탄소 교향곡 '생명 탄소의 순환' 로버트 헤이즌

[문형철]

탄소는 어디에나 있다

종이, 글자, 접착제, 신발 가죽, 옷, 선글라스, 염료, 휘발유, 나무, 대리석, 음식, 맥주, 아스피린, 카페인, 코카인...

탄소는 생명의 근원이다

피부, 머리카락, 피와 뼈, 살과 힘줄 모두 탄소다

세포, 세포소기관 모두가 견고한 탄소 골격으로 이루어져 있다

우리는

탄소행성에 사는 탄소 생명체다

탄소는

행성, 생명체, 그리고 지구 생명체 진화, 인류진화의 중심에 서 있다. 

우리는 왜 탄소에 주목할까?

많기로 따지면 수소를 따를 원소가 없고

헬륨은 안정적이며

산소는 반응성이 무척 큰데도 말이다. 

철, 황, 인, 나트륨, 칼슘, 질소 모두 자못 흥미로운 연기자들이다. 

100가지가 넘는 화학원소 중 탄소는 

인간의 열망을 반영하는 한편 두려움의 대상이다

해마다 새롭게 발견되는 어마어마한 수의 탄소 기반 소재들

클리넥스, 스판덱스, 프레온, 폴리에틸렌, 바세린, 스카치 테이프

우리의 삶을 크게 향상시켰다.

하지만

오존층에 구멍이 뚫리고 

치명적인 알레르기 반응이 일어나거나 많은 발암물질이 등장했다. 

모든 생체분자의 토대로서 

인류와 지구생명체의 복지 및 지속 가능성에 이처럼 큰 공헌을 한 원자는 없다.

탄소 순환은 

지구 기후를 안정시키고, 생태계의 건강을 보장하는 한편

값싸고 풍부한 에너지를 제공한다. 

화산폭발, 소행성 충돌, 숲의 소실, 석탄연소

자연이나 인간 활동으로 탄소 원자 분포가 흐트러지면 기후가 변화하고 생태계가 붕괴될 수 있다.

탄소 이야기는 모든 것의 이야기다

어디에나 있고 없어서는 안될 이 원소는 비밀도 많다. 

우리는 지구가 얼마나 많은 탄소를 소장하고 있는지 모른다

행성 깊숙이 숨겨진 다양한 형태의 탄소를 완전히 이해하지도 못한다.

순환하는 탄소 원자의 움직임을 제대로 알지 못하며

그 움직임이 40억년 지구 역사의 Deep time를 어떻게 변화시켰는지 모른다. 

생명의 기원 연구

10년이 지나고 목표는 초과달성

50개국 1천여명의 과학자로 구성된 국제탄소연구자 함대가 

지구 탄소의 신비를 캐고 있다. 

...

어떻게 탄소의 이야기를 한권의 책에 함축할 수 있을까?

...

교향곡을 써보세요

...

나는 수백명에 이르는 동료들의 작업 덕에 이 글을 쓰게 되었지만

탄소 이야기는 기본적으로 내 개인적인 구술작업이다. 

침묵

우주 이전은 텅빈

아무것도-물질이나 빛, 심지어 공간조차 없다

어떤 단서도 없다

생각도, 발견도, 예술도, 음악도, 희망과 꿈도 없다

다만 어둠과 고요가 있을 뿐

우리는 모든 것의 부재

그러한 절대적인 무를 헤아릴 수 없다.

시간 이전의 시간은 

우리의 물리법칙을 넘어 미지의 안개속에 신비롭게 서 있다.

그것은 

탄소, 모든 것의 출현

이전의 시대

제 1악장

흙 : 탄소, 결정의 원소

창조의 순간!

시간과 공간은 무에서 나온다

모든 것의 우주적 본질은 한순간에 나타난다

공허에서 생겨난 순수한 에너지 소용돌이 틈에서

우리 우주는 농축된 세상에서 태어났다

농밀하고 뜨겁고 상상할 수 없을 정도로 작았지만

그것은 팽창했다

빛보다 빠르게 부피를 창조하고 성장하며 식어갔다

식을수록 틀이 다져진 우주는 

더 친숙하고 더 집다워졌다.

서곡 - 지구이전

웅장한 탄소 교항곡은 138억년 전 창조의 새벽, 짧고 광적인 전주곡으로 시작되었다.

빅뱅 이후 짧은 시기에는 그 어떤 종류의 원자도 우주를 수놓지 못했다. 

너무 뜨겁고 무자비하게 폭력적이었던 환경 탓이다. 

물질과 에너지의 조밀하고 과열된 압축점이 팽창하며 차가워지는 동안 

기본입자는 별, 행성, 생명체의 구성원으로 스스로를 자리매김했다. 

빅뱅이후 3분에서 20분 사이 17분간의 시간

https://www.nature.com/articles/s41467-024-45474-x

17 fm/c (약 17분 부분)에서 무슨 일이 일어나나요?

이 시점이 그래프에서 가장 중요한 순간 중 하나예요.

1. Deuteron (d, 중수소 핵 = 양성자 1 + 중성자 1)
   • 파란색과 주황색 선이 거의 붙어 있어요.
   • 즉, 17 fm/c쯤 되면 deuteron 숫자가 초기 값에서 거의 변하지 않고 그대로 유지됩니다.
   • 실험 데이터(빨간 점)와도 잘 맞아요. → 재산란이 deuteron에는 거의 영향을 주지 않는다는 뜻입니다.
2. Triton (³H, 삼중수소 핵 = 양성자 1 + 중성자 2)
   • 파란색 선은 높게 올라가서 그대로 유지되지만,
   • 주황색 선은 17 fm/c 이후에 확 내려갑니다.
   • 실험 데이터와 주황색 선이 잘 맞아요. → 재산란 때문에 triton 숫자가 크게 줄어든다 (약 1.8배 정도 감소).

왜 17 fm/c가 중요할까? (쉬운 비유로 설명)

충돌 직후에는 매우 뜨겁고 밀도가 높은 쿼크-글루온 플라스마(QGP)라는 이상한 상태가 생깁니다. 이 상태가 식으면서 약 10~15 fm/c쯤에 일반 입자(하드론)들로 바뀝니다. (이걸 하드로니제이션이라고 해요)

그 후 15~20 fm/c (특히 17 fm/c 주변)부터는 시스템이 계속 팽창하고 식으면서 입자들이 서로 부딪히는 재산란(re-scattering) 단계가 본격적으로 시작됩니다.

• 이 때 피온(π, 가장 가벼운 입자)이 엄청 많이 존재해요.
• 피온이 촉매 역할을 하면서 다체 반응(π + N + N + N ↔ π + ³H, π + N + d ↔ π + ³H 등)을 일으킵니다.
• Triton은 결합이 상대적으로 약해서 이런 충돌에 쉽게 깨지거나 (파괴되거나) 영향을 받습니다. 그래서 숫자가 줄어요.
• Deuteron은 상대적으로 더 단단하거나, 생성과 파괴가 균형을 잘 이뤄서 숫자가 거의 안 변합니다

빅뱅 초기에 만들어진 

10에 64승 개의 탄소원자는 지금 어디에 있는 것일까?

우리 몸에는

10에 24승개 이상의 탄소원자가 들어있다.

...

빅뱅으로 탄생한 수소와 헬륨의 거대한 소용돌이 구름이 

중력에 의해 한데 모여

점점 더 크고 빛나는 구체로 거듭나며 태곳적 별이 탄생했다.

별은 화학적 진화의 엔진이다

항성 내부의 고온과 압력의 영향을 받아 수소는 헬륨으로

세개의 헬륨 핵은 탄소로 융합된다. 

...

130억년이 넘는 시간이 지나는 동안

항성주기가 여러 차례 되풀이되었다.

그 결과 우리 태양계를 빚는데 사용될 결정의 원자

탄소가 넉넉히 축적되었다.

지구의 출현과 진화

탄소는 무리짓기를 좋아한다.

그들은 최대 4개의 다른 원자와 결합할 수 있다.

결합하고자 하는 필사적 욕망의 결과인 탄소화학은 우주 탄생 초기부터 시작되었다. 

원시대기

대부분의 원시 탄소원자는 4개의 동반자를 빠르게 붙들어 메탄CH4 분자를 만들었다. 

탄소와 강하게 결합하는 반응성 원소는

바로 산소다

..

다이어몬드

흑연

..

자연계의 탄소함유 결정 대다수가

접근 가능한 지표면 근처 영역에서 발견된 것은 극히 자연스러운 일이다. 

그러나 우리는 지구가 눈에 보이지 않는 더 깊은 광물학적 비밀

- 맨틀과 핵의 극한 온도와 압력에서 담금질된 결정-

을 간직하고 있다는 사실을 잘 알고 있다. 

깊은 지구 속의 탄소

탄소 세계

..

우리가 더 많은 지구같은 행성을 탐색하면 할수록

우리는 진짜로 지구같은 행성은 지구 딱 하나뿐이라는 변함없는 결론에 도달한다.

제 2악장

공기 : 탄소, 순환의 원소

지구는 우리 삶의 틀이다

농작물을 심고

집을 짓고 살다 묻힌다

탄소는 끝간데 없이 다양한 결정으로 광물 왕국의 번성으로

신물질의 발견으로 탄소는 지구의 틀을 빚는다

...