ‘안 아프게 백년을 사는 생체리듬의 비밀’ 등이 있다.

■ 차례

프롤로그

제1장 음식과 화학_식탁 위에 펼쳐진 화학물질의 향연

술보다 향료를 두려워하는 사람들

물질을 구성하는 흙, 물, 공기, 불 그리고 원자

음식에서 얻는 인체 원료: 탄수화물, 단백질, 지방

바삭하고 군침 도는 유해물질 3대장

바나나 향을 만드는 데 위스키가 필요하다

제2장 인체와 화학_나를 살리는 화학, 죽이는 화학

스마트폰보다 적은 재료로 만들어진 인간

손 씻기로 목숨을 구하다

사망 사건의 범인은 인조 손톱

제3장 의약과 화학_인간의 고통을 줄이기 위한 여정

수많은 생명을 구한 곰팡이, 페니실린의 탄생

예방 주사 대신 예방 칵테일을

약품 개발자의 슈퍼스타, 나무껍질

최고의 약효를 만들어 내는 자연의 수수께끼

강력한 항생제 내성 세균의 등장

혼돈 속에서 질서를 만드는 화학자의 일

제4장 비료와 화학_세상을 먹여 살리는 히어로

생명체의 생과 사를 책임지는 질소

과잉 질소가 일으키는 치명적인 부작용

숲의 폭발적 성장을 이끄는 요인

제5장 플라스틱과 화학_갑자기 등장한 일상의 동반자

단단한 흰색 물질 폴리에틸렌의 우연한 발견

플라스틱을 둘러싼 특허 분쟁

사라지지 않는 존재가 일으킨 재앙

제6장 가스와 화학_얼음 행성에서 불덩이 행성으로

냉탕과 열탕 사이를 오가는 지구

이산화탄소의 뜨거운 역습

섭씨 2도의 무시무시한 위력

제7장 기후와 화학_자연이 숨겨 둔 환경 구원의 열쇠

미래 산업을 이끌 에너지 자원, 인공 나뭇잎

태양 에너지로 달리는 자동차

플라스틱의 화학적 재활용

암모니아 합성과 뿌리혹박테리아

게임 체인저를 찾아서

제8장 화학의 아름다움_세계를 명쾌하게 요약하는 선율

경제적이고도 우아한 화학반응을 찾아서

멋들어진 반응과 멋이 떨어지는 반응

화학을 둘러싼 불확실성과 음모론

감사의 말

참고 문헌

주석

도서요약

알고 보니 다 화학이었어

음식과 화학_식탁 위에 펼쳐진 화학물질의 향연
술보다 향료를 두려워하는 사람들

음식에 들어 있는 화학물질에 대한 만연한 두려움에서부터 이야기를 시작해 보자. ‘이건 완전히 화학물질 덩어리잖아!’ 많은 사람이 식품의 성분 목록을 읽으면서 이런 생각을 한다. 물론 그 생각은 옳지만, 할머니의 텃밭에서 수확한 산딸기와 슈퍼마켓에서 구매한 냉동 피자에도 똑같이 적용되는 이야기다. 냉동 피자가 산딸기보다 확실히 덜 건강한 식품인 이유는 피자에 인공적인 화학물질이 들어 있는데 반해 산딸기에는 천연물질만 들어 있어서가 아니다. 각 성분의 용량과 종류 때문에 차이가 생기는 것이다. 그러니 어느 정도의 양이 몸에 해로운 영향을 미치고 식품의 품질에 영향을 미치는지 파악하는 것이 중요하다.

중독 같은 급성 위험에는 신속하게 대응할 필요가 있다. 하지만 장기적인 위험에 적절하게 대비하려면 영양성분을 다른 방식으로 살펴야 한다. 사람들은 몇 년 혹은 몇십 년 후의 먼 미래에 다가올 위험 때문에 엉뚱한 것을 두려워하는 경향이 있다. 독일 위험학 연구자 오트윈 렌(Ortwin Renn)은 이를 가리키는 ‘위험의 역설(risk paradox)’이라는 용어를 만들었다.

바삭하고 군침 도는 유해물질 3대장

벤조피렌(benzopyrene)은 인간에게 극도로 해로운 물질이다. 탄소 원자와 수소 원자로 구성된 이 분자는 유기물질이 불완전하게 연소될 때 만들어진다. 주로 자동차 배기가스, 공장 매연, 담배 연기를 통해 배출되며 음식을 굽거나 훈제할 때도 생성된다. 벤조피렌은 발암성이 가장 높은 물질 중 하나라는 사실을 기억하자. 이 물질을 자주 들이마시거나 섭취하면 암에 걸릴 위험이 커진다.

바비큐 요리를 할 때 고기를 수직으로 매달아 연기가 덜 나게 하면 벤조피렌의 생성을 줄일 수 있다. 고기가 바싹 익은 부분이나 빵이 탄 부분은 아무리 맛이 좋아도 잘라 내야 한다. 그릴 구이용 재료를 알루미늄 포일 위에 놓고 굽는 것도 좋다. 벤조피렌이 고기에 쌓이는 것을 막으려면 연기가 사그라지고 열기만 남았을 때부터 고기를 구워야 한다.

음식 속 유해물질에 대한 이야기로 돌아가서, 점심 식사 때 숯불에 구운 고기와 구운 감자를 소스에 찍어 먹었다고 가정해 보자. 건강에 가장 해로운 것은 소스에 들어 있는 인공 감미료가 아니다. 그보다는 오히려 고기나 감자 속의 벤조피렌을 걱정해야 할 것이다.

순수한 형태의 아크릴아마이드(acrylamide)는 냄새가 없는 흰색 분말로 무해하다는 인상을 주는 물질이다. 아크릴아마이드는 섭씨 120도 이상의 온도에서 포도당이나 과당이 단백질의 구성요소와 반응할 때 생성된다. 식재료를 굽거나, 오븐에 넣고 익히거나, 볶거나, 기름에 튀길 때 만들어지며 온도가 높을수록 더 많이 생겨난다. 구운 감자, 감자칩, 감자튀김, 토스트에 많이 들어 있고 비스킷과 케이크에도 함유되어 있다. 사람들은 바삭하게 구워진 갈색 부분을 좋아하지만, 이 부분에는 엄청난 위험이 도사리고 있다. 동물 실험을 통해 아크릴아마이드가 암을 유발하며 유전자와 신경을 훼손한다는 사실이 밝혀졌다.

이 물질이 인체에 미치는 위험에 대해서는 아직 충분한 연구가 이루어지지 않았기 때문에 식품 속 아크릴아마이드 함유량과 관련한 법적 제한은 아직 없다. 일일 섭취량이 얼마나 되어야 건강에 해로운지 현재로서는 설정하기 어렵다는 이야기다. 세계보건기구의 국제암연구소(IARC)는 아크릴아마이드가 인체에 발암물질로 작용할 수 있다고 보는데, 유럽 식품안전청(EFSA)도 이에 동의한다. 따라서 아크릴아마이드의 섭취에는 ALARA 즉 as low as reasonably achievable 원칙이 유효하다. 즉, 적게 섭취할수록 좋다.

음식을 낮은 온도에서 튀기거나 구우면 아크릴아마이드 섭취를 줄이는 데 도움이 된다. 식재료를 찌거나 삶으면 굽거나 튀길 때에 비해 아크릴아마이드가 적게 발생한다. 빵은 바삭하게 구운 것보다 살짝 구운 것이 건강에 더 좋고, 감자튀김의 색은 진한 것보다 연한 것이 더 낫다. 식품 제조업체들은 가능한 아크릴아마이드가 적은 식품을 생산해 달라는 요구를 받고 있다.

우리 몸에 해를 끼칠 수 있는 또 다른 물질은 바로 아질산염(nitrite)이다. 질소 화합물인 질산염은 자연적으로 토양에 존재하고, 식물의 성장을 돕기 위해 농부들이 비료로 사용하기도 한다. 하지만 이 무해한 화학물질은 음식에 함유되거나 체내에 들어가면 독성물질로 바뀐다.

질산염은 절임용 소금에도 들어 있고 살라미, 베이컨, 햄, 훈제육 등 많은 육류 가공 제품에도 들어 있다. 질산염이 특히 풍부한 채소로는 시금치, 양상추, 상추, 근대, 루꼴라를 들 수 있다. 이 식재료들을 오랫동안 따뜻한 곳에 두거나 재가열하면 그 속에 함유되어 있던 질산염이 아질산염으로 변한다. 비료를 통해 지하수로 유입된 질산염이 식수에 들어가 우리가 마시게 될 가능성도 있다.

체내에 들어간 아질산염은 적혈구 속의 색소인 헤모글로빈을 메트헤모글로빈(methemoglobin)으로 변환시킨다. 메트헤모글로빈은 산소와 결합하지 못하기 때문에 이 물질이 늘어나면 신체 조직에 필요한 산소가 부족해진다. 혈중 메트헤모글로빈 농도가 높아지면 뇌에 산소가 부족해져 정신 혼란, 어지럼증, 의식 장애가 발생할 수 있다. 유아가 질산염과 아질산염을 섭취하는 것은 특히 위험하다. 산소 부족은 생명에 위협이 되기 때문이다.

의약과 화학_인간의 고통을 줄이기 위한 여정
예방 주사 대신 예방 칵테일을

퀴닌(quinine)은 내가 특별히 아끼는 물질로, 기나나무의 껍질에서 발견된 자연물질이다. 1638년 스페인이 남아메리카를 점령했던 시기에 친촌(Chinchon) 백작 부인이 말라리아로 앓아눕게 되면서 유명해졌다. 원주민들은 기나나무 껍질을 삶은 물이 말라리아 치료제라는 사실을 이미 알고 있었다. 그 물에는 몸의 열을 내리는 효과도 있었다. 백작 부인은 기나나무 껍질 요법으로 완치되었다고 한다.

많은 사람들이 같은 방식으로 치료를 받았고 결과는 대성공이었다. 자연물질을 가공하고 재생산해 질병을 치료한 최초의 사례라 할 수 있다. 하지만 치료 효과가 없는 경우도 있었기 때문에 실효성 논란이 벌어졌다. 기나나무 껍질 속에 들어 있는 활성물질이 무엇인지는 수세기 동안 정확히 알려지지 않았다. 19세기 초에야 발견된 이 물질은 바로 퀴닌이다.

당시 말라리아는 인도에 주둔한 영국군을 곤경에 빠뜨렸다. 말라리아 예방책으로 병사들은 소위 ‘토닉 워터’라고 불리는 퀴닌이 들어 있는 음료를 받았다. 설탕이 많이 들어 있음에도 불구하고 엄청나게 쓴맛이 났기 때문에 영국 측은 병사들에게 많이 마셔야 한다고 설득하느라 애를 써야 했다. 병사들이 토닉 워터를 마시도록 장려하기 위해 포스터 광고를 해 봤지만 큰 효과를 보지 못했다. 그러던 중 결국 해결책이 발견되었다. 병사들이 토닉 워터에 진을 섞기 시작한 것이다. 진토닉의 탄생이었다. 이 음료가 칵테일인지 음료수인지 하이볼인지 의견이 분분하지만, 진토닉은 여전히 전 세계에서 가장 인기 있는 알코올 혼합 음료 중 하나다. 심지어 영국 왕실에서도 대를 이어 매일 마신다고 한다.

퀴닌은 20세기까지 말라리아를 치료하는 가장 중요한 수단이었다. 기나나무 껍질이 인간 몸에서 말라리아 병원균을 제거하는 분자를 생산한다는 것은 주목할 만한 일이다. 말라리아는 말라리아 원충이라는 단세포 기생충이 일으키는 질병인데, 기나나무 자체는 이 기생충과 아무런 관련이 없다. 어쩌면 퀴닌은 해충으로부터 나무를 보호하는 수단일 수도 있다. 인간은 기나나무가 인간을 순수하게 사랑해서 의학적 효능을 가진 분자를 만들었다는 오만에 빠져서는 안 된다. 아마도 이 분자는 우리가 모르는 방식으로 나무에게 이롭거나, 순전히 우연의 일치로 만들어졌을 것이다.

약품 개발자의 슈퍼스타, 나무껍질

오늘날 우리에게 가장 잘 알려진 약품에 들어 있는 물질 또한 나무 껍질에서 유래되었다. 바로 아세틸살리실산(acetylsalicylic acid)이다. 이 물질의 화학적 친척인 살리실산(salicylic acid)은 버드나무 껍질에서 만들어진다. 이 활성성분은 100년 전부터 판매되어 온 약품의 이름으로 더 유명할 것이다. 아스피린 말이다.

고대 그리스 의사인 코스섬의 히포크라테스(Hippocrates, 기원전 460~377년)도 통증 완화에 버드나무 껍질의 수액을 활용했고, 중세시대에도 통증이나 열을 가라앉히는 데 이 수액을 이용했다. 감기, 류머티즘, 통풍을 치료할 때 단풍터리풀이나 팬지 같은 식물을 사용하기도 했다. 이 식물들 또한 살리실산에서 추출한 활성성분을 함유하고 있다.

1828년 독일 약학 교수 요한 안드레아스 부흐너(Johann Andreas Buchner)는 버드나무의 껍질을 연구했다. 쓴맛이 나는 노란 결정체를 추출해 낸 그는 버드나무의 라틴어 명칭인 ‘살릭스(salix)’를 따서 이 물질에 살리신(salicin)이라는 이름을 붙였다. 몇 년 후 살리신을 통해 살리실산이 만들어졌고, 화학자 헤르만 콜베(Hermann Kolbe)가 1870년에 그 구조를 명확히 밝히는 데 성공했다. 그는 오늘날까지 사용되는 살리실산의 인공 합성 방법을 개발하기도 했다.

살리실산은 효과적이었지만 이상적인 약이라고 보기는 어려웠다. 맛이 극도로 썼고, 많은 환자가 먹고 나면 위장이 불편해진다고 호소했다. 제약 회사 바이엘(Bayer)에 근무하던 아르투어 아이첸그륀(Arthur Eichengrun)과 펠릭스 호프만(Felix Hoffmann)이 마침내 해결책을 찾았다. 그들은 화학자들이 늘 사용해 왔던 매우 훌륭하지만 완벽하지는 않은 활성물질을 처리하는 방식을 취했다. 분자를 살짝 변형시킨 것이다. 염화아세틸(acetyl chloride) 처리를 통해 오늘날에도 여전히 환자들이 복용하는 활성물질인 아세틸살리실산을 개발했다. 이 물질은 살리실산과 같은 효과를 내면서도 인체에 훨씬 잘 받아들여진다. 1899년 바이엘은 베를린 제국특허청이 발행하는 아세틸살리실산 제조 및 사용 특허를 취득했다. 얼마 후에 이 제품은 아스피린이라는 제품으로 출시되었다.

오늘날에는 체내에서 어떤 작용을 하는지 거의 알려지지 않은 약품이 승인되는 상황을 상상하기 어렵다. 연구자들이 자신의 몸을 실험 대상으로 삼아 활성성분을 테스트하던 시절도 과거가 되었다. 아스피린의 경우 사용이 승인된 지 70년이 지난 후에야 이 약품이 인체에 어떻게 작용하는지가 밝혀졌다. 아세틸살리실산은 자극 전달 물질인 프로스타글란딘(prostaglandin)과 트롬복산(thromboxane)의 생성을 억제한다. 두 물질은 열, 통증, 염증의 발생과 관련이 있다. 아스피린은 혈소판 응고를 막는 데에도 효과가 있어 심장마비와 뇌졸중 예방을 위해 저용량으로 사용되기도 한다.

나무는 약효가 있는 물질을 제공하는 귀중한 보물 창고다. 다양한 종류의 암을 치료하려는 목적으로 가장 자주 처방되는 물질 중 하나는 나무껍질에서 발견된 탁솔(taxol)이다. 1960년대에 식물학자 아서 바클리(Arthur Barclay)가 태평양주목의 껍질에서 이 물질을 발견했다. 탁솔의 화학 구조는 1971년에 명확하게 밝혀졌고 곧이어 동물과 인간의 암 치료에 성공적으로 쓰였다. 탁솔은 암세포의 분열을 막는다. 악성세포가 증식하기 전에 소멸시키는 것이다. 이 물질은 1992년 난소암 치료제 성분으로 승인되었고, 2년 후에는 유방암 치료제로도 쓰이게 되었다.

가스와 화학_얼음 행성에서 불덩이 행성으로
냉탕과 열탕 사이를 오가는 지구

이산화탄소는 에너지원일뿐 아니라 지구에 생명체가 존재할 수 있도록 온도를 조절하는 장치로써 중요한 역할을 한다. 지구의 이웃 행성인 금성을 보면 이 점을 분명히 알 수 있다. 금성의 대기는 지구의 대기와 근본적으로 다르다. 지구의 대기보다 90배나 더 많은 가스를 포함하고 있고, 그 가스는 거의 이산화탄소로 이루어져 있다. 금성의 평균 표면 온도는 섭씨 464도로 태양과 훨씬 가까운 수성보다 뜨겁다. 그래서 금성에는 액체 상태의 물이 존재하지 않는다. 대기를 구성하는 지배적인 물질이 이산화탄소이기 때문이다.

이산화탄소는 물에 매우 잘 용해되는데, 이 현상은 지구상에서 끊임없이 일어나고 있다. 용해 과정에서 발생하는 탄산은 음료수 병을 열 때 나는 쉭쉭 소리를 만드는 물질이다. 탄산은 지질학적인 과정에서 규산암을 공격한다. 이 풍화작용이 일어날 때 규산암에서 방출된 칼슘 이온은 이산화탄소와 결합해 탄산칼슘을 형성한다. 탄산칼슘은 해저에 두껍게 쌓여 석회암이 된다. 지구상의 이산화탄소 가운데 상당량이 그 안에 묻혀 있다.

해저에 묻혀 있는 이산화탄소는 영원히 그곳에 머무르지 않는다. 석회암이 심해 해구에 가라앉아 뜨거운 맨틀과 접촉한 상태에서 화산 폭발이 일어나면 이산화탄소가 대기로 방출된다. 수백만 년 주기로 일어나는 이러한 순환은 일종의 온도 조절기 역할을 한다. 대기 중에 이산화탄소 함량이 증가하면 지구의 온도가 상승하고, 증발량이 늘어나 강수량도 증가한다. 이는 풍화작용의 증가로 이어지며 석회암의 형태로 퇴적되는 이산화탄소의 양을 늘린다.

이 온도 조절기가 고장 나 극적인 결과가 나타났던 시기가 있었다. 5억 8,000만 년에서 7억 5,000만 년 전 사이에는 지구상 대부분의 육지가 무덥고 비가 많이 오는 열대지방에 있었던 것으로 보인다. 풍화작용이 매우 빠르게 진행되었고 대기 중의 이산화탄소가 바다에 흡수되었다. 그 결과 지구의 평균 기온이 급격하게 떨어졌으며 극지방의 얼음 덩어리가 적도를 향해 뻗어 나갔다. 얼음은 물보다 태양 광선을 더 많이 반사하기 때문에 지구는 더욱 차가워졌다. 과학자들이 ‘되먹임’이라고 부르는 순환이 반복되는 현상이 일어난 것이다. 결국 얼음이 지구 전체를 뒤덮게 되었는데, 이때의 지구를 ‘눈덩이 지구(snowball earth)’라고 한다.

다행히도 눈덩이 지구 상태는 그리 오래 지속되지 않았다. 만약 지속되었다면 고등 생물체가 진화하지 못했을 것이다. 화산 활동으로 인해 지구를 충분히 데울 수 있을 만큼의 이산화탄소가 대기 중으로 방출되었다. 지금 같은 온화한 기후가 자리 잡기 전의 지구는 얼음 행성 상태와 사우나 행성 상태를 여러 번 오갔을 것으로 추정된다. 우리가 알고 있는 지구상의 다양한 생명체들은 이 과정을 통해 현재의 모습으로 진화할 수 있었다.

대기 중의 기체는 온도 조절 기능만 수행하지 않는다. 산소 분자와 오존 분자는 또 다른 필수적인 임무를 수행한다. 아마 여러분은 오래된 복사기에서 맡을 수 있는 전형적인 오존 냄새를 기억할 것이다. 대기 중에서 오존은 위험한 자외선을 흡수하는 역할을 한다. 화학자 파울 크뤼천(Paul Crutzen), 마리오 몰리나(Mario Molina), 셔우드 롤런드(Sherwood Rowland)는 인간이 방출하는 특정 화합물이 지구의 자외선 차단제인 오존층을 손상시킨다는 사실을 깨달았다. 1980년대 초반까지만 해도 프레온 가스(염화불화탄소, chloro fluoro carbon, CFC)는 스프레이 캔 속의 압축 가스나 냉장고 안의 냉매로 널리 사용되었다. 이 기체는 일단 대기권에 들어가면 오존을 분해하기 시작한다. 오존 구멍이 남극 대륙 위로 퍼지고 언론이 이 문제에 관심을 보이면서 1991년에는 프레온 가스 사용이 금지되기에 이르렀다. 이후 오존 구멍이 다시 닫히는 긍정적인 효과가 나타났다.

이산화탄소의 뜨거운 역습

태양에서 지구까지의 거리만 따져 보면 우리의 행성은 차디찬 서리가 내리는 곳이 되어야 한다. 태양 복사열만으로는 지구의 온도를 영하 18도 이상으로 높이기가 어렵다. 그렇다면 어떻게 해서 지구의 평균 기온은 섭씨 14도가 된 것일까?

지구를 생명체가 살기 좋은 보금자리로 만든 일등 공신은 대기이다. 대기 안에는 온실의 유리 지붕과 비슷한 효과를 내는 특정 기체가 포함되어 있다. 이 기체의 역할을 두고 1824년 프랑스 과학자 장 바티스트 조제프 푸리에(Jean Baptiste Joseph Fourier)가 ‘유리 집 효과’라는 용어를 만들었고, 이 용어는 후에 ‘온실효과(greenhouse effect)’로 바뀌었다. 간단히 말하면 온실효과는 다음과 같은 원리로 일어난다. 온실가스는 태양의 가시광선을 거의 통과시켜 지구 표면을 데운다. 한편 지구에서 방출되는 복사열은 대기 중의 온실가스에 의해 외부로 나가지 못한다. 자연적으로 생겨난 물질 덕분에 온실효과가 일어나지 않았다면, 지구의 고등 생물체는 진화하지 못했을 것이다.

과학자 존 틴들(John Tyndall)은 1859년에 대기를 이루는 물질 가운데 가장 중요한 기체의 열적 특성을 알아내기 위한 실험을 시작했다. 이는 빛을 활용한 실험이었다. 인간의 눈에는 모든 공기 성분이 투명하게 보인다. 그렇다면 왜 어떤 기체는 다른 기체보다 열 방사선을 더 많이 흡수하는가? 틴들은 실험을 통해 기체마다 열을 흡수하고 방출하는 능력의 차이가 크다는 것을 밝혀냈다. 틴들의 연구 결과에 따르면 산소와 질소는 열 방사선을 방해하는 요소가 아니다. 그는 이산화탄소와 오존뿐만 아니라 수증기도 열을 흡수해 지표면에 고정시킨다는 것을 발견했다. 이제는 수증기가 자연적으로 발생하는 온실효과의 절반 이상을 담당한다는 사실이 알려져 있다. 습한 여름밤에 기온이 좀처럼 떨어지지 않고 건조한 사막의 밤이 얼음장처럼 차가운 이유가 바로 그것이다.

온실가스 중 2위를 차지하는 기체는 이산화탄소다. 앞서 언급했듯이 이산화탄소의 대기 중 비율은 0.04퍼센트에 불과하다. 먼 옛날에 대기 중 이산화탄소의 함량이 지금보다 훨씬 높았던 때가 있었다. 약 1억 5,000만 년 전 공룡들이 지구를 지배했을 당시의 대기 중 이산화탄소 함량은 현재보다 다섯 배나 많았다. 당연히 그때는 극지방이 얼지 않은 상태였고 해수면이 오늘날에 비해 훨씬 높았다.

수백만 년 동안 저장되어 있던 이산화탄소는 석탄, 석유, 천연가스를 태우는 과정에서 불과 몇 년 만에 대기 중으로 유입된다. 소위 화석 연료라고 불리는 이 물질들은 지구의 지각에 일시적으로 저장된 태양 에너지일 뿐이다. 그 안에 들어 있는 에너지는 한때 대기 중에 있던 이산화탄소를 고열량의 탄소 화합물로 바꾼 유기체의 광합성 덕분에 만들어진 것이다. 인간은 수백만 년 된 보물 같은 에너지를 몇 세기 안에 모두 태워 버릴 기세다. 물론 그 과정에서 엄청난 양의 이산화탄소가 방출될 것이다. 이 현상이 대규모로 일어나게 된 것은 산업혁명이 시작되면서부터다. 대기 중 이산화탄소의 비율은 산업혁명 이전에 비해 약 40퍼센트 높아졌다.

화학의 아름다움_세계를 명쾌하게 요약하는 선율
경제적이고도 우아한 화학반응을 찾아서

화학 안에서 아름다움을 추구하는 태도와 관련이 있으면서 나의 연구와 밀접한 분야 중 하나는 원자 경제학이다. 간단히 말하면 원자를 경제적으로 다루는 방법을 연구하는 분야다. 화학반응의 아름다움을 측정하는 척도이기도 하다. 많은 사람들이 경제에 대해서 이야기하지만 아쉽게도 원자 경제를 이야기하는 사람은 거의 없다. 이 분야는 전문가 집단 외에는 거의 알려져 있지 않고 연구 대상이 특수하기 때문에 일반인이 이해하기는 어렵다. 새롭지만 다소 생소한 이 분야에 대해 한번 알아보기로 하자.

화학자 배리 트로스트(Barry Trost)가 학술지 ‘사이언스(Science)’ 논문에서 화학에 원자 경제 개념을 처음 도입한 것이 1991년이다. 나는 박사학위를 받은 후 미국 스탠퍼드대학교의 트로스트 교수가 이끄는 연구 그룹에서 박사 후 과정을 이수했다. 그 시기 동안 나는 원자 경제학에 매우 익숙해졌고 그 이면의 철학을 이해하게 되었다.

원자 경제학을 이해하기 위해 다음 같은 화학반응을 상상해 보자. 우리는 C물질을 생산하려 한다. 이를 위해 A물질과 B물질이 서로 반응하게 한다. 그 결과 D물질이 폐기물로 추가 생산된다. 우리는 다음과 같은 간단한 공식으로 이 반응을 기록할 수 있다.

원자 경제는 C물질에 A원자와 B원자가 얼마나 많이 포함되어 있는지 측정하는 도구를 제공한다. 물론 우리가 원하는 것은 A와 B에서 가능한 많은 원자가 C로 향하고 극소량만 폐기물 D로 이동하는 것이다.

우리 화학자들은 새로우면서 원자 경제적 관점에서 매우 우아한 반응을 찾기 위해 항상 노력한다. 우아한 반응이라는 것은 원하는 C물질을 최대한 효율적으로 생산하면서 폐기물 D의 원자가 최소한으로 생산되도록 하는 반응이다. 생각보다 훨씬 어려운 일이다!

아쉽게도 화학 산업에서 원자 경제는 아직까지 그리 큰 성공을 거두지는 못했다. 그 이유 중 하나는 많은 원자반응이 매우 까다로운 조건에서만 작은 규모로 일어나기 때문이다. 이런 반응 실험은 실험실에서 하는 것이 이상적이다. 하지만 산업 분야에서는 화학반응이 대규모로 일어나기를 원한다.

* * *

본 정보는 도서의 일부 내용으로만 구성되어 있으며, 보다 많은 정보와 지식은 반드시 책을 참조하셔야 합니다.

인문교양