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탄소로 밝히는 생명 진화사와 지구 잔혹사!

탄소를 통해 지구의 역사와 인류의 미래를 이야기하는 책 『탄소의 시대』. 인류 진화의 부산물이자 종말로 안내하는 산업화의 저주인 ‘탄소’의 실체를 밝히며, 탄소가 우리에게 보내는 메시지를 살펴본다. 우주라는 큰 그림에서부터 인간 존재에 대한 작은 그림까지 탄소의 위치를 세세하게 파악하며 탄소의 실제에 대해 설명하고 있다. 우주와 지구, 생명의 역사를 탄소라는 하나의 통합적인 내러티브로 이해하도록 이끌어주고, 이렇게 완성한 ‘탄소의 과학’을 ‘탄소의 인문학’으로 전환해 인간의 미래를 이야기하고 생명의 원리를 문명의 원리로 다시 세울 것을 요구한다. 지구온난화 위기의 역사와 전모를 파헤치면서 현재의 문명이 취할 수 있는 미래의 노선들을 소개한다.

‘탄소의 시대’에 온 것을 환영합니다!
우리가 오해하고 있던 원자번호 6번, 탄소
그 속에 숨겨진 문명과 생명, 당신에 대한 놀라운 이야기!

한때 ‘저탄소 녹색성장’이라는 이슈가 우리의 눈과 귀를 사로잡았던 적이 있다. ‘탄소배출권 거래제’가 미래 한국의 새로운 경제적 가능성으로 떠오르기도 했으며, ‘탄소발자국’이라는 생소한 용어가 교과서에 실리기도 했다. 지구를 환경오염으로부터 구하고 지속적인 경제성장을 촉진하기 위해서는 나쁜 ‘탄소’를 관리해야 한다는 것이 위 개념들의 주요 골자다.
그렇다면 탄소는 어떻게 지구를 망가트리고 있었던 것일까? 궁극적으로 탄소는 지구에 어떤 영향을 어떻게 미치는가? ‘탄소의 시대’(에릭 로스톤 지음, 21세기북스 펴냄)는 인류 진화의 부산물이자 종말로 안내하는 산업화의 저주인 ‘탄소’의 실체에 대해 이야기한다. 차가웠던 원시지구에 생명의 기운을 불어넣은 창조주이자 산업화를 통해 지구의 새로운 지배자로 떠오른 인류를 종말의 길로 인도할 사자(死者)인 탄소는 우리에게 어떤 경고의 메시지를 주고 있는가? 이 책은 탄소가 지배하는 시대에 탄소가 우리에게 보내는 메시지를 쉽고 경쾌하게 풀어간다.

누가 탄소를 모함하는가?
탄소로 밝히는 생명의 기막힌 진화사 그리고 지구 잔혹사의 전말

우리는 탄소라는 단어를 자주, 그것도 여러 맥락에서 발견한다. 탄소는 지구온난화에 관한 기사의 제목에서도 발견할 수 있고 고급자전거의 상품설명에서도 발견할 수 있다. 심지어 우리가 보내는 이메일의 참조 표시(CC, 카본 카피)에서도 발견할 수 있다. 인류의 모든 활동이 탄소를 발생한다고 봐도 무방할 것이다.
하지만 이 원소는 우리가 일상적으로 접하는 것 이상의 존재다. 모든 생물은 주변에서 탄소를 끌어와 생명을 유지하고, 유기체, 땅, 물 대기를 돌아다니는 탄소의 거대한 순환은 이 지구가 균형 상태를 유지하게 하는 지구의 순환계 그 자체다. 하지만 산업화에 성공한 인류는 탄소의 거대한 순환의 수레바퀴를 엄청난 속도로 빠르게 회전시키고 있다. 염화플루오린화탄소는 오존층을 파괴하고 지구를 덥히는데 일조하고 있으며, 일촉즉발의 서아시아 지역은 그 지역에 매장된 휘발성 탄화수소로 인해 몸살을 앓고 있다.
지구온난화가 야기한 변화는 근대성의 범위와 가능성을 위협한다. 지구온난화는 핵전쟁과 내성세균에 맞먹을만한 위력을 지닌 문명의 위협 요소다. 나사(NASA)의 고다드 우주 연구소 소장 제임스 핸슨은 지구가 전 산업화 시기보다 2℃ 뜨거워지면 기후가 돌아올 수 없는 길로 들어서리라고 말한다. 해수면이 최소 몇 미터나 높아지고 동식물 종의 3분의 1에서 절반이 멸종하고, 생태계가 파국에 이른다는 것이다. 참고로 지구의 평균 기온은 약 14℃다. 20세기에 지구는 약 0.6℃ 뜨거워졌고, 지금 이 글을 읽고 있는 순간에도 점점 더 루비콘 강의 끝자락을 향해 나아가고 있다.

진화의 축복인가, 산업화의 저주인가?
오만한 인류에게 보내는 지구의 메시지!

수많은 책과 기사가 탄소가 지배하는 시대에 대해 걱정한다. 탄소, 특히 이산화탄소의 해악에 대해 소리 높여 경고하지만 무엇이 탄소를 악역으로 만들었는지 이야기하지 못한다. 탄소의 순환이라는 거대한 그림도, 우주에서부터 인간 존재까지 모든 것을 존재하게 만든 탄소의 실제에 대해서는 얼버무리고 넘어가기 급급하다. 그래서 우리는 탄소가 왜 나쁜지, 지구온난화가 왜 문제인지 제대로 설명하지 못한다.
이 책은 우주라는 가장 큰 그림에서 시작해 사이아노박테리아와 석회비늘편모류, 은행나무의 진화를 거쳐 인간이 숨을 쉬고 달리기를 하고 밥을 먹는 가장 작은 그림까지 현미경을 들고 탄소의 위치를 파악하고 있다. 1부 생명과 탄소에서 우리는 물리학, 화학, 지구과학, 생물학이라는 고정적이고 고루한 개별 범주를 훌쩍 뛰어넘어, ‘탄소학’이라는 통(通)과학을 통해 우주와 지구, 생명의 역사를 탄소라는 하나의 통합적인 내러티브로 이해할 수 있게 된다.
그러나 이 책의 진가는 후반부에서 더욱 빛을 발한다. 저자는 1부의 키워드를 역순으로 짚어 나가며 1부에서 완성한 ‘탄소의 과학’을 ‘탄소의 인문학’으로 전환한다. 지구의 과거를 바탕으로 인간의 미래를 이야기하고 생명의 원리를 문명의 원리로 다시 세울 것을 요구한다. 현 문명의 키워드인 자동차, 징코라이드 건강보조제, 방탄섬유에서 출발해 지구온난화 위기의 역사와 전모를 파헤치고, 현 문명이 취할 수 있는 미래의 노선들을 하나하나 소개하고 검토한다.
지금 인간은 과거에 한 번도 나타날 수 없었고 미래에도 다시는 반복될 수 없는 거대한 지구물리학적 실험을 감행하고 있다. 우리는 수억 년이나 퇴적암에 저장되어 있던 농축 유기탄소를 몇 백 년 사이에 대기와 바다로 돌려놓으려고 하고 있다. 우리는 탄소 없이 살 수 없지만, 앞으로는 탄소와 함께 살아갈 수 없을지도 모른다. 폭주하는 원자의 왕, 탄소를 막지 못한다면 말이다.

◎ 해외 서평

탄소 이야기는 당연히 우리의 이야기다. 이 책은 사이아노박테리아부터 옛 은행나무와 현생 은행나무를 거쳐 합성생물학이라는 경이로운 지적 작업, 그리고 인간과 내연기관의 위험한 로맨스에 이르는 짜릿한 여행이다.
_로알드 호프만, 1981년 노벨 화학상 수상자

산소가 가장 중요하다고 생각하는 사람은 이 탄소의 이야기부터 읽어야 할 것이다. 탄소는 다이아몬드와 연필심, 뿐만 아니라 바로 당신을 존재하게 한 원소요, 앞으로 신문의 헤드라인을 장악할 원소다. 우리는 탄소 없이 살 수 없지만, 앞으로는 탄소와 함께 살아갈 수 없을지도 모른다.
_노먼 오거스틴, 전 록히드 마틴 사 회장

원소 중의 시민왕, 탄소는 인간 존재와 생명의 본질을 지배한다. 그런데 저 왕이 미쳐가고 있다! 시민들이여, 폭군에 맞서 일어서라. 그러지 않으면 우리 모두 파멸할 것이니!
_제임스 핸슨, 미 항공우주국 고다드 연구소 소장

만약 원자번호 6번이 스스로 자서전을 쓴다면, 로스턴의 이 매력적인 책과 비슷할 것이다.
_〈북리스트〉

기후변화라는 사안을 이해하기 위해서는, 또한 에너지와 생명에 관련한 거의 모든 사안을 이해하기 위해서는 탄소를 알아야만 한다. 다행히도 탄소는 너무도 황홀한 원소이며 에릭 로스턴은 이 재미있는 책을 통해 그 사실을 알려주고 있다. 《탄소의 시대》는 기초과학에 관한 지식과 더불어 우리 눈앞에 놓인 가장 근본적인 방책들을 알려주는 훌륭한 내러티브다.
_월터 아이작슨, 아스펜 재단 CEO, 《아이슈타인의 삶과 우주》의 저자

로스턴은 우주에서 세포까지, 기후에서 암까지 아우르는 탄소의 전능한 활약을 파헤친다. 또한, 인류의 운명과 탄소가 현재 해결 불가능할 정도로 얽혀 있음을 훌륭히 입증해낸다.
_더들리 허슈바흐, 1986년 노벨 화학상 수상자

<책속으로 추가>
화석연료를 태우는 현대 인류는 석탄기 미생물이 레피도덴드로프시스 무리에 대해 완수하지 못한 분해 임무, 즉 탄소와 산소로 이산화탄소를 만들어 빠른 속도로 온실을 강화하는 일을 대신 마무리하고 있는 셈이다. 화석연료 연소는 3억 년도 더 전에 이미 지구에 필요 없게 된 온실, 더 정확히는지구가 애써 줄여놓은 온실을 재건하는 행위다. 현 탄소 시대는 석탄기 이전의 온실을 일부 태워 다시 하늘로 올려보내는 중이다. 지구는 이 이상의 온실을 원하지 않는다. 적어도 우리가 살아갈 지구는 그렇다.(109쪽)

(지구 역사의) 40억 년을 1년으로 압축해서 생각해보자. 산소를 생산하는 사이아노박테리아가 최초의 흔적을 남긴 시점은 4월 30일 오후다. 6월 2일 조간신문이 배달될 무렵, 지구가 눈덩이로 꽝꽝 얼어붙었다. 11월 12일 늦은 점심께, 캄브리아기 대폭발이 일어났다. 12월 7일 아침 출근 시간에 현생 은행나무의 가장 오래된 조상으로 추정되는 나무가 생을 마쳤다. 12월 31일 초저녁, 달리기를 해서 먹이를 주워 먹는 호미닌이 돌을 자르개로 쓰기 시작했다. 제야의 종이 울리기 6분 34초 전, 아프리카에서 호모 사피엔스의 ‘위대한 도약’이 일어났다. 자정을 1.1초 앞둔 순간까지도 이 세계에 자동차는 없었다. 제야의 종이 울렸다. 갑자기 자동차 8억 대가 나타났다.(140쪽)

우즈워드의 엽록소 a 합성은 과학 사업의 위대성과 한계를 동시에 보여주는 완벽한 사례다. 연구진은 1960년에 〈타임〉이 우드워드 외 미국 과학자 14인을 ‘올해의 인물’로 선정하는 것으로 축하연을 치렀다. 그런데 생물학적 견지에서 보면, 4년 연구의 성과라는 것이 세포에 엽록소를 붙들어 매는 지방산 일체도 아니고, 빛에 들뜬 전자를 세포의 배터리 분자로 나르는 정교한 단백질들도 아니고, 생물 세포 안에서 이 모든 것을 하나로 결합하는 공정은 더더욱 아니었고, 고작 엽록소였다. 식물은 엽록소를 만들 뿐만 아니라, 그것을 뭉치고 엮어 광합성 막을 만든다. 우드워드의 엽록소에 그런 기능성은 전혀 없었다.(166쪽)

벤젠과 흑연 분자의 강도를 내는 탄소 원자의 독특한 배열은 케블라 섬유에도 이용되고 있다. 앞서 살펴보았듯이, 탄소의 마법과도 같은 분자 구축 능력은 다른 원자들과 다중결합하는 특성에서 나온다. 일반적으로 두 원자는 각자의 전자 하나를 공유하는 단일결합을 한다. 다이아몬드의 C?C 결합, 포화지방의 가운데 뼈대가 그 예다. 두 개 이상의 전자를 공유해 결합하는 일도 있다. 불포화지방 속 C=C 결합, 생명의 주요 분자에서 반응점 역할을 하는 C=O, C=N 이중결합이 그 예다. 전자를 세 개 공유하는 가장 강한 결합도 원리는 같다. 고밀도 성간 구름에 나타나는 HC5N, HC7N 등 사이아노폴리인이라는 탄소 사슬에는 탄소 원자가 단일결합과 삼중결합을 번갈아 하며 직선으로 늘어서 있다.(186쪽)

기후는 변덕이 심하다. 격렬한 충격 없이도 얼마든지 혼돈의 시기로 접어들고 생태계의 존립 가능성을 흔들 수 있다. 현대 지구 시스템 과학의 선구자인 컬럼비아대 레이몬트도허티 지구 관측소의 월러스 브뢰커는 이렇게 썼다. “고기후 기록은 우리에게 소리치고 있다. 지구의 기후 시스템은 스스로 안정을 꾀하기는커녕, 사소한 자극에도 과잉 반응하는 심술궂은 짐승과도 같다고.” 기후가 약한 압박만 받아도, 대체 어디에서 비롯되는지 알 수 없는 비선형적인 변화가 일어날 수 있다. 인위적인 기후변화는 ‘약한 압박’이 아니다. 과학자들은 기후에 가해지는 지구물리적 스트레스 인자를 복사 수지에의 폭행, 또는 탈선이라고 표현한다.35 화산, 태양에너지의 변화, 각종 온실가스가 다 기후에 대한 폭행이다. IPCC의 제4차 평가 보고서에 따르면, 인위적인 복사 폭행으로 지구의 에너지 수지가 1제곱미터당 1.6와트 늘었다. 20세기에 지구 시스템은 이미 0.6°C 뜨거워졌다. 우리가 지금 당장 자동차와 발전소를 전부 멈춘다 해도 돌이킬 수 없는 온도 변화다.(207쪽)

풍요로운 삶과 1인당 수입을 등호로 처리하는 경제학 교리에 묶여 있는 한, 그 리고 그것을 대체할 경쟁력 있는 개념을 만들어내지 못하는 한, 우리는 기후변화를 일으키는 근본적인 인자를 해결할 수 없다. 싸고 풍부한 화석연료가 있기에 가능한 물질주의, 천박한 영리주의, 낭비……. 인간이 지금과 같은 생리학적 특성을 획득하기 수천 년 전부터 공동체를 구성했던 것은 불 때문이었다. 그때도 그랬고 지금도 그렇고, 불은 인간이 다스릴 수 있는 것이 아니며, 지구 규모의 공동체적 협력, 평등과 정의를 둘러싼 분규를 극복하는 행동을 요한다는 게 렌슬러 공과대 연구소의 존 가우디가 외치는 바다. 감동적이긴 하나, 강제력 없이는 통하지 않을 이야기다.(216~217쪽)

화석연료 소비의 파괴적인 가속 사태에 한 줄기 희망이 있다면, 그것은 연료의 체질을 바꾸는 것일 수밖에 없다. 현재 각 국가와 기업, 개인은 산업 에니저원에서 탄소를 배제하는 방안을 논하며 모쪼록 너무 늦지 않게 변화가 나타나길 바라고 있다. 자원 고갈과 이산화탄소 배출 비용 때문에 화석연료가 점점 비싸지다 보면 햇빛, 바람, 물, 지열의 에너지와 생물공학적 연료가 점점 더 큰 비율로 에너지 공급을 담당할 것이다. 이 같은 추세를 제대로 파악하려면, 우리가 태우는 연료의 양과 질을 개관할 필요가 있다.
길지 않은 시간에 많은 것이 변했고 앞으로는 더 빨리 변할 것이다. 사람들은 원자력발전소에 느끼던 적대감을 이제 화력발전소에도 표출하기 시작했다. 원자력 발전소는 노심용융의 공포를 부른다. 그런데 석탄 발전은 벌써 문자 그대로의 ‘지구용융’을 부채질하고 있다. 산업국가들이 전력 생산을 멈추고 중공업을 포기하지 않는 이상, 당분간은 석탄 소비가 불가피하다. 만약 이산화탄소를 붙잡아 제자리에 박아 넣는 탄소 포집 저장 기술이 나온다면, 지금의 석탄 기반 산업을 언제까지고 이어갈 수 있을 터다. 텍사스대의 지구공학자 수잔 호보르카는 이렇게 말했다. “탄소는 땅의 것입니다. 그러니 땅으로 돌려놓아야 하는 겁니다.” 실제로 그런 움직임이 있다. 호보르카도 이산화탄소를 지하 1500미터 깊이 대수층에 주입하는 시범 프로젝트를 진행했다. 알고 보면 기술적인 문제는 가장 쉬운 부분이다. 그 기술을 경제적이고 안전하게, 무엇보다도 정치가들 입맛에 맞게 만드는 데 시간이 걸릴 뿐인데, 우리에게 주어진 시간은 점점 줄고만 있다. (243~244쪽)

프롤로그 왜 탄소인가? 탄소로 밝히는 지구 잔혹사의 전말

I 생명과 탄소
1장 태초에 프라이팬이 있었다_ 빅뱅, 별, 그리고 탄소의 탄생
2장 춤과 춤꾼이 하나이듯이_ DNA와 RNA, 생명의 기원들
3장 박테리아 산소 혁명_ 광합성에서 이산화탄소 온실까지
4장 생명은 잔인함을 타고났다_ 포식과 방어 그리고 해양 탄소 순환
5장 살아남은 목격자가 있다_ 생명의 나무와 이산화탄소
6장 벗고 달리기 본능_ 탄수화물로 살기 vs 탄화수소로 살기

II 현대 문명과 탄소
7장 기름의 전광석화_ 탄소와 자동차
8장 판타지에 대한 물리적 구속_ 탄소 분자의 미학
9장 총알보다 빠른 다이아몬드_ 탄소 군비경쟁
10장 지구의 투명한 덮개_ 탄소 순환의 미친 가속도
11장 자연에는 매뉴얼이 없다_ 합성생물학과 에너지의 미래
12장 우리 모두의 모험입니다_ 탈탄소 문명의 가능성

감사의 말
주석
참고문헌
인터뷰 명단

자연원소 92종이 생명의 무한성을 창조하는 쪽으로 정확히 ‘믹스 앤 매치’되었고 그래서 지구 생명이 자라왔다는 생각, 제법 그럴듯하다. 그러나 틀렸다. 물론, 대우주에는 사리(事理)가 있다. 그러나 그 정도로 깊은 사리는 아니다. 탄소는 우주에서 넷째로 풍부한 원소이지만, 지구에서는 순위권 밖이다. 지구는 주로 산소와 규소로 이루어진 천체다. 지구 상에서 탄소는 상위 원소 10위에도 못 든다. 그런데도 뭇 생명을 구성하고 움직인다. 탄소는 원소 중의 ‘시민왕’이다. 하찮은 일도 하고 특별한 일도 하고, 그럼으로써 인간과 생명의 본질을 지배한다. 피터 앳킨스는 이렇게 썼다. “탄소의 왕다움은 그 평범함에서 나온다. 탄소는 가장 많은 일을, 어느 하나 극단적이지 않게 한다. 그러한 온건함으로 자연을 지배하는 것이다.” 이 별난 사태의 전모가 이 책의 주제다. (9쪽)

호모 사피엔스가 지구의 안정기를 어지럽힌 최초의 종은 아니다. 하지만 지구가 돌아가는 모습을 조금만 생각해보면, 우리가 그 어느 때보다도 빠르게, 그 어느 때와도 다르게 지구를 바꾸고 있다는 결론에 이르게 된다. 과학에서는 탄소의 순환을 단기 순환과 장기 순환으로 구분한다. 단기 순환은 지속 시간이 몇 시간, 몇 년, 또는 몇천 년이고, 그 경로는 생명, 바다, 토양, 공기다. 장기 순환에는 지각(地殼)이라는 여정이 추가된다.15 땅속이나 해저에 도달한 탄소는 수백만 년에서 수천만 년간 그대로 머무르기도 한다. 또는, 2, 3억 년 이상 땅속에 있다가, 화산이나 열수구를 통해 주로 이산화탄소 형태로 지표 시스템으로 돌아가기도 한다. 이러한 상황에서, 인류 문명은 지질 현상의 하나로 등극해 탄소의 장기 순환과 단기 순환 모두에 끼어들어 문제를 일으키고 있다.(13쪽)

어떤 이름의 미물이든 (원자, 분자, 사이아노박테리아, 껍데기 조류, 나무, 자동차, 그 어느 것이든) 대량으로 존재하면, 탄소의 경로에 끼어들어 그 지구적 흐름을 서서히 바꾸고 나아가 지구 생명의 조건을 바꿀 수 있다. 우리의 통상적인 감각으로는 받아들이기 어려운 개념이다. 수가 아무리 많기로서니, 또 시간이 아무리 길기로서니, 눈에 보이지도 않는 작은 유기체가 너무 커서 잘 파악되지도 않는 이 행성을 통째로 바꾸었단 말인가? 사이아노박테리아가 탄소 순환을 어지럽혔다는 말보다는 차라리 원숭이 100만 마리가 어쩌다가 셰익스피어 작품을 타이핑했다는 편이 그럴싸하다. 그러나 우리가 결코 제대로 느끼지 못하는 지구의 시간을 생각하면, 또한 그 세월 동안 무수한 박테리아 종이 매일 무수 곱하기 무수 개의 개체를 낳았다는 걸 생각하면, 셰익스피어는 태어나지 않을 수가 없었겠다는 느낌이 든다. 사이아노박테리아는 분자 하나하나, 세포 하나하나가 한시도 거르지 않고 무려 수억 년간 산소를 뿜어냈고, 결국, 메탄, 이산화탄소, 그리고 약간의 에탄(탄소 원자 두 개가 든 탄화수소 기체)이 지배하던 대기를 극적으로 뒤엎었다. 어쩌면 상식이란 별일 아닌 일을 파고들 때 무너지는 것인지 모른다.(64~65쪽)

알고 보면, 생명이 탄산칼슘 껍데기를 만드는 법을 어떻게 터득했는가는 부차적인 문제다. 그에 앞서 유기체는 껍데기를 만들지 ‘않는’ 법을 터득했다. 선캄브리아대의 끈적끈적한 생명 입장에서는, 강물이 이산화탄소와 칼슘, 마그네슘을 잔뜩 끌고 바다로 흘러드는 상황에서 광물의 결정성장 받침대가 될 운명을 예사로이 피하기가 어려웠을 수밖에 없다. 세포와 조직은 하릴없이 탄산칼슘 생성에 촉매 역할을 했다. 졸다 깼더니 자기 목과 어깨에 석회석이 덕지덕지 붙어 자라나고 있다고 상상해보라. 이때 취할 수 있는 방법은 둘 중 하나다. 바셀린을 듬뿍 발라 더는 뭐가 자라지 못하게 하는 것, 아니면 건강한 삶과 2세를 볼 기회를 포기하고 그냥 놔두는 것이다. 광물의 성장을 막는 어떤 메커니즘을 취한다면, 그 유기체는 자연선택의 체를 어렵지 않게 통과할 수 있었다. 살아남은 것들에는 점액 비슷한 물질을 분비해 석회화를 막는 능력이 있었던 것으로 보인다. 분비물을 내는 유기체가 확실한 생존 능력을 보이자, 그 돌연변이가 다음 세대로 계속 전해졌다. 후손들은 이 기술을 타고났다. 탄산칼슘 결정성장에서 슬쩍 빠져나오는 능력은 생명의 ‘보급형’ 화학이 되었으니, 이것이 수천만 년 전의 공통 조상들로부터 갈라져 나온 유기체들의 공통 특성이었다.(90쪽)