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지진이 일어나지 않으면 어떻게 될까?

2023년 튀르키예와 시리아 접경 지역에서 발생한 대지진은 인류에게 막대한 피해를 입히며 지진의 공포를 다시금 각인시켰습니다. 지진은 건물을 붕괴시키고 쓰나미를 일으키는 등 파괴적인 힘을 지니고 있지만, 그 근원을 따라가 보면 지구가 살아있는 행성임을 증명하는 열쇠를 발견하게 됩니다. 지구 중심부의 핵은 막대한 열에너지를 방출하며 내부 물질의 열대류를 일으킵니다. 뜨거운 물질은 상승하고 차가운 물질은 하강하는 이 거대한 흐름은 지구의 겉 부분인 암석권을 움직이게 만드는 원동력이 됩니다. 지구의 암석권은 여러 개의 판으로 나뉘어 있으며, 이 판들은 지구 내부의 열과 중력에 의해 끊임없이 판 운동을 합니다. 지진은 주로 이 판들이 서로 맞닿는 경계부에서 발생하는데, 특히 밀도가 높은 판이 낮은 판 아래로 파고드는 섭입대에서 강력한 지진이 자주 관측됩니다. 섭입대에서는 지표면부터 지하 깊숙한 곳까지 다양한 깊이에서 응력이 집중되며 인류 역사상 가장 규모가 큰 지진들이 발생해 왔습니다. 반면 판이 서로 멀어지는 해령 부근에서는 상대적으로 얕은 깊이의 지진이 주로 발생하며 새로운 지각이 형성되기도 합니다. 전 세계 지진의 약 90%는 판의 경계에서 발생하지만, 나머지 10%는 판의 내부에서 일어납니다. 판 내부 지진은 경계부보다 발생 빈도는 낮지만, 과거에 형성된 단층이 새로운 응력을 받아 재활성화되면서 발생하기에 그 원인이 더욱 복잡한 경우가 많습니다. 이외에도 마그마의 이동으로 인한 화산 지진이나 인간의 활동으로 발생하는 인공 지진 등 지진의 형태는 매우 다양합니다. 결국 지구상의 모든 지역은 과거 어느 시점에든 지진을 경험했을 것이며, 판 운동이 지속되는 한 지진으로부터 완전히 자유로운 곳은 존재하지 않는다고 볼 수 있습니다. 만약 지구 내부의 열대류가 멈추고 판 운동이 중단된다면 어떤 일이 벌어질까요? 지진이 발생하지 않는다는 것은 지구가 활동성을 잃었음을 의미합니다. 판 운동이 멈춘 지구는 화성이나 금성처럼 단일 판으로 이루어진 행성이 될 것이며, 대기에 의한 침식과 풍화 작용으로 인해 지표면은 점차 평평해질 것입니다. 과학자들은 화성과 금성의 지질 구조를 연구함으로써 지구의 판 운동이 어떻게 시작되었고 지속되는지를 역으로 추적하고 있습니다. 이러한 연구는 지구가 다른 행성들과 달리 어떻게 독특한 지질학적 특성을 유지해 왔는지 이해하는 데 중요한 단서를 제공합니다. 지진은 우리에게 큰 재앙을 가져다주기도 하지만, 역설적으로 생명체가 살 수 있는 환경을 조성하는 데 필수적인 역할을 합니다. 판 운동은 탄소를 순환시켜 미생물부터 동식물에 이르기까지 생명 활동에 필요한 원소를 공급하며, DNA와 단백질 합성에 기여합니다. 즉, 지진은 지구가 여전히 뜨겁게 살아있으며 생명을 품을 수 있는 역동적인 시스템을 갖추고 있다는 증거인 셈입니다. 지진의 위험에 대비하는 동시에, 우리는 이 거대한 자연 현상이 지구 생태계를 유지하는 근본적인 메커니즘의 일부라는 사실을 기억해야 합니다.

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지구환경과학

[강연] 안진호_빙하에 숨겨진 공기 방울｜제32회 서울대 자연과학 공개강연_"과학의 탐험" | 1강

빙하는 과거의 대기 성분을 고스란히 간직하고 있는 천연 타임머신입니다. 남극이나 그린란드의 거대한 얼음층 속에는 수많은 공기 방울이 갇혀 있는데, 이는 눈이 쌓여 얼음으로 변하는 과정에서 당시의 공기가 함께 봉인된 것입니다. 과학자들은 이 작은 공기 방울을 추출하여 수십만 년 전의 기온 변화와 온실가스 농도를 정밀하게 분석합니다. 이를 통해 우리는 지구가 과거에 어떤 기후 변화를 겪었는지, 그리고 현재의 온난화가 얼마나 이례적인 현상인지 이해할 수 있는 중요한 단서를 얻게 됩니다. 빙하가 형성되는 원리는 매우 흥미롭습니다. 매년 내리는 눈이 겹겹이 쌓이면 하층부의 눈은 상층부의 무게에 눌려 점차 다져지게 됩니다. 약 50~100미터 정도의 두께가 되면 눈송이 사이의 틈이 완전히 닫히며 단단한 얼음으로 변하는데, 이때 공기가 빠져나가지 못하고 방울 형태로 남게 됩니다. 이렇게 만들어진 공기 방울은 외부와 차단된 채 수만 년 이상의 시간을 견뎌냅니다. 과학자들은 특수 장비를 이용해 얼음을 깨뜨리거나 녹여 이 공기를 추출하며, 이는 과거 지구의 대기 상태를 직접 확인할 수 있는 유일한 방법입니다. 지난 80만 년 동안의 기록을 살펴보면 이산화탄소, 메테인, 아산화질소와 같은 주요 온실가스 농도는 빙하기와 간빙기의 주기적 변화와 밀접하게 연동되어 왔습니다. 따뜻한 시기에는 농도가 높았고 추운 시기에는 낮아지는 경향을 보였으나, 최근 100년 사이의 변화는 과거의 자연적인 변동 범위를 완전히 벗어났습니다. 화석 연료 사용과 농축산업의 확대로 인해 온실가스 농도가 급격히 상승한 것입니다. 이러한 급격한 변화는 지구가 수십만 년 동안 경험하지 못한 새로운 환경적 위협으로 다가오고 있으며, 기후 시스템의 불안정성을 초래하고 있습니다. 온실가스 배출이 멈춘다고 해서 기후 위기가 즉각 해결되는 것은 아닙니다. 인류가 배출한 이산화탄소의 절반 정도는 대기에 남고 나머지는 해양과 육상으로 흡수되는데, 지구 온도가 상승하면 이러한 자연의 흡수 능력이 약화될 수 있습니다. 특히 영구 동토층이 녹으면서 그 안에 갇혀 있던 유기물이 분해되어 막대한 양의 온실가스가 추가로 방출되는 '되먹임 효과'가 발생할 수 있습니다. 이는 인간의 통제를 벗어난 가속화된 온난화를 유발할 수 있으므로, 과학자들은 빙하 연구를 통해 이러한 복잡한 탄소 순환 체계를 정밀하게 모델링하고 예측하려 노력합니다. 해수면 상승은 인류가 직면한 가장 확실하고도 장기적인 미래입니다. 이산화탄소 농도가 낮아지더라도 바닷물이 데워지며 발생하는 열팽창과 거대한 빙하가 녹는 과정은 수백 년에서 수천 년에 걸쳐 서서히 진행되기 때문입니다. 남극과 그린란드의 빙하가 모두 녹는다면 해수면은 무려 60미터 이상 상승할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 비록 당장 일어날 일은 아니지만, 우리가 현재 내리는 결정과 행동에 따라 해수면이 상승하는 속도와 최종적인 높이가 결정됩니다. 이는 미래 세대의 생존 환경을 결정짓는 중대한 사안입니다. 빙하 연구는 단순히 기후 변화를 추적하는 것에 그치지 않고 역사적 사건의 실마리를 제공하기도 합니다. 예를 들어 그린란드 빙하 속의 화산재 성분을 분석하면 약 1,000년 전 백두산 대폭발의 정확한 시기와 규모를 파악할 수 있습니다. 당시 화산 가스가 성층권 높이까지 도달하지 않았다는 사실을 밝혀냄으로써, 왜 그토록 거대한 폭발에도 불구하고 전 지구적인 기온 하강이 크지 않았는지에 대한 의문을 풀 수 있었습니다. 이처럼 빙하는 지구 곳곳에서 일어난 자연재해와 환경 변화의 기록을 세밀하게 저장하고 있는 거대한 도서관과 같습니다. 이제 과학자들의 시선은 더 먼 과거와 우주로 향하고 있습니다. 100만 년 이전의 기후 기록을 찾기 위해 남극의 '블루 아이스' 지역을 탐사하며, 빙하기 주기가 변하게 된 근본적인 원인을 규명하려 합니다. 또한 지구의 빙하와 영구 동토층에서 일어나는 미생물 활동과 화학 반응 연구는 화성이나 목성의 위성 유로파와 같은 외계 얼음 행성에서의 생명체 존재 가능성을 해석하는 데 중요한 기초 자료가 됩니다. 극한의 환경에서 묵묵히 연구를 이어가는 과학자들의 노력은 지구의 미래를 예측하고 인류의 지평을 우주로 넓히는 소중한 밑거름이 될 것입니다.

안진호

카오스재단카오스크로스

지구환경과학

[연구뭐하지?] 해양 환경에서 성공적으로 생존하기? 미생물 입장에서 생각해보기_황청연 교수 | 서울대학교 "미생물해양학 연구실"

해양 생태계에서 미생물은 전체 생물량의 약 3분의 2를 차지할 정도로 압도적인 비중을 차지하고 있습니다. 이들은 눈에 보이지 않을 만큼 작지만, 해양의 먹이망을 유지하고 지구의 물질 순환을 조절하는 핵심적인 역할을 수행합니다. 특히 탄소 순환 과정에 깊이 관여하여 지구 온난화와 기후 변화를 예측하는 데 중요한 지표가 됩니다. 미생물 해양학은 이러한 미생물들의 종 다양성을 이해하고, 이들이 환경과 어떻게 상호작용하며 생태적 기능을 수행하는지 탐구하는 학문입니다. 최근 미생물 해양학 연구는 단순히 존재를 확인하는 수준을 넘어, 새로운 미생물을 분리 배양하고 유전체 분석을 통해 이들의 환경 적응 기작을 밝히는 데 집중하고 있습니다. 특히 동식물 플랑크톤부터 남극의 물범에 이르기까지 다양한 해양 생물과 공생하는 미생물에 대한 연구가 활발히 진행 중입니다. 이러한 공생 미생물들은 숙주 생물의 생존과 건강에 밀접한 영향을 미치며, 이는 곧 해양 생태계 전체의 건강성과 직결됩니다. 미생물이라는 미시적인 세계가 지구라는 거시적인 시스템에 미치는 영향력을 연구하는 것이 이 분야의 큰 매력입니다. 연구의 시작은 생생한 현장에서 이루어집니다. 연구자들은 동해, 서해, 남해는 물론이고 남극과 같은 극한의 환경까지 직접 찾아가 시료를 채집합니다. 연안의 갯벌에서 가슴 장화를 신고 진흙에 빠져가며 퇴적물을 채취하거나, 배를 타고 먼바다로 나가 해수를 길어 올리는 과정은 고되지만 필수적인 작업입니다. 현장에서 즉시 수온과 염분 등 환경 데이터를 측정하고, 미세한 구멍이 뚫린 필터지를 이용해 해수 속의 박테리아와 바이러스를 걸러내는 작업은 정밀한 분석을 위한 기초가 됩니다. 이러한 현장 활동은 실험실 안에서는 결코 얻을 수 없는 귀중한 데이터의 원천이 됩니다. 기술의 발달은 미생물 해양학 연구의 지평을 넓혀주고 있습니다. 과거에는 거대한 장비가 필요했던 유전체 분석이 이제는 휴대용 분석 장비를 통해 현장에서도 가능해졌습니다. 또한 대형 연구선을 이용한 대양 및 극지 탐사에서는 전 세계의 다양한 전문가들이 모여 공동 연구를 수행합니다. 몇 주 동안 선상에서 함께 생활하며 서로의 연구 분야를 공유하고 새로운 주제를 발굴하는 과정은 학문적 성장을 도모하는 소중한 기회가 됩니다. 이러한 협력은 복잡한 해양 생태계를 다각도에서 이해하고, 인류가 직면한 환경 문제에 대한 공동의 해답을 찾는 데 기여합니다. 훌륭한 미생물 해양학자가 되기 위해서는 미생물의 입장에서 세상을 바라보는 풍부한 상상력이 필요합니다. 자원이 제한된 척박한 해양 환경에서 미생물이 살아남기 위해 어떤 생존 전략을 세웠을지 고민하는 과정이 중요하기 때문입니다. 또한 반복되는 실험의 실패에도 좌절하지 않는 끈기와 섬세함, 그리고 지적 호기심을 행동으로 옮기는 실천력이 요구됩니다. 현장과 실험실을 오가며 얻은 직관적인 이해는 연구를 더욱 풍성하게 만들며, 작은 미생물을 통해 지구 전체를 이해하려는 열정은 미래 해양 과학을 이끄는 원동력이 됩니다.

황청연

카오스재단연구뭐하지

생명과학

10년 안에 인간은 멸종한다!?😟 싸돌이와 함께 🍀탄소C그널🍀을 관람하세요!ㅣ과학관에 산다

기획 전시실에 들어서면 평범해 보이는 우유곽이 눈에 띕니다. 하지만 이 우유곽은 단순한 전시 소품이 아니라, 전시가 끝난 후에도 해체하여 재활용할 수 있도록 설계된 친환경적 요소입니다. 전시 폐기물을 최소화하려는 의도가 담겨 있어, 지속 가능한 전시의 새로운 방향을 제시합니다. 이러한 세심한 준비는 관람객들에게 환경 보호의 중요성을 자연스럽게 전달합니다. 전시장 내부로 들어가면 거울로 둘러싸인 공간이 펼쳐집니다. 이곳에서는 탄소의 다양한 동소체와 그 응용에 대해 소개합니다. 흑연처럼 익숙한 탄소부터, 머리카락보다 얇은 두께로 만들어진 신소재, 플로렌과 탄소 나노튜브까지, 탄소가 우리 생활 속에서 얼마나 다양하게 활용되는지 알 수 있습니다. 이 신소재들은 강도와 경량성을 동시에 지녀, 미래 산업에서 중요한 역할을 하고 있습니다. 다음 전시 공간에서는 지구에 존재하는 모든 생명체와 물질에 탄소가 포함되어 있음을 보여줍니다. 거미의 외골격인 키틴질에도 탄소가 들어 있으며, 이는 자연계에서 탄소가 얼마나 널리 분포되어 있는지를 상기시켜 줍니다. 또한, 롤링볼을 통해 탄소 순환 시스템의 원리를 시각적으로 표현합니다. 산업혁명 이후 이산화탄소 배출이 급증하면서 탄소 순환이 위기를 맞았다는 점도 강조됩니다. 이어지는 공간에서는 지난 120년간의 지구 평균 기온 변화를 시각적으로 확인할 수 있습니다. 줄무늬로 표현된 온도 변화는 1990년대 이후 뚜렷하게 빨갛게 변하는 모습을 보여줍니다. 이는 지구 온난화가 점점 심각해지고 있음을 상징적으로 드러냅니다. 이러한 데이터는 기후 변화의 현실을 직관적으로 이해할 수 있게 해줍니다. 마지막으로, 고래와 돌고래의 골격을 통해 바다에서의 탄소 저장 역할을 소개합니다. 대왕고래 한 마리는 33톤의 이산화탄소를 저장할 수 있으며, 죽어서 심해로 가라앉을 때 이산화탄소가 해저에 저장됩니다. 이러한 역할 때문에 고래는 '블루 카본'으로 불리며, 해양 생태계가 탄소 중립에 기여하는 중요한 존재임을 알 수 있습니다. 출구로 향하는 좁은 길은 탄소와 동행하는 길이 어렵지만, 희망을 잃지 말아야 한다는 메시지를 전합니다.

국립과천과학관💙싸돌이💙

화학
생명과학
지구환경과학
융합

도시의 미래 유전, 버려지는 👉플라스틱👈을 분해해 다시 연료로!!🤷ㅣ2023 미래 과학 트렌드 출간기념 강연

플라스틱은 현대 사회에서 없어서는 안 될 소재로 자리 잡았습니다. 그 기원은 1869년 셀룰로이드라는 이름으로 처음 등장했으며, 상아 당구공을 대체하기 위해 개발되었습니다. 비록 당구공 대체에는 실패했지만, 이후 다양한 플라스틱 제품의 시초가 되었습니다. 1909년에는 최초의 합성 플라스틱인 베이클라이트가 개발되면서 플라스틱의 활용 범위가 크게 확장되었습니다. 플라스틱이라는 이름 자체가 라틴어에서 유래했듯이, 열을 가하면 다양한 형태로 성형이 가능해 일상생활 곳곳에서 널리 사용되고 있습니다. 플라스틱의 편리함과 저렴한 생산 비용은 우리 생활을 풍요롭게 했지만, 동시에 심각한 환경 문제를 야기하고 있습니다. 2019년 기준으로 플라스틱의 재활용률은 9%에 불과하며, 나머지는 소각, 매립 또는 무단 폐기되어 해양 오염의 주범이 되고 있습니다. 특히 바다로 흘러 들어간 플라스틱 쓰레기는 태평양에 거대한 쓰레기 섬을 형성하고 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 생분해성 플라스틱이나 플라스틱을 원래 자원으로 되돌리는 다양한 기술들이 개발되고 있습니다. 플라스틱의 기본 구조는 탄소 원자가 사슬처럼 연결된 고분자 형태입니다. 석유 역시 탄소 원자가 결합된 화합물로, 플라스틱과 석유는 기본적으로 같은 원료에서 출발합니다. 석유에서 플라스틱이 만들어지듯, 플라스틱을 분해하면 다시 석유로 되돌릴 수 있다는 점이 주목받고 있습니다. 이러한 열분해 기술은 오랜 시간 연구되어 왔으며, 최근 들어 상용화 단계에 접어들었습니다. 애니메이션 '미래소년 코난'에서도 플라스틱을 분해해 석유로 만드는 상상력이 등장할 만큼, 플라스틱의 재활용 가능성은 오래전부터 주목받아 왔습니다. 실제로 플라스틱을 열분해하면 다양한 부산물이 발생하지만, 정제 과정을 거치면 연료뿐만 아니라 새로운 플라스틱의 원료로도 활용할 수 있습니다. 이는 플라스틱이 미래 도시의 새로운 유전이 될 수 있다는 가능성을 보여줍니다. 플라스틱 열분해 기술이 환경 문제 해결의 대안으로 떠오르고 있지만, 아직 생산 단가가 높고 대량 생산에는 한계가 있습니다. 따라서 당분간은 플라스틱의 재활용률을 높이고, 사용량을 줄이는 것이 현실적인 해결책입니다. 탄소의 순환 시스템이 깨지면서 기후 변화와 같은 문제도 심화되고 있기 때문에, 플라스틱 문제는 단순한 쓰레기 처리 이상의 의미를 갖습니다. 앞으로도 다양한 기술 개발과 함께, 일상에서의 실천이 병행되어야 할 것입니다.

국립과천과학관책📖저자강연

화학
지구환경과학
융합

[강연] 식물과 기후변화 _ 박연일, 강호정, 김광형, 김상규 ㅣ 2022 봄 카오스강연 '식물행성' 10강 카오스 콘서트 | 10강

식물은 정적인 존재처럼 보이지만, 사실 화학 물질이라는 정교한 언어를 통해 주변 세계와 끊임없이 소통하고 있습니다. 꽃향기는 단순히 인간의 코를 즐겁게 하기 위함이 아니라, 나비나 벌 같은 화분 매개자를 유혹하거나 자신을 갉아먹는 적을 물리치기 위한 전략적 메시지입니다. 카페인이나 니코틴 같은 물질 역시 식물이 스스로를 보호하기 위해 만들어낸 독성 물질의 일종입니다. 이러한 화학적 상호작용을 연구하는 화학 생태학은 식물이 자연이라는 거대한 네트워크 속에서 어떻게 관계를 맺고 생존해 나가는지를 해독하는 중요한 열쇠가 됩니다. 식물의 광합성은 지구 생명 역사의 근간을 이루는 가장 혁명적인 사건 중 하나입니다. 약 30억 년 전 남세균의 출현으로 시작된 산소 방출은 대기 성분을 완전히 바꾸어 놓았으며, 이는 에너지 효율이 높은 진핵생물과 다세포 생물이 등장할 수 있는 토대가 되었습니다. 하지만 산소의 등장은 당시 산소에 적응하지 못한 수많은 미생물에게는 대참사이기도 했습니다. 오늘날 식물은 엽록소와 루비스코 같은 정교한 단백질 복합체를 통해 태양 에너지를 유기물로 전환하며, 지구 탄소 순환의 핵심적인 역할을 수행하고 있습니다. 대기 중 이산화탄소 농도가 급격히 상승하면서 식물의 생리적 반응에도 변화가 나타나고 있습니다. 흔히 이산화탄소가 많아지면 식물이 더 잘 자랄 것이라 기대하지만, 실제로는 키가 크기보다는 전분과 같은 당분 함량만 높아지는 일종의 '당뇨병' 상태에 빠지기 쉽습니다. 특히 습지 생태계에서는 높아진 이산화탄소 농도로 인해 메탄과 같은 온실가스 배출이 오히려 증가하는 부작용이 관찰되기도 합니다. 이는 단순히 나무를 많이 심는 것보다, 탄소가 땅속 유기물로 얼마나 안정적으로 저장될 수 있는지를 이해하는 것이 기후 위기 대응에 더 중요함을 시사합니다. 농업은 기후 변화의 최전선에서 가장 먼저 타격을 받는 분야이며, 이는 사회 전반으로 번지는 '방아쇠 효과'를 유발할 수 있습니다. 역사적으로 기후 변화로 인한 농업 생산성 저하는 기근과 전염병을 넘어 전쟁과 국가의 멸망으로 이어지는 연쇄적인 비극을 초래해 왔습니다. 아일랜드 대기근이나 프랑스 대혁명 같은 역사적 사건들은 이상 기후가 인류 문명의 존립을 어떻게 위협하는지 잘 보여줍니다. 따라서 현대의 농업은 단순한 생산 증대를 넘어, 기후 변화에 적응하고 탄소 배출을 완화하는 '기후 스마트 농업'으로의 전환이 절실한 시점입니다. 현재 지구는 과거 다섯 차례의 대멸종에 버금가는 생물 다양성 위기에 직면해 있습니다. 기온 상승 속도가 생물들의 적응 능력을 앞지르면서 수많은 종이 사라지고 있으며, 이는 생태계 서비스의 붕괴로 이어집니다. 특히 꿀벌과 같은 화분 매개자의 감소는 식물의 번식과 인류의 식량 안보에 직접적인 위협이 됩니다. 자연이라는 실험실이 사라지기 전에 우리는 우리 주변의 생태계가 어떻게 구성되어 있고 어떤 변화를 겪고 있는지 더 정밀하게 관찰하고 기록해야 합니다. 자연을 아는 것이 보호의 첫걸음이기 때문입니다. 인류는 과학 기술을 통해 기후 위기를 극복할 수 있다는 낙관론과 시스템의 한계로 인해 멸망을 피할 수 없다는 비관론 사이에서 치열하게 논쟁하고 있습니다. 탄소 포집 기술이나 신재생 에너지의 발전은 희망적인 신호를 주지만, 자본주의 경제 체제 아래에서의 무분별한 개발과 자국 우선주의는 전 지구적 공조를 어렵게 만듭니다. 기술적 해결책이 실질적인 효과를 거두기 위해서는 생태계의 복잡한 메커니즘에 대한 깊은 이해와 더불어, 인류 전체의 위기의식 공유와 행동 변화가 반드시 뒷받침되어야 합니다. 식물행성이라는 이름 아래 진행된 탐구는 결국 인간이 지구라는 거대한 생태계의 일원임을 다시금 깨닫게 해줍니다. 식물의 언어를 이해하고, 광합성의 신비를 풀며, 기후 변화에 대응하는 모든 노력은 인류의 지속 가능한 미래를 위한 필수적인 과정입니다. 자연을 단순히 이용의 대상으로 보지 않고, 함께 공존해야 할 파트너로 인식할 때 비로소 우리는 기후 위기라는 거대한 파도를 넘을 수 있을 것입니다. 작은 곤충의 이름 하나를 아는 것에서 시작되는 관심이 모여 지구의 푸른 생명력을 지키는 거대한 힘이 되기를 기대합니다.

강호정, 김광형, 김상규, 박연일

카오스재단카오스강연

생명과학

[인터뷰] 강호정_땅속 미생물이 인간이 배출하는 CO2의 5배 이상 배출한다? | 2022 봄 카오스강연 '식물행성(plant planet)'

흙 속 미생물과 기후 변화를 연구하는 생태학의 세계에서 가장 주목받는 식물 중 하나는 '스파그넘'이라 불리는 물이끼입니다. 이 식물은 화려한 꽃도 없고 성장 속도도 매우 느리지만, 죽은 뒤에도 잘 썩지 않고 땅속에 층층이 쌓이는 독특한 성질을 지니고 있습니다. 주로 춥고 축축한 북미나 시베리아 지역에 분포하며, 광합성을 통해 흡수한 탄소를 장기간 저장하는 중요한 역할을 수행합니다. 기후 변화 대응의 핵심인 탄소 저장고로서 물이끼의 가치는 매우 높습니다. 지표면의 극히 일부만을 차지하는 습지는 지구 생태계의 거대한 스펀지와 같습니다. 비가 많이 올 때는 물을 머금어 홍수를 예방하고, 가뭄 시에는 저장했던 물을 조금씩 내보내 피해를 줄이는 조절 능력을 발휘합니다. 또한 수많은 동식물이 서식하는 생물 다양성의 보고이자, 전 지구적인 탄소 저장고로서 인류 문명사적으로도 막대한 가치를 지닙니다. 철새들이 긴 여정 중에 쉬어가는 기착지 역할까지 수행하며 지구의 생명력을 유지하는 데 기여하고 있습니다. 기후 변화로 인한 온도 상승은 땅속 미생물의 호흡을 가쁘게 만들어 탄소 분해를 가속화합니다. 이는 대기 중으로 더 많은 이산화탄소를 배출하는 결과를 초래하며, 강수량 변화에 따른 미생물 구성의 변화는 환경에 또 다른 연쇄 반응을 일으킵니다. 특히 미생물이 매년 내뿜는 이산화탄소의 양은 인류가 화석 연료를 태워 발생하는 양의 5배가 넘습니다. 메탄이나 아산화질소 같은 강력한 온실기체 발생에도 핵심적인 역할을 하기에 미생물 연구는 기후 위기 해결의 열쇠가 됩니다. 생태학은 실험실 안의 분석을 넘어 자연 그 자체를 연구 대상으로 삼는 학문입니다. 연구자들은 야외 조사지에서 장기간 생태계의 변화를 관찰하고, 때로는 인위적으로 온도를 높이거나 이산화탄소를 살포하여 미래 환경을 모사하는 조작 실험을 수행합니다. 현장 조사와 실험실 분석, 그리고 방대한 데이터를 처리하기 위한 통계학적 방법론이 결합된 융합적인 성격을 띱니다. 이러한 다각적인 접근을 통해 우리는 기후 변화가 생태계 전반에 미치는 영향을 보다 정밀하게 예측할 수 있습니다. 우리가 눈으로 보는 식물의 모습은 빙산의 일각에 불과하며, 땅속에는 그만큼 거대한 뿌리 시스템이 존재합니다. 뿌리는 단순히 식물을 지지하고 영양분을 흡수하는 것을 넘어, 주변 미생물 및 다른 식물들과 복잡한 네트워크를 형성합니다. 최근 연구에 따르면 나무들은 균류를 매개로 화학적 정보를 주고받으며 서로 소통하고 자원을 공유합니다. 겉으로 보이는 초록빛 잎사귀만큼이나 보이지 않는 땅속에서 일어나는 역동적인 상호작용에 주목할 때 식물의 진면목을 이해할 수 있습니다.

강호정

카오스재단카오스강연

생명과학

[인터뷰] 박연일_인공광합성에 도전하는 ‘호모 솔라리우스(Homo Solarius)? | 2022 봄 카오스강연 '식물행성(plant planet)'

지구 생태계의 근간을 이루는 광합성은 단순한 생물학적 현상을 넘어 인류의 기원과 밀접한 관련이 있습니다. 충남대학교 박연일 교수는 40년 동안 남세균이라 불리는 미세조류를 연구하며 지구의 변화를 추적해 왔습니다. 남세균은 지구상에 산소를 공급함으로써 인간과 같은 고등 생물이 진화할 수 있는 토대를 마련한 존재입니다. 이들은 단순한 연구 대상을 넘어 지구 역사의 산증인이자 인류의 생존을 가능하게 한 소중한 동반자라고 할 수 있습니다. 생명의 시작과 진화의 과정을 이해하기 위해서는 이 작은 생명체가 일구어낸 광합성의 역사를 먼저 들여다보아야 합니다. 광합성 연구는 20세기 중반에 정점을 찍었으며, 생화학, 물리학, 공학 등이 어우러진 대표적인 다학제적 융합학문입니다. 하지만 우리나라는 기초과학 연구가 본격화된 시기가 다소 늦어 이 분야의 성숙기에 합류하는 데 어려움이 있었습니다. 광합성은 단순히 유전자를 찾는 수준을 넘어 복합적인 시스템을 이해해야 하는 고난도 분야이기에 오늘날 연구자들의 관심이 상대적으로 적은 편입니다. 그러나 기후위기 시대에 탄소순환의 핵심인 광합성의 가치는 더욱 커지고 있습니다. 다양한 학문적 배경을 가진 연구자들이 협력하여 광합성의 신비를 풀어나가는 집단 연구 체계가 절실한 시점입니다. 식물은 태양 에너지를 이용해 생명 활동에 필요한 에너지화폐인 ATP를 스스로 만들어냅니다. 인간이 음식물을 섭취하고 세포 호흡을 통해 에너지를 얻는 것과 달리, 식물은 광합성을 통해 대기 중 이산화탄소의 90% 이상을 고정하며 지구의 탄소순환을 주도합니다. 우리가 인식하지 못하는 사이에도 광합성은 대기순환과 에너지 공급의 중추적인 역할을 수행하고 있습니다. 이러한 독립영양방식은 식물이 지구 환경을 결정짓는 강력한 주체임을 보여줍니다. 결국 식물의 생존 전략을 이해하는 것은 지구 전체의 에너지 흐름을 파악하는 것과 같습니다. 최근 주목받는 인공광합성은 식물의 메커니즘을 모방하여 물을 분해하고 수소 에너지를 생산하려는 시도입니다. 빛을 포집하는 색소와 물 분해 기구, 수소화효소를 인공적으로 구현하는 것이 핵심입니다. 다만 현재 기술의 가장 큰 장벽은 빛에 의해 장치가 파괴되는 산화 현상입니다. 살아있는 식물은 손상된 부위를 스스로 수선하는 놀라운 보수 기능을 갖추고 있지만, 인공 장치에는 아직 이러한 시스템이 부재합니다. 이를 해결하기 위해서는 식물의 자가치유 메커니즘을 공학적으로 완벽하게 재현할 수 있는 혁신적인 기술적 돌파구가 마련되어야 합니다. 미래의 지구는 다시 한번 식물과 광합성에 의해 그 운명이 결정될 것입니다. 지구온난화와 기후변화 문제를 해결할 열쇠 역시 광합성에 대한 깊은 이해와 활용에 있습니다. 나아가 인류는 광합성 기구를 모방하거나 스스로 에너지를 생산하는 '호모 솔라리우스'로의 진화를 꿈꿀지도 모릅니다. 식물의 과거와 현재를 살피는 일은 단순히 지식을 쌓는 것을 넘어, 우리 후손들이 살아갈 미래의 생존 전략을 모색하는 가장 근본적인 과정이라 할 수 있습니다. 광합성은 과거의 유산이 아니라 인류의 지속 가능한 미래를 보장할 가장 강력한 생명 공학적 도구가 될 것입니다.

박연일

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생명과학

[질문Q] 인류세라는 위협 _지구의 미래는 '금성'입니다! l 2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 9강 l 인류세, 지구의 미래를 걱정한다

인류세라는 용어는 인간의 활동으로 인해 지구 환경이 현격하게 변화하고 있음을 상징합니다. 19세기 지질학자 찰스 라이엘이 홀로세를 제안했을 때 인류의 멸종을 전제하지 않았듯, 인류세 논의 역시 반드시 파국을 의미하는 것은 아닙니다. 다만 과거의 지질 시대들이 대멸종으로 끝났던 역사가 있기에, 현재의 급격한 변화가 인류에게 위협이 될 수 있다는 경고의 메시지로 받아들여야 합니다. 지질학적 기록 속에 이미 지난 200년의 흔적이 뚜렷하게 남겨져 있다는 사실은 우리가 처한 상황의 엄중함을 잘 보여줍니다. 현재 지구 온난화 대응의 핵심은 기온 상승을 2도 이내로 억제하는 것입니다. 이는 단순히 날씨가 더워지는 것을 막는 차원을 넘어, 빙하가 돌이킬 수 없이 녹아내리는 임계점을 넘지 않기 위한 절박한 노력입니다. 만약 육상의 빙하가 모두 녹는다면 해수면은 60미터 이상 상승하게 되며, 이는 인류 문명에 감당하기 힘든 재앙이 될 것입니다. 따라서 우리는 기온 상승의 속도를 늦추고 생태계가 적응할 수 있는 시간을 벌어야 합니다. 위기를 극복하고 지속 가능한 시대를 만들기 위한 완화 전략이 그 어느 때보다 절실한 시점입니다. 지구 온난화가 통제 불능의 상태에 빠진다면 우리의 미래는 금성과 닮은 모습이 될지도 모릅니다. 금성은 현재 90기압에 달하는 두꺼운 이산화탄소 대기로 인해 표면 온도가 500도에 육박하는 지옥 같은 환경입니다. 과거에는 금성도 생명체 거주 가능 구역에 속해 있었으나, 온실효과가 가속화되면서 바다와 암석 속의 탄소가 대기로 방출되어 현재의 모습이 되었습니다. 지각의 수분이 증발하여 판구조 운동이 멈추고 탄소 순환이 중단되는 파국적 시나리오는, 인위적인 이산화탄소 배출이 초래할 수 있는 가장 극단적이고도 경계해야 할 미래상입니다. 과거 지구 역사에는 '영거 드라이아스'라 불리는 급격한 기온 하강기가 존재했습니다. 빙하가 녹은 민물이 대량으로 북대서양에 유입되면서 해류의 순환이 멈추고, 온난화되던 지구가 다시 추위로 돌아섰던 사건입니다. 영화 '투모로우'의 과학적 배경이 되기도 한 이 현상은 기후 시스템의 복잡성과 취약성을 동시에 보여줍니다. 현재 우리가 겪는 변화의 가장 큰 문제는 그 속도가 과거의 자연적인 주기보다 훨씬 빠르다는 점입니다. 이러한 급격한 변화는 생물권의 적응 능력을 시험하며, 인류가 멸종에 대한 공포를 느끼게 만드는 근본적인 원인이 되고 있습니다. 기후 위기는 자연과학의 영역을 넘어 정치, 경제, 외교가 복잡하게 얽힌 인류 공동의 과제입니다. 몬트리올 의정서를 통해 오존층 파괴 문제를 해결해 나갔던 것처럼, 교토 의정서와 파리 협정은 지구를 보호하기 위한 국제 사회의 중요한 합의입니다. 비록 각국의 이해관계에 따라 험난한 과정이 예상되지만, 정치적 합의와 더불어 개개인의 실천적 노력이 반드시 병행되어야 합니다. 과학자들의 연구와 공학적 해결책, 그리고 대중의 지속적인 관심이 합쳐질 때 비로소 우리는 인류세의 위기를 지혜롭게 극복하고 다음 세대에게 안전한 지구를 물려줄 수 있을 것입니다.

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[질문Q] 다이아몬드가 생선 시체로 만들어졌다??ㅣ2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 2강ㅣ지구 내부로의 여행

지구의 가장 깊숙한 곳에 위치한 내핵은 인류에게 여전히 미지의 영역으로 남아 있습니다. 액체 상태인 외핵을 통과해야만 도달할 수 있는 특성 탓에 지진파의 정보가 많이 소실되어 연구에 큰 어려움이 따르기 때문입니다. 놀랍게도 내핵이 고체라는 사실이 밝혀진 지는 수십 년밖에 되지 않았으며, 지구의 나이가 46억 년인 것에 비해 내핵의 나이는 약 10억 년 정도로 추정되기도 합니다. 이는 지구가 충분히 식은 후에야 내핵이 형성될 수 있었음을 시사하며, 내핵의 존재 여부가 지구 자기장 형성에 결정적인 역할을 한다는 가설도 제기되고 있습니다. 지구 내부로 들어가는 해양 지각은 단순한 암석 덩어리가 아니라 지표의 다양한 원소들을 운반하는 거대한 컨베이어 벨트와 같습니다. 특히 탄소는 해양 지각을 따라 지구 깊은 곳으로 이동하는데, 여기에는 과거 바다에 살았던 생물들의 유해가 포함되어 있습니다. 이 유해들은 지하 약 150km 아래의 고온 고압 환경에서 상전이를 일으켜 흑연에서 다이아몬드로 변하게 됩니다. 우리가 흔히 보석으로 여기는 다이아몬드 중 상당수는 사실 아주 오래전 생명체의 기록을 품고 있는 셈이며, 이는 지권과 생물권이 밀접하게 연결되어 있음을 보여주는 증거입니다. 과학자들은 아주 오래전 지구의 대기 성분을 파악하기 위해 광물 속에 숨겨진 단서를 찾기도 합니다. 마치 영화 속에서 호박 속에 갇힌 모기를 통해 과거의 정보를 얻듯, 특정 광물상 안에는 수십억 년 전의 유체나 대기가 포획되어 남아 있는 경우가 있습니다. 최근에는 약 35억 년에서 45억 년 전의 고대 대기를 포함한 광물이 발견되었다는 보고가 있어 학계의 큰 관심을 끌었습니다. 이러한 발견은 단 하나의 증거만으로는 세우기 힘든 지구 초기 역사의 가설들을 뒷받침하는 중요한 근거가 되며, 지구의 진화 과정을 이해하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 지진파 중 S파는 액체를 통과하지 못하는 성질이 있지만, 고체인 내핵에서는 S파의 존재가 확인됩니다. 이는 외핵이라는 액체 층을 통과한 P파가 내핵과의 경계면에 도달했을 때, 그 성질이 일부 변환되어 S파로 다시 생성되기 때문입니다. 이러한 파동의 전환 현상은 내핵의 물리적 상태를 파악하는 결정적인 열쇠가 됩니다. 또한 내핵은 단순히 균일한 철 구슬 형태가 아니라 동반구와 서반구의 성질이 다르고 지진파가 통과하는 방향에 따라 속도가 달라지는 등 매우 복잡한 구조를 가지고 있음이 최근 연구를 통해 서서히 밝혀지고 있습니다. 지구의 역사를 추적하는 데 있어 해양 지각은 약 2억 년이라는 짧은 기록만을 제공합니다. 해양 지각은 밀도가 높아 일정 시간이 지나면 다시 지구 내부로 섭입되어 사라지기 때문입니다. 반면 밀도가 낮은 대륙 지각은 한 번 생성되면 잘 사라지지 않고 지구 표면에 남아 40억 년 이상의 장구한 역사를 보존합니다. 캐나다나 호주 등지에서 발견되는 44억 년 전의 고대 암석들은 인류가 경험할 수 없는 아득한 시간의 흐름을 고스란히 간직하고 있습니다. 이러한 오래된 지각에 대한 연구가 축적될수록 우리는 지구 탄생 초기의 비밀에 한 걸음 더 가까이 다가갈 수 있습니다.

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[연구뭐하지] 강호정 교수_연세대학교 '생태공학연구실' | 미생물과 기후변화의 관계..?! 다양한 사람들이 다양한 미생물을 연구하는 곳

연세대학교 생태공학연구실은 기후 변화로 인해 급격히 변화하는 전 지구적 생태계를 연구하며, 이러한 변화가 생태계에 어떤 생물학적 피드백을 주는지 탐구하는 것을 핵심 목표로 삼고 있습니다. 연구원들은 각자 숲, 습지, 북극, 도시 생태계 등 서로 다른 환경을 대상으로 연구를 수행하며, 개별적인 연구 결과들을 하나로 합쳐 전 지구적 탄소 순환이 어떻게 변화하고 있는지 파악합니다. 기후 위기의 시대에 탄소의 흐름을 정확히 이해하는 것은 환경 변화에 대응할 수 있는 과학적 근거를 마련하는 매우 중요한 과정이라고 할 수 있습니다. 연구실의 주요 관심사 중 하나는 이산화탄소보다 강력한 온실효과를 일으키는 메탄입니다. 산림 토양이 메탄을 흡수하는 능력을 실측하고 추정하는 연구를 통해 전 지구적 산림의 역할을 규명하는 데 집중하고 있습니다. 또한, 갯벌에 침입 식물이 유입되었을 때 발생하는 메탄의 양을 측정하거나, 도시 공원의 미생물 분포가 지역별로 어떻게 다른지 분석하는 등 우리 주변의 다양한 생태계를 면밀히 조사합니다. 이러한 현장 중심의 연구는 기후 변화의 메커니즘을 구체적으로 이해하고 미래의 환경 변화를 예측하는 데 필수적인 데이터를 제공합니다. 지구상에는 우주의 별보다 많은 수의 미생물이 존재하며, 이들은 이산화탄소와 메탄 같은 온실가스를 생성하거나 제거하는 결정적인 역할을 수행합니다. 연구실은 북극의 영구동토층이 녹을 때 발생하는 기체의 변화를 예측하기 위해 알래스카와 노르웨이 등지에서 직접 샘플을 채취하고 실험을 수행합니다. 또한 '블루 카본'의 거대한 저장소인 맹그로브 숲과 습지의 탄소 저장 안정성을 연구하며, 미생물의 활성을 조절하여 기후 변화를 억제할 수 있는 해답을 찾고 있습니다. 이는 인류의 생존과 직결된 생태학적 과제를 해결하는 과정입니다. 이곳은 '다양성을 엮는 곳'이라는 철학 아래, 환경공학뿐만 아니라 생물학, 화학, 사회학 등 다양한 학문적 배경을 가진 인재들이 모여 협력하고 있습니다. 지금까지 13개국 출신의 연구자들이 거쳐 갔을 정도로 국제적이고 개방적인 연구 환경을 자랑하며, 구성원들의 다양한 경험은 연구의 깊이를 더해줍니다. 연구실 문화 또한 매우 민주적이고 평등하여, 교수와 학생이 격의 없이 소통하며 자유롭게 의견을 나눌 수 있는 분위기가 형성되어 있습니다. 이러한 인적 다양성은 복잡한 생태계 문제를 다각도에서 바라보고 창의적인 해결책을 도출하는 강력한 원동력이 됩니다. 기후 변화와 지구 환경에 깊은 호기심을 가진 많은 학생이 현실적인 불안감으로 인해 꿈을 주저하곤 합니다. 하지만 대학원은 자신의 잠재력을 극대화하고 본래 가졌던 학문적 열정을 실현할 수 있는 소중한 기회의 장입니다. 자신이 즐거움을 느끼고 남다른 강점이 있는 분야를 찾아 끈기 있게 도전한다면, 복잡한 지구 환경 문제를 해결하는 전문가로 성장할 수 있을 것입니다. 생태공학연구실은 앞으로도 전 지구적 생태계의 미생물 반응을 이해하고 기후 변화의 부정적 영향을 줄이기 위한 연구를 지속하며, 미래를 이끌어갈 연구자들과 함께 성장해 나갈 것입니다.

강호정

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생명과학

[강연] 생명을 품은 행성으로 살아남기 by이정은｜2020 서울대 자연과학 공개강연 '과학으로 살아남기' | 3강

우주는 광활하지만 생명체가 존재한다고 알려진 곳은 현재까지 지구가 유일합니다. 2019년 노벨 물리학상이 외계 행성 발견자들에게 수여된 것은 인류가 생명의 기원을 찾으려는 열망이 얼마나 큰지를 잘 보여줍니다. 우리는 태양계 너머 수많은 행성계가 존재함을 알게 되었고, 그 속에서 지구와 같은 환경을 가진 행성을 찾기 위해 끊임없이 탐구하고 있습니다. 이러한 탐구는 결국 우리 지구가 어떻게 생명을 품은 행성으로 살아남았는지에 대한 근원적인 질문으로 이어지며, 우주적 관점에서 우리의 존재를 다시금 돌아보게 합니다. 지구는 우리 은하 중심에서 약 2만 7천 광년 떨어진 변두리에 위치하며, 이는 생명 탄생에 매우 유리한 조건입니다. 은하 중심의 위험한 환경을 피해 평범하고 안정적인 태양이라는 별 옆에 자리 잡았기 때문입니다. 태양은 너무 밝지도 무겁지도 않아 약 100억 년이라는 긴 수명을 가졌으며, 이는 지구가 생명을 잉태하고 지적 존재로 진화할 수 있는 충분한 시간을 제공했습니다. 광활한 우주 속에서 지구는 아주 작은 점에 불과하지만, 그 위치와 시간적 배경은 생존을 위한 완벽한 조화를 이루며 우리가 오늘날 이곳에 존재할 수 있게 했습니다. 태양계의 여덟 개 행성 중 오직 지구에만 생명이 존재하는 핵심적인 이유는 표면에 액체 상태의 물이 있기 때문입니다. 천문학자들은 별 주위에서 물이 액체로 존재할 수 있는 영역을 '생명 서식 지대'라고 부릅니다. 케플러 미션을 통해 수천 개의 외계 행성을 발견하며 지구와 닮은 환경을 찾으려 노력했지만, 단순히 위치만으로는 생명의 존재를 확신할 수 없습니다. 금성이나 화성처럼 같은 서식 지대에 있더라도 행성마다 각기 다른 물리적 조건에 따라 생명체의 거주 가능 여부가 극명하게 갈리기 때문이며, 이는 지구만의 특별한 조건을 연구해야 하는 이유가 됩니다. 행성이 형성되는 과정에서 '설선(Snow Line)'은 행성의 크기와 성분을 결정하는 중요한 경계가 됩니다. 이 경계 안쪽에서는 열에 의해 얼음이 승화하여 작은 암석 행성이 만들어지고, 바깥쪽에서는 얼음 입자들이 먼지를 뭉치게 도와 거대 행성이 탄생합니다. 흥미로운 점은 지구가 형성될 당시 태양의 강력한 에너지로 인해 지표면의 탄소가 대부분 파괴되었다는 사실입니다. 생명체의 뼈대인 탄소가 부족했던 초기 지구가 어떻게 지금처럼 풍부한 유기물을 보유하게 되었는지는 행성 진화의 신비로운 과정 중 하나이며, 이는 외부로부터의 물질 유입 가능성을 시사합니다. 초기 지구는 미행성들의 충돌로 인해 뜨거운 마그마 상태였으며, 이 과정에서 물과 대기를 잃어버렸을 가능성이 큽니다. 과학자들은 오늘날 지구의 물과 탄소가 혜성과의 충돌을 통해 외부에서 유입되었을 것으로 추정합니다. 로제타 미션을 통해 혜성 67P를 탐사한 결과, 그곳에서 아미노산의 일종인 글리신을 포함한 다양한 유기 물질이 발견되었습니다. 이는 생명의 씨앗이 우주 공간으로부터 전달되었을 가능성을 뒷받침하며, 지구가 생명을 품을 수 있는 화학적 토대를 마련하는 데 결정적인 역할을 했음을 보여주는 중요한 증거가 됩니다. 행성의 질량은 생명 유지 시스템을 가동하는 원동력입니다. 지구는 적당한 질량 덕분에 내부 열을 유지할 수 있었고, 이는 액체 상태의 외핵과 자기장을 형성하여 태양풍으로부터 대기를 보호했습니다. 또한 판구조론에 의한 탄소 순환은 대기 중 이산화탄소 농도를 조절하여 적정한 온실 효과를 유지하게 합니다. 반면 질량이 작은 화성은 내부가 빠르게 식어 자기장과 대기를 잃었고, 금성은 폭주하는 온실 효과로 인해 생명이 살 수 없는 환경이 되었습니다. 결국 행성의 크기와 지질학적 활동이 그 행성의 생존 운명을 결정짓는 핵심 요소인 셈입니다. 현재 지구는 온난화 가속화라는 심각한 위기에 직면해 있으며, 이는 과거 금성이 겪었던 온실 효과의 폭주와 닮아 있습니다. 해수면 상승과 기온 변화가 계속된다면 지구는 더 이상 생명을 품은 행성으로 남지 못할 수도 있습니다. 인류는 화성을 지구처럼 만드는 테라포밍을 꿈꾸기도 하지만, 그보다 앞서야 할 것은 유일한 안식처인 지구를 본래의 모습대로 지켜내는 일입니다. 지구가 생존해 온 경이로운 과정을 이해한다면, 우리가 지금 발 딛고 있는 이 행성을 보존하는 것이 얼마나 절실하고 중요한 과제인지 다시 한번 깨닫게 됩니다.

이정은

카오스재단서울대자연과학공개강연

천문학

[강연] 사랑의 배터리-전기 화학 by정택동｜2019 서울대 자연과학대학 공개강연 '과학 선율' | 1강

서울대학교 자연과학 공개 강연은 1994년부터 시작되어 과학의 즐거움을 대중과 나누는 대표적인 프로그램으로 자리 잡았습니다. 올해는 '과학자의 꿈과 도전: 과학 선율'이라는 주제 아래, 기초과학의 다양한 분야에서 발견되는 파동과 곡선의 미학을 탐구합니다. 과학은 단순히 정답을 찾는 과정이 아니라, 작은 물음표에서 시작해 더 큰 물음표를 가슴에 품게 되는 끝없는 탐구의 여정입니다. 이번 강연은 예비 과학자들이 인류의 미래를 위해 봉사할 꿈을 키우고, 일상 속에 숨겨진 과학의 아름다운 선율을 느끼는 소중한 기회가 됩니다. 전기화학은 물리학의 전자기학적 원리를 화학적 물질 변환에 접목하여 연구하는 학문입니다. 화학이 물질의 근본적인 변화를 다룬다면, 전기는 전하의 흐름을 통해 에너지를 전달하고 일을 수행합니다. 마이클 패러데이는 화학적 정량과 전하량 사이의 정량적 관계를 정립하며 이 두 세계를 연결하는 가교를 놓았습니다. 전자의 위치 에너지를 정밀하게 제어함으로써 분자로부터 전자를 끄집어내거나 다시 넣어주는 과정은 전기화학의 가장 핵심적인 방법론이며, 이를 통해 우리는 물질의 성질을 의도적으로 변화시키고 에너지를 조절할 수 있게 됩니다. 우리 주변의 모든 물질은 원자와 분자 내부에 전자를 가두고 있으며, 이 전자를 잃거나 얻는 산화·환원 반응은 생명 현상의 근간을 이룹니다. 자연계의 탄소 순환 역시 거대한 산화·환원의 반복으로 이해할 수 있습니다. 식물은 태양 에너지를 이용한 광합성을 통해 탄소를 고정하며 에너지를 축적하고, 동물은 호흡을 통해 유기물을 산화시켜 생명 유지에 필요한 에너지를 얻습니다. 지구 생태계는 이러한 전자의 이동과 에너지 기울기를 통해 정교한 균형을 유지하며, 생명체는 그 과정에서 발생하는 에너지를 신진대사의 원천으로 삼아 생존을 이어갑니다. 현대 기술의 집약체인 리튬 이온 배터리는 전기화학적 원리를 이용한 대표적인 에너지 저장 장치입니다. 충전 시에는 리튬 이온이 전자를 받아 금속 리튬 형태로 흑연 층 사이에 저장되며, 방전 시에는 다시 이온화되어 양극으로 이동하며 에너지를 방출합니다. 이때 양극의 전이 금속 산화물은 전하의 균형을 맞추기 위해 스스로 산화·환원을 반복합니다. 가벼우면서도 높은 전압을 낼 수 있는 리튬의 특성을 활용하여 좁은 공간에 최대한 많은 에너지를 안정적으로 가두는 것이 배터리 기술의 핵심이며, 이는 전기 자동차와 같은 미래 산업의 원동력이 됩니다. 배터리의 효율을 극대화하기 위해서는 전자가 이동하는 통로인 전극뿐만 아니라, 그 주변을 둘러싼 용매와 전해질의 역할이 매우 중요합니다. 리튬 이온이 고체 전극 내부로 침투하거나 빠져나올 때 발생하는 에너지 손실을 최소화해야만 빠른 충전과 긴 수명을 보장할 수 있습니다. 특히 급속 충전 과정에서 금속이 무작위로 자라나 단락을 일으키면 열 폭주와 같은 위험한 상황이 발생할 수 있으므로, 원자 수준에서의 정밀한 계면 제어가 필수적입니다. 과학자들은 가속기 등을 활용해 충·방전 시 일어나는 물질의 변화를 실시간으로 관찰하며 더 안전한 배터리를 연구하고 있습니다. 차세대 친환경 에너지원으로 주목받는 수소 연료전지는 수소를 산화시켜 전기를 얻고 부산물로 순수한 물만 남기는 이상적인 시스템입니다. 하지만 실제 구동 과정에서 산소가 환원되는 반응 속도가 매우 느려 전체적인 효율을 떨어뜨리는 숙제를 안고 있습니다. 현재는 백금이 가장 우수한 촉매로 사용되고 있으나, 높은 가격 문제를 해결하기 위해 백금의 양을 줄이거나 이를 대체할 새로운 촉매 물질을 설계하는 연구가 활발히 진행 중입니다. 태양 에너지를 이용해 물을 분해하고 수소를 생산하여 다시 전기로 바꾸는 순환 구조는 지속 가능한 지구를 만들기 위한 과학계의 거대한 도전입니다. 전기화학의 영역은 에너지 저장을 넘어 바이오 센서와 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 분야로 그 지평을 넓히고 있습니다. 전자기적 제어의 세계와 복잡한 생물 화학적 세계가 만나는 경계선에서 전기화학은 두 영역을 연결하는 핵심적인 역할을 수행합니다. 인간의 뇌신경 회로와 디지털 기기가 정보를 가역적으로 주고받는 미래 기술의 중심에는 전하의 흐름을 다루는 정교한 과학적 통찰이 자리 잡고 있습니다. 서로 다른 분야가 만나 공명을 일으키는 과학의 선율은 인류의 삶을 더욱 풍요롭게 변화시킬 것이며, 이러한 끊임없는 호기심과 도전이 미래 과학의 탄탄한 기본기가 됩니다.

정택동

카오스재단서울대자연과학공개강연

화학

[강연] 화학반응의 바늘과 실: 전자와 양성자 _ by정택동｜ 2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 4강 | 4강 ①

화학은 물질의 변환을 다루는 학문입니다. 제2차 세계 대전 당시 나치의 눈을 피해 금으로 된 노벨상 메달을 왕수에 녹여 보관했다가 전쟁 후 다시 금으로 되돌린 일화는 화학의 본질을 잘 보여줍니다. 겉모습이 완전히 변해도 원소 자체는 사라지지 않으며, 적절한 반응을 통해 원래의 상태로 복원할 수 있다는 믿음은 화학적 원리에 기반합니다. 금속에서 전자를 빼내어 이온화하고, 다시 전자를 넣어 금속으로 환원시키는 과정은 물질의 근본적인 변화를 제어하는 화학의 핵심적인 과정이라 할 수 있습니다. 화학 반응의 중심에는 전자와 양성자가 있습니다. 전자를 잃는 산화와 전자를 얻는 환원은 항상 쌍을 이루어 일어나며, 이는 우리 주변에서 일어나는 수많은 물질 변화를 설명하는 기본 원리가 됩니다. 이 작은 입자들은 서로 긴밀하게 상호작용하며 물질의 전기적 중성을 유지하고 복잡한 구조적 변화를 이끌어냅니다. 인류가 전자의 존재를 명확히 이해하게 된 것은 비교적 최근의 일이지만, 이들의 움직임은 우주와 생명의 모든 화학적 변환을 주도하는 가장 강력한 동력이자 보이지 않는 세계의 질서를 구축하는 근간입니다. 양성자의 활동은 주로 산과 염기의 작용으로 나타납니다. 물 분자 사이에서 양성자가 이동하며 산성도를 결정하고, 이는 생명 현상뿐만 아니라 지구 전체의 환경 시스템에도 지대한 영향을 미칩니다. 특히 대기 중 이산화탄소가 물에 녹아 평형을 이루는 과정은 양성자의 농도에 따라 결정되는데, 최근 급격한 이산화탄소 증가는 바다의 산성화를 초래하여 생태계를 위협하고 있습니다. 이처럼 미세한 양성자의 움직임은 산호초의 생존부터 지구 전체의 기후 변화에 이르기까지 거대한 자연의 순환 체계를 지탱하는 중요한 축으로 작동합니다. 광합성은 태양의 빛 에너지를 화학 에너지로 변환하는 경이로운 과정입니다. 식물의 엽록소가 빛을 흡수하여 들뜬 전자를 전달하면, 물이 산화되어 산소가 발생하고 이 과정에서 생명 활동에 필요한 에너지가 축적됩니다. 전자가 전자 전달계를 따라 이동할 때 양성자가 함께 펌핑되며 생명체의 에너지 화폐인 ATP가 생성됩니다. 식물은 이 에너지를 이용해 공기 중의 이산화탄소를 고정하여 유기물을 합성합니다. 이는 지구상의 모든 생명체가 살아갈 수 있는 연료를 생산하는 거대한 천연 화학 공장과 같은 역할을 수행합니다. 생명체의 호흡은 광합성의 역과정으로, 섭취한 영양소를 산화시켜 생존에 필요한 에너지를 얻는 과정입니다. 우리가 들이마신 산소는 전자를 받아 환원되고, 그 결과 이산화탄소가 배출되며 생태계의 탄소 순환이 완성됩니다. 광합성이 에너지를 저장하는 환원의 여정이라면, 호흡은 그 에너지를 인출하여 사용하는 산화의 여정이라 할 수 있습니다. 전자와 양성자의 끊임없는 순환은 태양 에너지를 생명의 동력으로 바꾸어 전달하며, 지구상의 모든 생명 현상을 유지하고 대를 이어가게 하는 근본적인 메커니즘으로 작동하고 있습니다. 현대 전기화학은 전자의 흐름을 정교하게 제어함으로써 인류의 삶을 혁신적으로 변화시키고 있습니다. 리튬 이온 배터리는 전기 에너지를 화학 에너지로 저장하여 모바일 시대를 열었으며, 혈당 센서는 생체 내의 화학 반응을 전기 신호로 바꾸어 질병 관리를 돕습니다. 더 나아가 뇌의 신경 신호를 컴퓨터와 연결하는 뇌-컴퓨터 인터페이스 연구는 전기화학의 새로운 지평을 열고 있습니다. 전자기적인 세계와 생화학적인 세계의 경계에서 일어나는 입자들의 상호작용을 이해하는 것은 인류의 미래 기술을 설계하는 데 있어 가장 핵심적인 토대가 됩니다. 지속 가능한 미래를 위한 핵심 기술인 연료전지는 수소와 산소의 반응을 통해 깨끗한 전기 에너지를 생산합니다. 하지만 산소 환원 반응의 효율을 높이기 위해 여전히 고가의 백금 촉매에 의존해야 하는 한계가 존재합니다. 과학자들은 생체 효소의 정교한 구조에서 영감을 얻어 백금을 대체할 수 있는 새로운 촉매를 찾기 위해 끊임없이 도전하고 있습니다. 뜨겁지 않은 연소를 통해 에너지를 직접 얻으려는 인류의 열망은 전자와 양성자의 조화를 완벽히 이해하고 제어하려는 노력을 통해 수소 경제라는 새로운 시대를 향해 나아가고 있습니다.

정택동, 황성필

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화학

[강연] 지구의 낯선 미래 : 설국열차 vs 인터스텔라 (2) _ by국종성 | 2017 가을 카오스 강연 '미래과학' 7강 | 7강 ②

지구 온난화의 주범으로 지목되는 이산화탄소는 사실 지구 생태계에 필수적인 존재입니다. 대기가 없다면 지구의 평균 기온은 영하 18도까지 떨어지겠지만, 온실효과 덕분에 인류가 살기 적합한 15도를 유지할 수 있기 때문입니다. 문제는 산업화 이후 온실가스 농도가 급격히 높아지며 이 균형이 깨졌다는 점입니다. 온실효과의 효율이 단 10%만 증가해도 지구 기온은 약 3도나 상승할 수 있으며, 이는 곧 인류가 감당하기 어려운 기후 위기로 이어지게 됩니다. 현재 우리는 인류 역사상 유례없는 이산화탄소 농도 400ppm 시대를 살아가고 있습니다. 이러한 농도 증가는 산업 혁명 이후의 인구 급증 및 화석 연료 사용량과 정확히 일치하는 궤적을 보입니다. 특히 대기 중 산소 농도가 미세하게 감소하고 있다는 사실은 인간 활동의 결정적인 증거가 됩니다. 화석 연료를 태우는 과정에서 산소가 소모되고, 이산화탄소를 흡수해 산소를 내뿜는 열대 우림이 파괴되면서 대기의 화학적 조성이 인위적으로 변하고 있음을 명확히 보여줍니다. 기후 시스템에는 결과가 다시 원인에 영향을 미치는 '피드백' 원리가 존재합니다. 그중에서도 변화를 더욱 가속하는 '양의 피드백'은 지구 온난화의 무서운 공범입니다. 지구가 더워지면 우리는 에어컨을 더 많이 사용하게 되고, 이는 다시 에너지 소비를 늘려 온도를 높이는 악순환을 만듭니다. 기후학자들은 이러한 양의 피드백이 온난화를 억제하는 음의 피드백보다 훨씬 강력하다고 경고합니다. 이 메커니즘은 이산화탄소가 직접 올리는 온도보다 훨씬 큰 폭의 기온 상승을 유발합니다. 대표적인 양의 피드백으로는 수증기와 알베도 피드백이 있습니다. 기온이 오르면 대기는 더 많은 수증기를 머금게 되는데, 수증기 자체가 강력한 온실가스이기에 온난화는 더욱 심화됩니다. 또한 북극의 해빙이 녹으면 태양 에너지를 반사하던 흰 표면이 사라지고 어두운 바다가 드러나 열 흡수율이 높아지는 알베도 피드백이 발생합니다. 바다 역시 온도가 높아질수록 이산화탄소를 흡수하는 능력이 떨어져, 대기 중 온실가스 농도를 더욱 높이는 결과를 초래하게 됩니다. 과학자들은 식물성 플랑크톤이 북극의 열 흡수를 돕는 새로운 피드백을 발견하는 등 여전히 기후 시스템의 복잡성을 연구하고 있습니다. 영화 '설국열차'는 기후 변화를 막으려는 인간의 오만이 예상치 못한 피드백을 불러와 빙하기를 초래하는 설정을 보여줍니다. 이는 우리가 기후 시스템을 완벽히 통제할 수 있다는 착각을 경계해야 함을 시사합니다. 기후 민감도에 대한 불확실성은 여전히 존재하며, 우리가 모르는 수많은 피드백이 미래의 기후를 예측하기 어렵게 만드는 요인이 됩니다. 기후 변화에서 가장 두려운 개념은 '티핑 포인트'입니다. 이는 서서히 변하던 시스템이 임계점을 넘는 순간, 작은 충격에도 급격하고 돌이킬 수 없는 변화를 일으키는 지점을 의미합니다. 마치 탁자 끝에 놓인 컵이 한순간에 바닥으로 떨어지듯, 지구 기후도 현재의 균형을 잃고 전혀 다른 상태로 전이될 수 있습니다. 파리 기후 협약에서 지구 온도 상승 폭을 1.5도에서 2도 이내로 제한하려는 이유도 바로 이 티핑 포인트를 넘지 않기 위한 인류의 마지막 방어선이라 할 수 있습니다. 점진적인 기후 변화가 비만이라면, 티핑 포인트를 넘는 급격한 변화는 치명적인 중병에 비유할 수 있습니다. 비만은 생활 습관을 바꾸고 다이어트를 통해 개선할 수 있지만, 중병은 회복을 위해 막대한 고통과 희생을 요구합니다. 우리는 지구가 산업화 이전으로 돌아가기를 기대하기보다, 현재의 건강한 상태를 유지할 수 있도록 에너지 소비 패턴과 정책을 근본적으로 바꿔야 합니다. 지구라는 거대한 빙산의 일각만을 알고 있다는 겸손한 자세로 기후 위기에 대응해야 할 때입니다.

국종성

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지구환경과학

[강연] 인류세(인간세, Anthropocene) : 지구의 미래를 걱정한다 (4) 패널토의 | 2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 9강 | 9강 ④

인류세라는 용어는 인간의 활동이 지구 환경에 지배적인 영향을 미치는 새로운 지질 시대를 의미합니다. 최근 학계에서는 이를 '인간세'로 번역하자는 제안이 힘을 얻고 있는데, 이는 인류 전체의 추상적인 문제보다 개개인의 구체적인 활동이 모여 지구를 변화시켰다는 점을 강조하기 위함입니다. 우리가 매일 사용하는 플라스틱이나 에너지 소비가 지구의 역사를 바꾸고 있다는 사실을 직시하게 함으로써, 환경 문제에 대한 개인의 책임감을 고취하고 실천적인 변화를 이끌어내려는 의도가 담겨 있습니다. 지질학적 관점에서 새로운 시대의 도래는 지층에 남는 뚜렷한 흔적으로 증명됩니다. 과거의 지질 시대가 화석으로 구분되었다면, 인류세는 콘크리트, 플라스틱, 그리고 우리가 소비한 막대한 양의 가금류 뼈가 지층에 쌓여 기록될 것입니다. 비록 수백 년이라는 짧은 시간이 지질학적 척도에서는 찰나에 불과할지라도, 인간이 만들어낸 인공물과 생태계의 급격한 변화는 미래의 지적 생명체가 지구의 역사를 탐사할 때 결코 간과할 수 없는 명확한 경계선이 될 것임이 분명합니다. 지구가 생명체가 살 수 있는 유일한 행성으로 남은 비결은 적절한 거리와 크기에 있습니다. 태양으로부터 너무 가깝지도 멀지도 않은 위치 덕분에 물이 액체 상태로 존재할 수 있었고, 적당한 질량은 내부의 열을 보존하여 자기장을 형성하게 했습니다. 이 자기장은 태양풍으로부터 대기를 보호하며, 판 구조론에 의한 탄소 순환을 가능하게 하여 지구의 온도를 일정하게 유지해 줍니다. 이러한 정교한 균형 덕분에 지구는 금성이나 화성과 달리 수십억 년 동안 생명의 요람 역할을 할 수 있었습니다. 화성을 제2의 지구로 만들려는 '테라포밍'은 더 이상 공상과학 소설 속의 이야기만이 아닙니다. 과학자들은 화성의 극한 환경에서도 생존 가능한 미생물을 활용해 대기 중의 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하고, 이를 통해 온실효과를 유도하여 화성의 온도를 높이는 방안을 연구하고 있습니다. 온도가 상승하면 지하에 얼어붙어 있던 물이 녹아 흐르고 구름이 생성되는 등 지구와 유사한 물의 순환 체계가 구축될 수 있습니다. 이는 인류가 지구를 넘어 우주로 거주지를 확장하려는 거대한 도전의 시작이라 할 수 있습니다. 기후변화는 이제 논쟁의 대상이 아닌 당면한 현실입니다. 이에 대응하는 방식은 온실가스 배출을 줄이는 '완화'와 이미 변화한 환경에 맞춰 살아가는 '적응'으로 나뉩니다. 해수면 상승으로 인해 몰디브와 같은 섬나라뿐만 아니라 전 세계 연안 도시들이 침수 위기에 처해 있는 상황에서, 단순히 둑을 쌓는 토목 공사를 넘어 생태계의 자정 능력을 활용한 대안이 주목받고 있습니다. 이는 인간이 자연의 순환 체계를 이해하고 그 안에서 공존의 길을 찾아야 함을 시사하며, 지속 가능한 미래를 위한 필수적인 전략입니다. 연안 습지는 단순한 철새 도래지를 넘어 기후변화를 극복할 핵심 열쇠인 '블루 카본'의 저장소입니다. 습지의 식물들은 막대한 양의 탄소를 흡수하여 땅속에 가두고, 퇴적물을 쌓아 올려 해수면 상승에 스스로 대응하는 놀라운 능력을 갖추고 있습니다. 또한 맹그로브 숲과 같은 습지는 쓰나미와 같은 자연재해로부터 육지를 보호하는 천연 방파제 역할을 수행합니다. 이러한 자연 생태계를 보존하는 것은 인위적인 구조물을 설치하는 것보다 훨씬 효율적이고 지속 가능한 기후변화 적응 전략이 될 수 있습니다. 인간의 영향력은 이제 지구 표면을 넘어 우주 공간으로까지 확장되었습니다. 수십 년간의 우주 개발 결과, 퇴역한 인공위성과 로켓 파편들이 '우주 쓰레기'가 되어 지구 궤도를 위협하고 있습니다. 초속 수 킬로미터의 엄청난 속도로 회전하는 이 파편들은 작은 크기라도 인공위성이나 우주정거장에 치명적인 타격을 줄 수 있는 거대한 에너지를 품고 있습니다. 지구의 환경 오염이 우주로 전이된 셈이며, 이를 해결하기 위한 기술적 노력은 우리가 만든 쓰레기를 스스로 치워야 한다는 인류세의 책임이 우주까지 이어짐을 보여줍니다.

강호정, 김경렬, 이정은

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지구환경과학

[강연] 인류세(인간세, Anthropocene) : 지구의 미래를 걱정한다 (5) 패널토의 | 2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 9강 | 9강 ⑤

인류세라는 용어는 인간의 활동이 지구 환경을 현격하게 변화시키고 있다는 사실에서 출발합니다. 지질학적 시대를 구분할 때 반드시 대멸종이 전제되어야 하는 것은 아니며, 과거 홀로세를 정의할 때도 인류의 멸종을 염두에 두지는 않았습니다. 중요한 점은 지난 200년간의 급격한 환경 변화가 이미 지구의 역사적 기록체 속에 뚜렷하게 새겨져 있다는 사실입니다. 학계에서는 이 용어의 사용 여부를 넘어, 인류가 지구 시스템에 미치는 영향력이 무시할 수 없는 수준에 도달했다는 점에 깊이 공감하고 있습니다. 현재 해수면 상승의 주요 원인은 해수의 열팽창이지만, 육상의 빙하가 본격적으로 녹기 시작하면 상황은 파국으로 치달을 수 있습니다. 남북극의 빙하가 모두 녹는다면 해수면은 60미터 이상 상승할 것으로 예측되며, 이는 인류 문명에 치명적인 위협이 됩니다. 과학자들은 지구가 스스로 온도를 조절할 수 없는 임계점인 '문턱'을 넘지 않도록 연구에 매진하고 있습니다. 온도가 상승하는 것을 완전히 막을 수는 없더라도, 그 속도를 늦추어 빙하가 돌이킬 수 없이 녹아내리는 최악의 시나리오는 반드시 막아야 합니다. 지구 온난화가 통제 불능의 상태에 빠진다면 우리의 미래는 금성과 닮아갈지도 모릅니다. 과거 금성도 지구와 유사한 환경이었을 것으로 추정되나, 온도가 상승하면서 바다와 암석 속의 이산화탄소가 대기로 방출되는 폭주 온실 효과가 발생했습니다. 이로 인해 지각의 순환이 멈추고 대기 온도가 500도에 육박하는 죽음의 행성이 되었습니다. 인위적인 이산화탄소 배출이 계속되어 지구의 탄소 순환 시스템이 붕괴된다면, 우리 역시 생명체가 살 수 없는 극한의 환경을 마주하게 될 것이라는 경고를 잊지 말아야 합니다. 과거 지구의 역사를 살펴보면 '영거 드라이아스'기와 같은 급격한 기후 변화의 사례를 찾아볼 수 있습니다. 약 1만 3천 년 전, 빙하가 녹은 막대한 양의 민물이 대양으로 유입되면서 해류의 순환이 멈추고 지구가 다시 추워졌던 시기입니다. 영화 '투모로우'의 과학적 배경이 되기도 한 이 사건은 기후 시스템이 얼마나 민감하게 반응할 수 있는지를 보여줍니다. 현재 우리가 겪는 변화는 과거의 자연적인 주기보다 훨씬 빠른 속도로 진행되고 있으며, 이 빠른 변화의 속도에 인류가 적응하고 대응할 수 있는지가 생존의 관건입니다. 기후 변화 대응은 과학과 공학의 영역을 넘어 경제, 정치, 외교가 복잡하게 얽힌 국제적인 과제입니다. 몬트리올 의정서가 산업계의 협력으로 오존층 파괴 문제를 해결했듯이, 탄소 배출 문제 역시 국가 간의 이해관계를 조정하며 해결책을 찾아야 합니다. 파리 협정과 같은 국제적 합의는 각국에 실질적인 압박으로 작용하며 변화를 이끌어내고 있습니다. 하지만 정치적 결단에만 의존할 것이 아니라, 지구 시스템의 3분의 1을 결정짓는 우리 개개인의 관심과 실천이 뒷받침될 때 비로소 지속 가능한 미래를 꿈꿀 수 있습니다.

강호정, 김경렬, 이정은

카오스재단카오스강연

지구환경과학