우주탄생에서 본 화학의 이야기에 대해서

<우주탄생 빅뱅으로 원자가 만들어지다>

에너지가 고도로 응축된 크기가 제로에 가까운 미세한 점 상태였던 것이 지름 1㎝정도의 공간으로 순식간에 팽창했다. 지금으로부터 138억년 전 어느날의 일이다. 이 사건은 급팽창이라고 부른다. 그리고 이 좁은 공간이 흔히 빅뱅이라고 하는 대폭발을 일으킨 것은 그 직후의 일이다. 빅뱅으로 인해 에너지가 변화를 일으키고 질량을 가진 소립자가 탄생했다. 에너지와 질량은 등가이므로 에너지가 물질로 변화한 것이다. 이 물질은 엄청난 고밀도 상태였으나 급속도로 팽창해갔다. 이후 온도가 급격히 떨어져 소립자에서 수소 원자와 헬륨 원자의 원자핵이 생겨났다. 원자의 중심 부분은 원자핵이라고 하는데 원자핵은 양성자와 중성자 등의 입자로 구성돼 있다. 그리고 원자핵 주위를 돌고 있는 것이 전자다 이렇게 원자핵과 그 주위를 도는 전자로 이루어져 있는 원자는 구조 면에서 태양계와 비슷하다. 지구 등의 행성이 태양 주위를 돌 듯 전자가 원자핵 주위를 도는 매커니즘이다. 빅뱅 이후 얼마 동안은 너무 뜨거운 탓에 원자가 만들어지지 못했다. 그러다가 우주의 온도가 섭씨 3천도까지 내려가자 원자핵이 전자를 끌어당겨 원자가 생겨나기 시작했다. 이는 빅뱅이 일어난 지 37만년 후의 일이다. 우주에서 가장 먼저 만들어진 원소는 수소 원자이다. 그리고 항성이 탄생했을 때 항성 내부에서 원자핵과 원자핵이 충돌하는 핵융합이 일어나 다양한 원자핵이 생겨나기 시작했다. 한편 원자의 종류 즉 원소는 원자핵 안에 존재하는 양성자 수에 따라 결정된다. 양성자가 1개이면 수소 2개이면 헬륨이고 26개이면 철인 식이다. 따라서 항성 내부의 핵융합을 통해 철 등의 원소가 만들어졌고 마지막으로 항성이 초신성 폭발을 일으키면서 철보다 무거운 원소도 만들어졌다. 이런 일련의 과정을 통해 다양한 원소의 원자가 우주로 퍼져 나갔다. 우리 몸을 구성하는 원자도 모두 별의 조각에서 유래한 것이다

 

<고대 생물에게 산소는 독가스였다>

지구는 46억년 전에 우주에서 철과 돌 등이 모여들어 생성되었다. 그로부터 7억년이 더 지난 39억년 전에 거대 운석이 여러개 충돌하면서 지구 표면에 금, 백금 등의 무거운 원소를 200억톤 가량 흩뿌렸다. 이윽고 온도가 내려간 지구에 수많은 운석이 충돌하기 시작했다. 그 과정에 운석에 들어 있던 유기화합물(생명의 근원이 되는 탄소와 수소를 중심으로 산소, 질소, 인, 황 등을 포함한 물질)이 지구에 씨앗처럼 퍼졌다. 이후 유기화합물이 반응해 아미노산을 만들어냈고 아미노산이 서로 연결되어 단백질 분자가 생겨났다. 그리고 단백질 분자가 모여 역동적인 시스템이 구축되면서 마침내 생명이 탄생했다. 원시적인 세균류가 지구에 등장한 것은 35억년 전의 일이다. 그후 27억년 전쯤 시아노박테리아(남세균)가 출현해 광합성을 시작하자 바닷속에서 산소가 방출되었다. 바닷속에서 포화상태가 되어 방출된 산소가 대기를 가득 채우자 생물 대다수가 죽음을 맞이했다. 고대생물에게는 산소는 독성가스였기 때문이다. 독이었던 산소를 활용해 에너지를 얻은 생물이 탄생했는데 세포 속 미토콘드리아로 산소를 이용해 효율적으로 에너지를 생산할 수 있게 된 것이었다

 

유카탄반도 칙술루브 충돌

<동물조상이 5.4억년 전 캄브리아기에 출현>

오늘날 지구 위에 존재하는 거의 모든 생물의 조상이 출현한 것은 캄브리아기 초기인 5.4억년 전쯤의 일이다. 이는 산소를 이용해 에너지를 생산할 수 있는 생물이 급격히 많아지면서 일어난 현상이었다. 이러한 현상을 캄브리아기 대폭발이라고 한다. 절지동물, 척추동물의 조상 등 진기한 모습을 하고 있는 생물 화석이 이 시기 지층에서 잔뜩 발굴되었다. 미토콘드리아라는 엔진을 통해 강력한 힘을 얻은 동물은 물 밖으로 나와 뭍으로 진출하기 시작했다. 그리고 2.3억년 전부터 공룡의 시대가 시작되었다. 그러다가 백악기 말기인 6600만년 전쯤 소행성이 멕시코 유카탄반도 칙술루브에 충돌하면서 거대한 해일이 일어났다. 그 여파는 상상을 초월한 수준이었다. 하늘 높이 솟아오른 분진이 햇빛을 가린 탓에 식물이 살 수 없게 되었다. 지구 위의 가장 강력한 생명체인 공룡이 멸종했으며 모든 생물종의 70%가 절멸해버렸을 정도이었다. 그러나 오늘날의 쥐와 비슷한 소형 포유류는 운 좋게 살아남아 이들이 바로 우리 조상이 되었다