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내가 숨쉬는 공기, 어디서 왔나?


지구 상에서 살아가는 대부분의 생물체들은 공기를 마시며 살아간다. 산소를 싫어하는 일부 세균들을 제외하고 나면 대부분의 세균에서부터 인간에 이르기까지 모든 생명체들에게 공기란 생명을 유지하는데 반드시 필요한 요소이다. 그런데 이 공기를 구성하고 있는 기체들의 종류와 함량을 살펴보면 흥미로운 점이 발견된다. 공기 즉 지구의 대기는 다른 그 어떤 행성에서도 찾아볼 수 없는 매우 특별한 조성을 갖고 있을 뿐만 아니라 생명체와 생태계를 유지시켜주는 완벽한 혼합기체라는 사실이다. 지구의 대기에는 반응성이 없는 질소 기체가 78%를 채우고 있고, 세포의 에너지 생산과 생명 유지에 절대적으로 필요한 산소기체가 21%로 풍부하게 존재한다는 점부터 생명체를 위한 목적성을 분명히 드러낸다.

0.036% 정도로 매우 적게 섞여있는 이산화탄소 역시 식물들이 유기물을 만드는 원료이자 생태계 유지를 위한 탄소원으로서 미량이지만 없어서는 안 될 필수 요소로 포함되어 있다. 그렇다면 이 특별하고 완벽한 지구의 대기 즉 공기는 과연 어디서 온 것이며 어떻게 만들어진 것일까? 생명체들이 어떻게 이 땅에 존재하게 되었을까 라는 기원 문제와 함께 또 다른 궁금증을 자아낸다.

내가 숨쉬는 공기, 어디서 왔나?



지구의 대기에 대한 진화론적 시각은 한마디로 말해 우연히 스스로 형성되어서 모든 생명의 근원이 되었다고 보는 것이다. 생명체가 전혀 없는 원시지구에서 대기 기체들이 먼저 자연 발생하여 최초의 생명분자들을 만들어낸 원료로 사용되었으며, 그로부터 만들어진 생명체 중 광합성 세균들의 활약으로 산소가 공급되어 호기성 생물들이 발생되었고, 뒤이어 진화 발생한 식물체들이 광합성 작용을 통해 산소 공급이 이어지게 되었다는 것이 공기에 대한 진화 이야기의 맥락이다.

진화론적으로 지구 대기는 대략 3단계의 변화 과정을 거쳤다고 주장되고 있다. 가장 초기의 원시 지구 대기는 수소, 메탄, 암모니아와 같은 환원성 기체로 되어있었을 것이라고 본다. 약 35억 년 전에 이들 기체로부터 뉴클레오 타이드와 아미노산들이 스스로 만들어졌고 이들로부터 최초의 RNA, DNA, 단백질 등 생명 분자들이 만들어졌을 것이라는 가설과 맞물려있는 주장이다. 두 번째 단계의 지구 대기는 이산화탄소와 질소로 대체되어 채워졌다고 설명된다. 활발한 화산 활동과 소행성과의 충돌로 인해 엄청난 양의 이산화탄소가 공급되었고, 34억 년 전에는 비활성 기체인 질소가 대부분을 차지하게 되면서 지구 대기가 안정화되었다는 것이다.

세 번째 단계에서는 지구 대기에 산소가 공급되었다고 주장되고 있다. 약 24억년 전 남조류 광합성 세균(cyanobacteria)이 번성하여 많은 양의 산소기체를 공급했다는 이른바 ‘산소 급증 사건(great oxygenation event)’이 있었을 것이라는 추정이다. 이로 인해 호기성 생물체들의 진화를 촉발되었고, 그로부터 진화 발생된 식물들의 광합성에 의해 산소 공급이 증가되면서 결국 동물의 진화가 일어날 수 있는 환경이 조성되었다는 설명으로 이어진다.

원시지구의 대기는 현재와는 전혀 달랐으며 극단적인 변화를 거쳐왔다는 진화론적 주장

원시지구의 대기는 현재와는 전혀 달랐으며 극단적인 변화를 거쳐왔다는 진화론적 주장

그러나 지구 대기에 대한 진화론적 가설들은 생물의 진화를 설명하기 위해서라도 그렇게 설명할 수밖에 없는 순환논리의 틀을 벗어나지 못하고 있음을 보게 된다. 모든 존재는 스스로 발생했다는 무신론적 세계관을 벗어나지 않기 위해 많은 추론적 가설과 해석들이 충분한 증거 제시도 없이 무리하게 이어져 온 것이다. 우선, 지구 최초의 대기에 대한 주장부터 살펴보자. 화학진화설의 근간이 된 밀러(Stanley Miller)의 원시 지구 모방 실험에서 수소, 메탄, 암모니아 등 고에너지의 환원성 기체들이 원시지구 대기의 모델로 제시되었다.

현재의 산화성 대기와는 정반대의 기체조성이다. 이 기체들의 분자량은 각각 2, 16, 17로서 현재의 지구 대기를 이루는 질소, 산소, 이산화탄소의 28, 32, 44에 비해 훨씬 작다. 그만큼 가볍다는 말이다. 행성의 대기를 이루는 기체들은 그 행성의 인력에 의해 붙들려 있는 것들이다. 그렇다면 수소, 메탄, 암모니아 같은 저분자량의 기체들이 원시지구 표면에 붙들려 있기 위해서는 원시 지구의 인력은 지금보다 훨씬 커야 한다. 행성의 인력이 크려면 행성의 질량이 커야 한다. 태양계에서 가장 큰 행성인 목성의 대기는 대부분이 기체 중 가장 가벼운 수소기체와 헬륨으로 이뤄져 있는 것이 단적인 예다. 결국 원시지구는 지금의 지구보다 훨씬 컸었다는 말이 된다. 어떻게 보면 너무 황당한 결론이지만, 진화론은 이 가설을 해명해나가기 위해 추가적인 상상을 이어갈 수밖에 없다. 태양 성운으로부터 태양계가 만들어질 때 지구도 응축에 의해 탄생되었는데 그때의 대기는 수소와 헬륨 등 가벼운 기체였을 것이며, 뜨거웠던 지구가 식으면서 바다가 생겼고 대기 중의 수소와 헬륨 대부분이 날아가 버리고 대신 질소, 이산화탄소 등으로 점차 대체되는 변화를 거쳐왔을 것이라는 가설이 우리가 흔히 접하는 진화론적 설명들이다.

지구

하지만 여전히 원시 지구로 부터 현재의 지구로 변해오는 과정에서 메탄과 암모니아 같은 가벼운 기체들이 점점 사라져간 이유, 즉 지구의 크기가 줄고 인력이 줄어든 이유를 제대로 설명해주는 진화 가설은 찾아볼 수가 없다. 이렇다 할 증거는 없이 스토리 텔링만 있는 형국인 것이다. 한편으로는 지구 대기의 기원과 관련하여 여러 진화론적 가설들이 서로 논리적으로 부딪치는 역설적 현상들도 심심찮게 나타난다.

그중 하나로 ‘젊을수록 어두운 태양의 역설(Faint Young Sun Paradox)’을 들 수 있다. 진화론적으로 태양은 약 50억 년 전에 생겨났고 그 수명은 약 100억 년으로 추산하고 있어서 앞으로도 50억 년을 더 빛을 낼 것이라 말한다. 또한 태양은 생성된 후 지속적으로 밝아져 왔고 현재는 안정적인 에너지 생성 시기로 간주되고 있다. 그렇다면 과거의 태양은 지금보다 훨씬 밝기가 덜하였다는 결론이 나온다. 실제로 원시 지구의 환경을 모델링 해보니 태양빛의 세기는 지금보다 약 30% 정도 낮았을 것이라고 추정되었다. 따라서 원시 지구는 25억 년 전까지 즉 초기 20억 년 동안은 꽁꽁 얼어붙어 있어야 한다는 결론에 도달하게 되었다.

그러나 다른 진화 가설은 그 시기에 이미 액체 상태 물의 존재하였음을 보여준다는 증거를 제시하였고 그래서 생명 분자도 생겨날 수 있었다는 화학진화설이 주장되어 왔기 때문에 ‘젊을수록 어두운 태양’ 진화 가설과의 충돌을 피할 수 없게 되었다. 그래서 이것을 진화론 학자들이 ‘역설’이라고 부르게 된 것이다. 이에 대하여 진화론 학자들은 지난 수십 년 동안 다양한 해석들을 내놓았다. 그중, 이산화탄소, 메탄, 암모니아와 같은 온실화 기체들의 농도가 높았기 때문에 태양빛이 약했어도 기온을 높여 액체 물을 유지시킬 수 있었을 것이라는 가설이 가장 많이 거론되었지만 최근까지도 그 가설이 근거 없음을 보여주는 여러 증거들이 제시되며 논쟁이 이어지고 있으며 전혀 진화론적 합의가 이루어질 기미가 보이지 않고 있다.

어찌 됐든 이렇게 진화론적 가설들이 깊은 늪에 점점 빠져들듯이 꼬리에 꼬리를 물고 이어지는 것은 왜일까? 거슬러 올라가 보면 그 정점에는 가벼운 환원성 기체들로부터 최초 생명 분자들이 스스로 발생하였다는 화학진화설이 버티고 있음을 보게 된다. 화학반응을 통해 무생명에서 스스로 생명이 나와야 한다는 그 진화론적 대전제에 맞추어 모든 상상력을 동원한 지구의 역사 이야기가 만들어져야 하는 필연성을 안고 있기 때문인 것이다.

빈약한 증거, 그리고 생물 진화와 모순되는 대기 진화의 논리

빈약한 증거, 그리고 생물 진화와 모순되는 대기 진화의 논리

밀러의 원시 지구 모방 실험에서 제시된 환원성 대기는 1930년대 구 소련의 생화학자 오파린(Alexander Oparin)이 최초로 주장한 이후 미국의 화학자 유리(Harold Urey)가 더욱 강조하면서 뿌리를 내린 진화 가설이다. 그러나 이 주장에 대하여 많은 학자들이 반박 증거를 제시하며 반대 의견을 제기했던 시끄러운 가설이기도 하였다. 특히 미국의 유명한 진화론자이자 지구물리학자인 아벨슨(Philip Abelson)은 이 가설의 ‘메탄-암모니아 가정’에 대한 지구화학적인 증거가 없다는 점과 암모니아는 빠르게 사라졌을 가능성이 더 높은 만큼 타당성이 없음을 지적하였다. 이 외에도 원시 지구 대기에 오히려 산소가 생성되어 있었다거나 이미 산화성 대기였을 것이라는 주장 등 다양한 증거들이 최근까지도 보고되는 등 화학진화설의 난맥상은 여전히 정리되지 않는 모습이다.

지구 원시 지구 모방 실험에 기초를 둔 화학진화설에 한계를 느끼는 진화론 학자들은 생명의 씨앗을 찾기 위해 지구가 아닌 외계 행성으로 눈을 돌리기도 한다. 이른바 생명의 외계 기원설이라 부르는 이 가설은 지구 상의 화학진화로 생명이 나온 것이 아니라면 혹시 다른 행성에서 만들어진 생명 분자가 운석 등을 타고 지구로 유입되었을 수도 있다는 가능성을 생각하는 것이다. 엄청난 돈을 들여 우주선을 만들고 태양계의 다른 행성들을 뒤지며 생명의 흔적을 찾는 이유도 일면으로는 외계 기원설에 입각한 과학 활동이라고 볼 수 있다. 하지만 외계 기원설 또한 생명의 기원에 대한 화학진화설의 한 형태이며 다만 화학진화의 현장을 지구가 아닌 다른 행성으로 확장시킨 것에 불과하다 하겠다.

이렇듯 화학진화설에 대한 논란이 그치지 않는 이유는 원시 지구 대기 기체에 대한 과학적 증거가 매우 빈약하기 때문이다. 화학진화설에서 말하는 원시 지구 대기가 환원성과 산화성 중 어느 쪽에 가까운지, 산소가 존재했는지 그렇지 않은지 등을 객관적으로 증명해내는 일은 불가능하다. 다만 간접적인 증거를 제시할 수밖에 없는 상황에서 자신이 지지하고자 하는 방향으로 가설을 세우고 실험을 설계하며 그 결과를 해석하는 방식으로 연구들이 진행된다. 밀러의 원시 지구 모방 실험에서도 화학진화를 주장하기 위해서는 반드시 필요하기 때문에 환원성 기체들을 사용한 것이라 볼 수 있다. 에너지가 높은 환원성 기체를 사용해야 유기물 생명 분자가 만들어질 수 있기 때문이다. 그렇다 보니 생명 분자가 만들어졌다는 사실이 곧 그 사용된 기체가 실제 원시 지구의 기체였다고 증명하는 것이 될 수 없음은 당연하다. 즉 밀러의 실험은 고에너지 환원성 기체로부터 유기물이 만들어지는 합성 조건을 보여준 의미는 있겠지만, 그것이 원시 지구 대기의 모델이 된다는 가정에는 어떠한 객관적 근거도 없다는 말이다. 최근에도 화학진화설을 근간으로 하는 연구결과들이 발표되고 있지만 그것들 역시 객관적 사실의 증명이 아니라 화학진화를 전제로 하는 파생적인 진화론적 해석들에 불과함을 주의 깊게 볼 필요가 있다.

한편 진화론에서 지구 대기가 3단계의 변화 과정을 거쳐왔다고 보는 입장은 결과적으로는 생물 진화의 논리와도 모순이 되는 문제를 낳게 된다. 약 24억 년 전 남조류의 광합성에 의해 지구 상에 산소가 공급되었고 이어서 진화되어 나온 식물들의 광합성이 산소의 주공급원이 되었으며 그로 인해 동물이 진화되어 나왔다는 것인데, 여기서 주목할 것은 동물의 진화가 물속에서 시작되었다는 점이다. 생명 분자와 세포가 발생될 때에는 물이 반응계를 이루는 절대적인 요소인 만큼 물속에서 만들어졌다고 보는 것은 납득이 되지만, 호기성인 다세포 동물이 진화하는 것은 이미 화학반응의 수준이 아닌 훨씬 복잡한 고차원적 단계이기 때문에 반드시 물속에서 진화해야만 하는 당위성은 매우 낮다. 일단 세포가 산소를 이용하여 에너지를 생산하는 시스템을 갖추었다면 그 세포들로 구성되는 호기성의 다세포 생물체는 산소가 매우 적은 물속보다는 산소가 풍부한 육지 환경이 진화에 더 적합하다고 볼 수 있다. 물론 약간의 물이 필요한 만큼 습한 육지가 최적일 것이다.

생물진화

그러나 진화론에서 주장하는 다세포 동물의 진화과정은 약 5.5억년 전 고생대 캄브리아기에 수중 무척추동물들의 발생으로 출발하고 있다. 삼엽충과 같은 절지동물은 물론 연체동물, 산호류 등 5천 종류가 넘는 다세포 무척추동물들이 폭발적으로 출현하였다는 캄브리아기 대폭발(Cambrian explosion) 현상이 다름 아닌 바닷속에서 일어났다고 주장되고 있는 것이다. 산소는 물에 대한 용해도가 매우 낮은 비극성 기체라서 바닷물에는 약 5 mg/L, 즉 5 ppm 정도의 극미량만 녹아있다. 호기성의 다세포 동물들이 산소가 풍부한 환경을 마다하고 산소가 희박한 수중 환경을 진화의 현장으로 선택했다는 것은 논리적 모순이 아닐 수 없다. 충돌하는 두 진화론적 설명 중 하나가 틀렸거나 아니면 진화론적 해석 방법 자체가 잘못되었다는 것 외에 다른 결론은 없어 보인다.

특별한 기체 조성과 완벽한 함량, 생명을 위해 설계된 지구 대기

특별한 기체 조성과 완벽한 함량, 생명을 위해 설계된 지구 대기

지구는 어떤 행성인가? 태양계 행성 중에서도 풍부한 물과 바다를 가지고 있고 여전히 지질학적 활동을 하고 있는 유일한 행성이며, 우주에서 생명체가 살고 있다는 사실이 증명된 유일한 천체이다. 무엇보다 21%의 산소 기체를 함유하는 완벽한 혼합기체 즉 공기로 둘러싸여 있다는 점에서 다른 행성과는 완전히 다른 면모를 보여준다.

풍부한 산소로 인해 생명체들이 에너지를 생산하여 생명을 유지할 수 있다는 점 외에도 공기의 완벽함은 0.036%의 이산화탄소를 볼 때 더욱 확실해진다. 무시될 수 있을 만큼 미량으로 섞여있지만 이산화탄소는 광합성을 통해 생태계에 공급되는 탄소원이자 열을 잡아주는 온실화 기체로서 생명체들에게는 필수적인 공기 구성요소이다. 이산화탄소가 조금이라도 적었다면 생태계는 광합성 부족으로 위축될 수밖에 없을 것이고 일교차와 연교차의 기온 범위가 넓어져 생물체들은 온도 스트레스로 생명 유지에 어려움을 겪을 수밖에 없을 것이다. 그렇다고 반대로 이산화탄소를 넉넉히 가지고 있는 것도 위험하다. 그랬다면 이번에는 지구 온난화가 심화되면서 생명체에게 또 다른 심각한 위협을 가하게 될 것이다. 결론적으로 공기 중 이산화탄소 농도 0.036%는 생명체에게는 최적의 수준으로 설계된 수치임을 알 수 있고 그 변화의 범위도 소수점 세 자리 수준을 따질 정도로 미세하게 조정되어 있다는 점에서 완벽하다 하지 않을 수 없다.

이러한 이산화탄소 미세조정의 완벽성은 지구 대기를 금성과 화성의 대기와 비교할 때 더욱 경이롭게 드러난다. 태양계의 8개 행성 중에서 수성, 금성, 지구, 화성은 암석이나 금속 등 고체 성분으로 이루어져 있으면서 크기도 상대적으로 작다는 공통점을 가지고 있어서 지구형 행성으로 분류된다. 그중에도 금성과 화성은 지구의 안쪽과 바깥쪽에 위치하고 크기도 지구와 비슷하다는 점에서 더 많은 주목을 받는다. 크기가 비슷한 만큼 대기권 기체를 잡아두는 인력도 비슷할 것으로 기대할 수 있다. 그런데 실제로는 그렇지 않다. 지구 대기에는 이산화탄소가 0.036% 정도로 아주 적지만, 금성과 화성의 대기에는 이산화탄소 농도가 각각 96.4%, 95.3%로 대기의 대부분을 차지하고 있다. 당연히 금성과 화성은 이렇게 높은 이산화탄소 농도만 보더라도 생명체가 살 수 있는 행성이 못 된다.

우주그림

참 이상한 일이 아닐 수 없다. 금성, 지구, 화성의 크기가 비슷하니 대기를 붙드는 인력도 비슷할 것인데, 금성과 화성의 대기는 대부분 이산화탄소로 되어 있는데 반해 그 두 행성 사이에 있는 지구에는 이산화탄소가 극히 미량만 있으니까 말이다. 왜 이렇게 지구만 다른지 그 이유는 과학실험으로는 알 수가 없다. 다만, 지구에만은 이산화탄소가 미량으로 존재하는 대신 질소(78%)와 산소(21%)라는 특별한 기체로 대기의 대부분을 채워주고 있다는 점에 주목할 필요가 있다. 질소는 반응성이 없는 비활성 기체라서 호흡하는 생명체에 해가 없고, 산소는 생명체들이 에너지 생산하는데 반드시 필요한 기체이다. 이런 기체들로 대기가 이루어져 있다는 것은 무엇을 말해주는 것일까? 그것은 지구가 생명체들이 살 수 있는 환경으로 의도적으로 설계되고 조성된 행성임을 강하게 시사해주는 증거이다. 거기에다 미세하게 조정된 이산화탄소 농도의 증거는 이러한 유신론적 추론의 타당성을 더욱 높여주고 있다.

반면, 지구 대기의 독특성을 진화론적으로 설명하기란 쉽지 않다. 진화론적으로 금성, 지구, 화성은 태양계가 처음 생겨날 때 태양 성운에 존재했던 수많은 미행성들이 충돌하면서 성장하여 만들어졌다고 설명되고 있다. 세 행성 모두가 그야말로 아무런 계획과 의도도 없이 미행성들이 서로 충돌하고 뭉치면서 우연히 만들어졌다는 것인데, 그렇다면 위치도 서로 비슷하고 크기도 비슷한 만큼 비슷한 대기 조성을 가져야 하는 것은 당연한 일이다. 그런데 왜 화성과 금성은 이산화탄소로 가득 차 있는데 어떻게 유독 그 사이에 있는 지구 만이 아주 낮은 이산화탄소 함량과 독특한 기체들의 혼합을 통해 생명체에게 완벽한 공기를 가지게 될 수가 있겠는가?

진화론의 근간이 되는 무작위적 우연의 메커니즘으로는 지구라는 행성은 도저히 설명될 수가 없다. 지구와 생명체를 창조하시고 지구에 생명체가 살아가게 하신 창조주의 의도와 치밀한 설계가 없었다면 도무지 나올 수 없는 현상이다. 내가 숨 쉬는 공기, 그것은 원시 지구에서부터 지금에 이르기까지 3단계의 변화를 거쳐온 우연의 기체 혼합물이 아니라, 모든 생명체들을 위해 가장 적합한 조성과 함량으로 태초부터 만들어져 존재하는 멋진 설계작품이라는 사실을 알 수 있는 것이다. 그러한 공기를 호흡하고 있음이 감사하다. 누군가는 호흡이라는 것이 그저 생존을 위해 공기를 흡입하는 단순한 생리활동이라고 말할지 모르겠다. 그러나 그런 감동 없는 호흡은 이제 그만두자. 호흡할 때마다 온 몸에 퍼져 들어오는 하나님의 걸작품, 그 귀한 선물을 느껴보자. 그분을 그렇게 더 가까이 느끼면서 살면 우리 마음은 감사와 찬양으로 더욱 넘칠 것 같다.

제작

글 : 현창기 | 한동대학교 생명과학부 교수 / 제작 : GODpia
2015. 10.23



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