일본의 과학잡지 '과학아사히'에서는 창간 50주년 기념 특별기획으로 '현대과학 7대불가사의'를 다루었다. 그 내용은 △우주의 시작은 언제부터인가 △태양계형성과 관련된 열번째 행성은 존재하는가 △생명의 탄생은 어떻게 이루어졌는가 △어느정조 기능이 나누어진 생물체는 어떻게 출현했는가 △공룡은 왜 멸종했는가 △인류는 어떻게 진화했는가 △ENSO(엘니뇨 남부진동)는 세계의 기후에 어떤 영향을 미칠 것인가 등이다. 이중에서 네가지(우주론과 생물체출현 제외, ENSO는 과학동아 91년 10월호에 자세히 게재됐음)를 요약해 '과학동아'12월호에 게재한다.
우리 주변에 늘상 일어나고 있는 현상에 대해 '왜일까?'라고 의문을 품는데서 과학은 출발한다. 이번에 선정한 테마들은 지금까지 세계의 석학들이 머리를 싸매고 연구했으며 지금도 골머리를 앓고 있는 것들이다. 또한 이는 평범한 사람들도 한번쯤 의문을 품어봤을만한 주제들이다. 어린 시절 이 미궁에 빠져 과학자의 길로 들어선 사람도 많다. 독자들도 어렸을 때의 기억을 되살려, 우주탄생에서부터 현재까지 현대과학이 아직도 풀지못한 수수께끼에 다시 한번 도전해보자.
태양계 10번째 행성의 존재는?
'태양계'하면 '수금지화목토천해명'이 자연스럽게 나온다. 목성과 토성 사이에 여러개가 몰려있는 소행성을 제외하면 태양계에 9개의 행성이 존재한다는 것은 누구나 아는 상식이다. 그렇다면 '명왕성 저편에 또하나의 행성은 없을까'라는 자연스런 의문이 생긴다. 사실 토성까지는 웬만한 망원경이면 쉽게 관측할 수 있다. 행성의 발견이라고 하면 천왕성부터다. 1781년 영국의 허셸이 대형망원경을 사용해 천왕성의 모습을 자세히 관측했다. 1846년에는 해왕성이 인간 앞에 모습을 드러냈다. 해왕성은 관측을 통해서 발견했다기보다는 이론적인 연구의 부산물이다. 천왕성의 궤도를 철저히 계산해본 결과 이론값과 실제값이 잘 들어맞지를 않았다. 결국 천왕성 궤도 바깥에 또하나의 행성을 가정할 수 밖에 없었는데, 계산된 궤도를 자세히 관측한 결과 해왕성을 발견했다.
명왕성은 미국의 클라우드 톰보우가 찾아냈다. 역시 천왕성과 해왕성의 궤도가 분석된 후 이론값과 실제값이 맞지 않자 또하나의 행성을 가정했다. 톰보우는 1930년 2월18일 이론이 지적했던 곳에서 불과 7°떨어진 곳에서 작은 점 하나를 발견하고 플루토(Pluto)라 이름지었다.
명왕성 발견 이후 60여년이 지난 지금까지 새로운 행성은 발견되지 않았다. 제10행성에 대해서는 최근 여러가지 설이 나오고 있다.
1972년 미국의 브래디가 명왕성 바깥에 미지의 행성이 있어야만 핼리혜성(76년주기) 궤도를 비로소 설명할 수 있다고 해 화제를 모았다. 질량은 토성의 3배, 궤도크기는 지구의 60배, 공전주기는 4백64년이라고 밝혔다. 그러나 이 정도 크기의 행성이 있다면 다른 행성의 궤도에 크게 영향을 미칠터인데 이를 설명하질 못했고, 또한 예정된 위치에서 새로운 행성이 발견되지 않았기 때문에 이 설은 금방 무시됐다.
86년에는 소련의 라체프스키가 행성의 영향을 받기 쉬운 장(長)주기 혜성의 궤도를 관측한 결과, 명왕성 바깥에 적어도 두개의 행성이 존재한다는 가설을 발표했다. 87년에는 행성탐사기에서 관측한 사실을 토대로 새로운 행성을 예측해 눈길을 끌었다. NASA(미국 항공 우주국)의 앤더슨에 따르면 1백50년 전부터 관측된 데이터를 추적해보면 천왕성과 해왕성 사이가 약간 멀어지고 있다는 것. 그러나 파이오니어의 데이터에는 이러한 결과를 낳게 한 인력을 찾아낼 수 없었다. 따라서 열번째 행성이 있어 두 행성의 궤도에 영향을 준 것이 아니냐는 추측이 가능하다. 이 열번째 행성은 질량이 지구의 5배정도이며 공전주기는 7백~1천년, 궤도는 불규칙이라고 추정됐다.
88년에도 새로운 설이 발표됐다. 제창자는 미국의 두 과학자(해링턴과 파웰)와 브라질의 고메스 이들에 따르면 명왕성의 질량은 연구가 진행됨에 따라 점점 작은 것으로 추정되는데, 명왕성 질량만으로는 해왕성 궤도를 이론적으로 설명할 수 없었다. 따라서 이들 세명은 제10행성의 존재를 가정하고 궤도와 질량을 계산했다. 그런데 이들 세명의 결과도 데이터를 취급하는 방식이 달라 서로 다른 결과를 낳았다(그림).
이들의 설은 과학적으로 정확한 검증을 거친 것이 아니다. 그렇다고해도 제10행성의 존재를 완전히 부인하지는 못한다. 대부분의 천문학자들은 명왕성 바깥을 돌고 있는 새로운 행성이 존재할 가능성은 매우 크다고 말한다. 다만 존재한다고해도 대단히 작고 어두울 것으로 예상된다. 실제로 태양계내에 지름 1백km 정도의 천체는 1천개 정도 있다는 계산이 나온다.
생명 탄생의 수수께끼
생명은 어디에서 탄생했는가. 약34억년전, 지구가 탄생한 시점(45억년전)으로부터 약10억년 후에 바다에서 생명이 탄생했다는 것은 거의 정설에 가까울 정도로 널리 받아 들여지고 있다.
현재 지구에 살아있는 생명체를 구성하는 원소는 약27종이다(밝혀진 총원소 종류는 1백3종). 이들 27종의 구성비율은 바다와 거의 비슷하다. 생물체는 탄생 이후 30억년이라는 세월을 바다에 머물러 있었고 육지로 올라온 것은 4억년 전에 불과하다. 이 사실은 고생물학의 연구 결과로 분명하게 드러나 있다. 지상에 유해한 자외선이 내리쬐고 있을 때는 생물은 육지에 올라오지 못하고 물속에서 생활할 수 밖에 없다. 대기에 오존층이 형성돼 자외선이 어느정도 흡수되면 생명은 언덕에 오르게 된다.
문제는 초기보다는 상당히 냉각됐다고는 하지만 아직 열이 상당히 남아있는 원시 바다 속에서 어떻게 생명이 탄생해 어떻게 진화했는가이다. 결론부터 말하자면 이 문제에 정설은 없다. 재료와 최종적인 음식은 있어도 조리법이 밝혀지지 않았다.
가능성 있는 몇가지 조리법을 살펴보자. 생명이 있다고 한다면 최소한 세가지 조건은 만족시켜야 한다. 첫째 자신과 외부 세계를 나누는 경계막이 있어야 하고 둘째는 자손을 만들기 위해 자기복제능력을 갖추어야 한다. 셋째는 외부로부터 영양을 섭취하고 에너지와 필요한 물질을 만들어 스스로를 유지하는 능력이다.
대부분의 과학자들은 생명탄생 이전에 세포와 비슷한 주머니가 있어서 그속에서 필요한 화학물이 축적돼 응축되고 생명으로 진화했다는 시나리오를 쓰고 있다. 생명의 기원연구에 주춧돌을 놓은 오파린은 두종의 고분자화합물용액이 적당한 조건 아래서 혼합되면서 생기는 액적(코아세르베이트)에 착안, 이것이 세포막의 기초물질이 됐다고 생각했다.
이후에 가열된 아미노산용액을 냉각한 프로티노이드마이크로스페어와 원시지구의 바다모델에서 얻어진 인공용액 등 새로운 후보가 등장했다. 또 리보솜을 둘러싼 지질막(脂質膜)에 주목하는 학자도 있다. 그러나 아직까지 어떠한 모델도 정설로 굳어진 것은 없다.
자손을 만들기 위한 자기복제능력에 관해서는 우선 최초의 생명물질이 무엇인가를 알지 않으면 안된다. 그것이 단백질인가, 아니면 생체정보에 관련된 핵산(DNA RNA등)중의 어떤 것인가 하는 문제. 여기에는 판단하기 곤란한 점이 있다. 복제능력을 갖고 있는 DNA로부터 단백질이 합성되기 위해서는 효소가 필요하다. 그러나 어엿한 단백질의 일종인 효소를 합성하기 위해서는 그 정보를 보존하고 있는 DNA가 필요하다. 현재 상식으로는 단백질만으로 복제가 일어나기 어렵기 때문에 이 문제는 '닭이 먼저인가, 아니면 달걀이 먼저인가'하는 것과 똑같다.
최근에는 닭도 달걀도 아닌, 이제까지는 단순한 정보전달의 중개자로 생각됐던 또다른 핵산 RNA에 초점이 모아지기 시작했다. RNA가 스스로를 절단하고 재결합하는 등 여러가지 효소로서의 능력을 갖추고 있기 때문이다. RNA의 효소활성을 발견한 알트만과 체크는 이 연구로 작년에 노벨상을 받았다.
마지막 문제는 에너지를 비롯해 생존에 필요한 물질을 스스로 만드는 것. 생명이 탄생했을 당시의 지구대기는 현재의 화산가스 성분과 비슷했다. 수증기 질소 이산화탄소가 주요 성분이며 산소는 없다. 따라서 현재 생물들이 하고 있는 것처럼 대사가 성립할 가능성이 없다. 영양원은 바다밑 유기물이었을 가능성이 크다.
최근에 바다밑 진흙구덩이 속에서 원시적 생물이 발견되기 시작했다. 예를 들면 유기물과 수소를 결합시켜 에너지를 획득하고 산소의 존재 아래서는 죽어버리고마는 메탄세균이 샌프란시스코만의 바다밑 진흙속에서 발견됐다. 3백50℃나 되는 해저의 분출공 가까이서 열수 속에 포함된 황화수소(${H}_{2}$S) 메탄수소를 이용하는 살아있는 세균류가 발견된 것이다. 이들이 그대로 원시적인 생물이 되지는 않는다해도 원시대사의 수수께끼를 풀어줄 단서가 되기에는 충분하다.
종합적으로 분석해보건대 '생명탄생의 비밀'은 아직까지 신비의 베일을 벗어내지 못하고 있다. 앞으로도 당분간 '우주의 시작' '인류의 조상' 문제와 함께 영원한 테마로 남아있을 가능성이 크다.
공룡 멸종의 2백가지 시나리오
지금까지의 생물체 중 가장 덩치 큰 공룡에는 수수께끼가 많다. 그중에서 최대의 수수께끼는 멸종하게 된 이유다. 공룡은 2억3천만년전부터 6천5백만년전까지 중생대에 번창한 육지의 대형 파충류다. 어룡(魚龍)과 익룡(翼龍) 등 바다와 공중에서 살았던 파충류까지 공룡으로 생각하는 사람이 있으나 이는 다르다.
1억5천만년 이상 지구를 지배했던 공룡이 갑자기 멸종된 이유는 무엇일까. 도대체 어떤 사건이 일어났길래 갑자기 사라졌을까. 여기에는 약2백가지의 시나리오가 있다. 기후가 갑자기 추워져 멸종했다는 설(한랭화설)에서부터 급격히 기온이 따뜻해져 수컷의 정자가 피해를 입었다는 설, 중생대 말기에 번성했던 어느 식물에 포함된 유독한 알칼로이드에 중독됐다는 설 등등 온갖 상상력(?)을 동원한 이야기가 넘친다. 그러나 대부분은 과학적 근거가 충분하지 못했다.
80년대에 들어서면서 규모를 우주로 확장시킨 시나리오가 등장했다. 이는 과학적인 증거가 가장 풍성한 본격적인 과학 시나리오로 평가된다. 작가는 지질학자 월터 알바레스와 노벨물리학상 수상자이기도 한 그의 아버지 루이스 알바레스. 고생물학자가 아닌 지질학자와 물리학자의 손에서 해결의 실마리가 보이기 시작했다. 이탈리아 북부에서 중생대부터 신생대에 걸친 지층을 조사한 월터는 양측 경계에서 1.2cm 두께의 적색점토층을 발견했다. 루이스가 이 가운데 포함된 이리듐 농도를 측정한 결과, 위아래 지층에 비해 30배 이상 높다는 것을 발견했다. 운석에나 많은 이리듐이 왜 그렇게 많이 있을까.
이들의 시나리오를 요약하면 6천5백만년전의 어느날 지름 10km정도의 소행성이 북아메리카에 충돌, 그 충격으로 60조t의 분진이 지구를 뒤덮었다는 것. 그 결과 기후가 급격히 한랭화해 공룡이 멸종했다는 시나리오다. 작년 말에는 그들의 추정을 입증이라도 하듯 멕시코 유카탄반도에서 지름 1백80km의 대형 운석구멍(crater)이 발견됐다.
이후 이 시나리오를 각색한 유사 극본이 여럿 등장했는데, 그당시 시대상황을 반영한 것이 특징. 소행성 충돌 결과 산성비가 내린것이 공룡멸종의 원인이라든가, 아니면 소행성 충돌 후 대화재가 발생, 이산화탄소가 급격히 증가, 지구가 온난화됐다는 것들이다.
87년에는 이리듐의 발생원인을 하늘이 아니라 땅에서 찾는 설도 등장했다. 영국의 하람박사는 이리듐이 장기간에 걸친 화산활동에 의해 분출됐다는 설도 발표했다. 하지만 현재까지는 알바레스 부자의 이론이 가장 폭넓은 지지를 받고 있다.
최초의 인류는 어디서 태어났나
인류학계에서는 '인류의 기원'에 대해 오랫동안 동서대립이 있어 왔다. 대서양을 경계로 동측의 유럽 연구자들은 주로 교대설(에덴동산설)을, 서측의 미국 연구자들은 지역진화설을 소리높여 주장하고 있다.
쟁점은 현대인의 선조인 크로마뇽인(호모사피엔스 사피엔스)의 기원에 대해서다. 인류가 지금부터 4백만년 전에 아프리카에서 탄생했다는데는 대부분의 학자들이 일치하고 있지만 그보다 훨씬 새로운 현대인의 선조에 대해서는 다양한 의견이 대립하고 있다. 현재까지는 동측의 '에덴동산설'이 서측을 압도한다.
에덴동산설의 주장은 이렇다. 아주 먼 옛날의 원인(猿人)이나 원인(原人)과 마찬가지로 호모 사피엔스 사피엔스도 아프리카 사바나지역(에덴동산)에서 태어나 전세계로 퍼져 나갔다는 것. 이 과정에서 유럽에서는 먼저 살고 있었던 네안데르탈인을 절멸시켰거나 아니면 흡수했다는 얘기다.
지역진화설은 호모 사피엔스 사피엔스는 각지역에 살던 앞선 인류로부터 독립적으로 진화했다고 본다. 유럽인은 네안데르탈인으로부터, 동아시안인은 북경원인(北京原人)으로부터, 동남아시아인은 자바원인(原人)으로부터 진화했다는 것.
양 설의 역학관계를 결정적으로 좌우한 것은 의외로 인류학 이외의 분야에서다. 1987년 미국의 레베카 캔은 각 인종 1백47명의 태반을 모아 여기서 추출된 미토콘드리아의 DNA변종으로부터 계통수를 작성했다. 그 결과 모든 인류는 20만년 전에 아프리카의 한 여성(이브)으로부터 나왔다는 것. 이 성과를 받아들이는 한 지역진화설이 성립할 여지는 거의 없다. 이후 분자생물학자들로부터 현대인의 아프리카기원을 나타내주는 여러가지 연구결과가 나와 에덴동산설은 점점 무게를 더해갔다.
인류학자들이 가장 중요시하는 화석은 어떤가. 남아프리카 그랜시즈 리버 마우스 유적군에서 60년대 후반과 84년 2차에 걸쳐 약10만년 전의 호모 사피엔스 사피엔스 화석이 발견됐다. 더욱이 이 직후(7~9만년전)의 층에서는 호모 사피엔스 사피엔스가 이룩한 구석기문화가 발견됐다. 아프리카 타지역에서도 연도는 약간 차이가 나지만 호모 사피엔스 사피엔스화석이 발견됐다. 이들은 모두 에덴동산설(교대설)을 지지해 주는 결과를 낳았다.
이후 중동에서 발견이 잇따랐다. 이스라엘의 카후제 동굴에서 88년에 호모 사피엔스 사피엔스가 채굴됐다. 이들 화석을 과학적방법(열추적법 ESR법 등)으로 조사한 결과 9만2천~11만5천년 전이라는 결론이 내려졌다. 이 결과는 인류학자들의 눈을 넓혀주기에 충분한 것.
이때까지의 논의를 간추려보면 원인(原人)으로부터 진화한 고대 인류(호모 사피엔스)가 10여만년전에 아프리카의 사바나지역에서 완전한 현대인(호모 사피엔스 사피엔스)으로 진화했다고 생각할 수 있다. 그들은 선조인 원인(原人)과 같이 북상해 10만년전에는 중동에 들어왔다. 여기서 그들은 추위를 피해 중동으로 남하한 네안데르탈인과 잠시 공존하기도 했다. 한동안 석기문화를 꽃피우다 유럽으로 진출, 3만5천년전에는 서유럽에 먼저 정착해 살았던 네안데르탈인과 완전히 교대했다.
서유럽에서도 이러한 추정을 뒷받침하는 발견이 이루어졌다. 79년 프랑스 서부 상세젤에서 연대가 가장 새로운 네안데르탈인 화석이 발견됐다(3만2천년전). 놀라운 것은 이 화석은 그때까지 호모 사피엔스 사피엔스의 문화로 누구도 의심치 않았던 샤텔페론 문화의 석기를 갖추고 있었다. 이 문화는 네안데르탈인의 석기문화인 무스체 요소를 가진채 호모 사피엔스 사피엔스가 발명한 돌칼기술을 대폭적으로 수용하고 있는 것이 특징. 샤텔페론 문화는 크로마뇽인에게 쫓겨 막다른 골목에 몰려있던 네안데르탈인이 크로마뇽인의 돌칼기술을 배워 부분적으로 생명을 부지했던 최후의 국면을 대표하고 있다고 생각된다.
그럼에도 미국 학자를 중심으로 한 지역진화설 주창자들은 이러한 결과를 전혀 받아들이지 않고 있다. 그들은 자바원인과 1만년전경의 오스트레일리아 남동부의 현대인인 카우 스원프 화석이 매우 유사하다는 것을 증거로 지역진화설을 강력하게 주장하고 있다. 틀림없이 카우 스원프 화석은 연대가 가장 가깝지만 크로마뇽인류는 아니다.
교대설은 자연과학을 총동원한 증거를 무기로 지역진화설을 압도해나가고 있다.
