산업화로 인해 대기 중 이산화탄소가 늘어나 지구온난화에 대한 우려가 높다. 그런데 늘어난 이산화탄소는 오히려 식물의 광합성을 증대시켜 상당 부분 자연적으로 흡수된다는 전망이 있다. 한편에서는 미국의 이익을 앞세운 잘못된 연구결과라고 반박하고 있다. 과연 이산화탄소는 어디로 갈 것인가.
화산 근처에서 연구하던 과학자들이 원인 모를 질병으로 죽어간다. 그런데 시체의 허파 속은 모래로 가득 차있다. 멀더는 그 병원균이 규소로 이루어진 생물체일 것이라 추측한다. 그러나 X파일의 주인공 멀더의 생각과 달리 현재까지 우리가 알고 있는 모든 생명체는 탄소를 기반으로 하고 있다.
탄소와 규소는 모두 4족의 원소로 구성돼 있다. 하지만, 여러 방향으로 무한히 확장될 수 있고 다른 물질과도 쉽게 결합해 다양한 물질들을 형성하는 특성은 탄소만이 갖고 있다. 이것에 의해 식물, 동물의 다양한 형태와 뼈대가 형성될 수 있는 것이다.
생명의 근원물질 탄소
녹색식물이 태양빛을 이용해 탄소와 수소를 결합시킨 높은 에너지의 물질들은 인간을 비롯한 대부분의 생물들이 성장하고 번식할 수 있는 에너지원으로 이용된다. 고체의 규소화합물과는 달리 기체 형태인 이산화탄소와 메탄은 지구의 온도를 일정하게 유지하는 역할도 한다.
지구에 생명체가 나타난 이후 탄소의 분포는 많은 변화를 겪었다. 토양, 해양, 대기, 숲에 분포하고 있는 탄소 덩어리들은 이러한 장고한 시간의 변화산물이며 단기적으로는 균형에 이른 상태다. 예를 들어 식물의 광합성과 식물, 토양 미생물의 호흡량이 균형을 이룬 상태에서 대기의 이산화탄소 농도가 유지되고 있다.
그러나 아주 최근, 정확히 얘기하면 산업혁명이 시작된 17세기 이후부터는 인간의 산업활동으로 인해 대기 중의 이산화탄소 농도가 급격히 변화하고 있으며 이로 인해 지구온난화가 야기된다는 가설이 제기되고 있다. 우리가 탄소순환에 대해 알고 있는 것과 모르고 있는 것들, 이산화탄소 증가가 생물계에 미칠 수 있는 되먹임에 대해 살펴보자.
잃어버린 탄소를 찾아라
지구는 대략 ${10}^{23}$g 정도의 탄소를 보유하고 있으며 이 중 대부분은 유기물이나 탄산염의 형태로 퇴적암에 저장돼 있다. 그 중 일부(약 4×${10}^{19}$g)가 다양한 경로를 통해 순환하며 변환된다. 대기 중의 이산화탄소를 저장하는 대표적인 반응은 육상식물에 의한 광합성과 해양에 무기 탄소 형태로 용해되는 것이며, 대기 중에 배출되는 반응은 식물과 토양 미생물에 의한 호흡이 대표적이다. 오랫동안 이 반응은 평형을 이뤄 대기 중의 이산화탄소는 장기간 일정한 농도를 유지했다. 그러나 인간 활동에 의해 평형 상태는 깨졌으며 그 결과 대기 중의 이산화탄소 농도는 빠른 속도로 증가하고 있다.
인간은 퇴적암에 저장돼 있던 화석연료를 뽑아내 연소시킴으로써 연간 약 6×${10}^{15}$g 이상의 탄소를, 산림을 농경지로 전환시키거나 벌채해 약 1×${10}^{15}$g 이상의 탄소를 대기로 방출했다. 그 결과 대기 중의 이산화탄소 농도는 산업혁명 전 2백88ppm(1ppm은 1백만분의 1의 의미)에서 2000년 현재 3백86ppm을 기록하고 있으며 금세기 말에 이르면 이 농도는 5백-7백ppm에 이를 것으로 추산된다. 이에 따라 여러 방면에서 이산화탄소의 농도 증가양상과 그 영향에 대한 연구가 많이 진행되고 있다.
그럼에도 불구하고 아직까지 전지구적인 탄소 순환에 대해 풀리지 않는 부분이 많이 존재한다. 예를 들어 대기 중 이산화탄소의 증가량은 이론적으로 화석연료 사용과 산림파괴에 의한 탄소 발생량에서 육상 식물의 광합성량과 해양이 흡수하는 양의 합을 뺀 값과 같아야 한다. 그러나 실제로 1980년대에 각 항목을 분석해본 결과 1.9×${10}^{15}$g 정도의 탄소가 계산상으로는 흡수되지 않고 어디론가 사라졌다. 이것을 밝히기 위한 많은 연구에도 불구하고, 2001년 영국의 과학전문지 ‘네이처’에 발표된 쉬멜 등의 논문에 따르면 오히려 1990년대에는 약 2-4×${10}^{15}$g 의 탄소가 우리의 계산을 피해 어디론가 사라지고 있다. 이 엄청난 양의 탄소는 어디로 사라져버린 것일까. 이러한 탄소를 ‘잃어버린 탄소’(Missing Carbon Sink)라 부른다.
교토의정서 바꾼 ‘미국의 과학’
잃어버린 탄소는 어딘가 이산화탄소가 흡수되고 있음을 말한다. 이산화탄소 증가에 대한 연구는 기상학 분야에서 주로 이뤄졌다. 그 결과 배출된 이산화탄소가 기후에 미치는 영향이 어느 정도인가를 예측하는 모델들이 많이 만들어졌다. 또한 해양에 화학적으로 흡수되는 이산화탄소의 양에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다. 그러나 아직까지 탄소의 배출과 흡수에 있어 가장 큰 양을 차지하는 육상의 생물에 대한 연구는 미흡하다. 예를 들어, 대기 중의 이산화탄소의 양을 조절하고자 할 때 공장의 가동을 줄이고 자동차 사용을 줄이는 등의 방법을 통해 인위적인 배출을 정량적으로 감소시킬 수 있겠지만 이산화탄소 생성의 주원인인 땅속 미생물과 식물 뿌리의 호흡에 대한 정확한 이해 없이는 실제적으로 대기 중 이산화탄소 농도의 예측과 조절은 불완전하다.
그런데 일부 식물생리학자들은 실험실 조건 하에서 이뤄진 실험을 통해 이산화탄소 농도가 높을수록 식물의 광합성량이 증가하고(30% 정도) 식물의 성장속도가 빨라지며 특히 지상부에 비해 지하의 뿌리가 빠르게 성장함을 보고했다. 이러한 결과는 인간에 의해 대기 중에 증가된 이산화탄소가 결국은 식물의 광합성에 의해 육상생태계에 고정돼 장기적으로는 큰 문제가 되지 않는다는 위험한 결론에 도달할 수 있다. 또한 일부 과학자들은 대기 평균온도가 상승하면 영구동토층의 남방 경계선이 점점 북쪽으로 이동하고 따라서 더 많은 지역에서 식물이 성장할 수 있어서 대기 중의 이산화탄소를 육상생태계로 이동시킬 수 있다는 주장을 펴고 있다. 자동차 기름값이 한국의 1/3밖에 안되는 사회를 유지해야 하는 미국의 공화당 행정부의 많은 사람들은 이러한 이론들을 과학이라고 신봉하고 있다.
1997년 12월 일본 교토에서 열린 제3차 기후변화협약 회의에서 1백68개국이 2010년까지 1990년의 이산화탄소 배출 수준의 5.2 %를 줄일 것을 결의하고 온실가스배출량 감축에 관한 구체적인 이행방안을 담은 교토 의정서(Kyoto Protocol)를 체결했다. 그런데 미국은 자국처럼 삼림이 많은 나라는 이산화탄소 배출을 상당부분 흡수할 수 있다며 이산화탄소 배출량 규제에 차등을 둘 것을 주장했다. 그 결과 2001년 7월 독일 본에서 열린 유엔 기후변화협약 당사국 6차 회의에서는 나라별로 이산화탄소 배출량을 산출할 때 각국의 삼림 및 농지가 흡수하는 이산화탄소의 양이 감축량으로 인정받게 됐다. 이로 인해 미국의 삭감량이 줄어든 것은 당연한 일. 일본은 삼각목표 6% 가운데 최대 3.8%를 삼림효과로 대체하게 됐다. 일본 중의원은 올 5월 의정서 비준안을 승인했다. 그러나 미국은 이러한 조치에도 불구하고 여전히 비준을 거부하고 있다.
식물 이산화탄소 흡수 능력엔 한계 있어
그러나 이산화탄소가 늘어나면 식물이 흡수하는 능력도 커진다는 결과들은 단기적인 실험에 근거한 것으로 자세히 들여다보면 많은 문제가 있는 주장임이 다양한 실험을 통해 밝혀졌다. 최근에는 장기적이며 자연적인 결과를 얻기 위해 온실의 윗 덮개를 제거한 ‘open-top chamber’나 빈 공간에 이산화탄소를 뿜는 FACE(Free-Air Carbon dioxide Enrichment) 실험 장치 등이 도입되고 있다.
미국 듀크대 윌리엄 슐레진저 박사팀은 지난 4월, 2050년 이산화탄소 배출량이 두배로 증가된다는 것을 가정하고 자연상태에서 이와 같은 조건을 나무에게 준 결과를 발표했다. 이에 따르면 2050년의 상황에 맞춘 실험 구역의 나무들은 비교대상구역의 나무들에 비해 이산화탄소 흡수량이 27% 높게 나왔다. 그러나 2050년에 모든 숲의 나무들이 실험대상 구역과 같은 성장속도를 보여도 산업사회가 배출하는 이산화탄소의 10%밖에 흡수하지 못할 것이라고 밝혔다.
미국 워싱턴대의 제프리 리키 박사팀은 4월 ‘네이처’에 아마존 열대우림의 강물과 습지에서 낙엽 등이 썩는 과정에서 숲이 흡수하는 만큼의 이산화탄소가 배출된다는 연구결과를 발표했다. 즉 열대우림의 이산화탄소 흡수와 배출량은 균형을 이루고 있다는 것. 대기 중에 배출되는 이산화탄소가 늘어나면 기온이 올라가 나무의 성장속도도 빨라진다. 그 결과 이산화탄소 흡수량이 늘어나지만, 그만큼 낙엽의 양도 증가해 이산화탄소 흡수 효과가 미미해진다는 의미다.
최근에는 대기 중에 이산화탄소 농도가 증가하더라도 다른 요소들이 식물성장을 억제해 광합성의 증가가 계속 유지될 수 없다는 연구결과들이 속속 나오고 있다. 구체적인 메커니즘으로 제안된 것들은 다음과 같다. 첫째, 식물은 많은 이산화탄소에 노출되면 스스로 기공의 수를 줄이거나 기공을 조금만 열어 광합성 효율은 높이는 대신 절대량은 증가하지 않을 수 있다. 둘째, 토양으로부터 얻는 다른 영양소(질소, 인, 칼륨 등)가 식물성장의 제한요소로 작용해 광합성은 계속해서 증가하지 못하며 특히 C:N 비율(식물체 내의 탄소와 질소의 비율. 대기 중 이산화탄소 농도의 증가는 이 비율도 증가시키는 것으로 밝혀졌다)의 불균형은 식물의 성장에 영향을 미치며 낙엽과 죽은 뿌리의 분해 속도를 감소시켜 뿌리를 통한 영양물질의 공급을 방해한다. 마지막으로 수분을 비롯한 다른 물리적인 요인들이 제한요소로 작용할 수 있다.
광합성 증가 앞지르는 미생물 호흡
이 외에도 육상생태계가 대기 중의 이산화탄소를 제거하는 장기적인 저장소가 될 수 있다는 실험 결과들도 매우 회의적이다.
일시적인 광합성의 증가로 고정된 유기탄소는 장기적으로 토양 내에 축적되는 것이 아니라 미생물의 호흡을 통해 빠른 시간 내에 대기로 되돌아가는 것으로 관측됐다. 즉 증가된 광합성 산물은 장기적으로 식물체나 토양 유기물에 축적되는 것이 아니라, 미생물이 사용하기 쉬운 형태인 까닭에 짧은 시간 안에 미생물의 호흡으로 대기로 다시 되돌아간다는 것이다.
또 영구동토층의 남방 경계선이 이동하면 새로운 식물이 자라기에 앞서서 그곳에 오랫동안 저장돼 있던 이탄 유기물들이 미생물들의 분해작용으로 급격히 대기 중으로 방출될 수 있다. 현재 북구 이탄지대에 저장돼 있는 유기물량이 약 4백55×${10}^{15}$g으로 추산되고 있다. 만일 평균기온의 상승으로 이 중 일부만 미생물에 의해 분해돼도 대기 중 이산화탄소 농도에 큰 영향을 미칠 수 있다.
수년 전에는 바다에 사는 조류가 철분이 부족하면 광합성을 잘 하지 못한다는 것을 알고 철분을 인공적으로 공급해 조류발생을 유도, 대기 중 이산화탄소를 제거하고자 하는 실험들도 있었다. 이후 다른 생태적인 부작용에 대한 연구들이 많이 제기돼, 복잡하고 장기간에 걸쳐 작동하는 생태계를 단기간의 공학적인 접근으로 해결하려는 것이 얼마나 위험한 일인가를 보여줬다.
한편 필자의 실험 결과에 따르면, 습지와 같은 일부 생태계에서는 대기 중의 높은 이산화탄소가 메탄(CH₄)이나 아산화질소(N₂O)와 같은 이산화탄소보다 더 강력한 온실기체의 생성을 증가시켜 대기의 온난화를 가속화시키는 일도 일어난다. 이처럼 지금까지 고려되지 않았던 이산화탄소에 의한 양의 되먹임, 즉 이산화탄소 증가가 생물계로부터의 이산화탄소나 다른 온난화기체 발생을 더욱 가속화시키는 경향을 생각해보면 지구 온난화의 위험성에 대한 경고는 이미 너무 늦어버린 것일지도 모른다.
지난해 세계에서 가장 저명한 기상학자 및 환경학자 수백명이 참여해 작성한 정부간 패널(IPCC, Intergovernmental Panel on Climate Change) 보고서에 의하면 지난 1995년에 예측했던 것보다 거의 2배에 달하는 속도로 지구 온도가 상승하고 있으며 금세기 말까지 5.8℃나 상승할 것이고 이같은 급속한 기온상승은 흉년과 물 부족, 질병 증가, 홍수로 인한 도시와 마을의 파괴, 산사태와 해상폭풍 증가 등을 초래할 것이라 경고했다. 이에 따라 이산화탄소 감축 과 그 영향에 대한 연구는 전세계에서 시급하게 진행되고 있다.
사회경제적인 측면에서는 이산화탄소 배출량을 감소시킬 수 있는 산업구조로 재편하는 연구들이 진행되고 있고, 공학적인 접근으로는 각 산업공정에서 이산화탄소 배출을 최소화하는 노력들이 진행되고 있다.
자연과학자들은 인간활동과 관계없이 길고 긴 시간을 유지해온 자연에서의 탄소 순환 메커니즘과 좀더 정확한 측정법을 개발하기 위해 많은 연구를 하고 있다. 특히 대기 중에 증가된 이산화탄소의 농도가 생물계로 흡수될 수 있을 것인가에 대해 큰 관심을 갖고 연구를 진행하고 있다.
생태계 전반적인 연구 필요
이산화탄소가 자연생태계에 미칠 영향을 판단하기 위해서는 다음과 같은 연구가 더욱 필요할 것이다.
첫째, 이산화탄소 증가로 식생의 광합성량이 일시적으로 증가하면서 토양 미생물과 어떤 상관관계를 갖는지에 대한 연구가 필요하다. 특히 탄소 이외의 질소와 같은 무기 영양소를 식물이 충분히 확보할 수 있을지 아니면 미생물의 생체량이 증가해 질소를 모두 흡수할지에 대한 연구는 아직도 결론이 나지 않은 연구 테마다. 둘째로 이산화탄소 방출량이 가장 높은 적도 부근이나 많은 양의 탄소가 분해가 안된 유기물상태로 저장돼 있는 냉대 또는 극지방에 대한 측정과 연구가 더욱 필요하다. 지금까지의 연구는 주로 온대 활엽수림을 중심으로 이뤄졌으나 지역적인 연구범위를 더욱 확대시킬 필요가 있다. 특히 이러한 지방은 많은 양의 탄소를 교환하고 있거나(적도 지방), 많은 양의 탄소를 보유하고 있어서(냉대 지방) 지구기후변화에 가장 많은 영향을 미칠 것으로 예상되는 지역이다. 셋째, 여러 요인들이 동시에 작용할 때 생태계의 변화에 대한 정보는 매우 유용하다. 기후변화 시나리오에 따르면 대기 온도와 이산화탄소의 농도가 증가하며 강우 패턴도 큰 변화를 보일 것으로 예상되므로 만일 이러한 요소들이 동시에 일어날 경우에는 생태계에 어떤 영향을 미칠지 예상하는 것은 아주 어렵지만 중요한 연구과제다.
우리가 대기 중의 이산화탄소 증가를 걱정하고있듯이 우주 저 건너편에서는 쌓이는 모래를 걱정하며 대책을 세우고 있는, 멀더가 말한 규소 생물들이 있을지도 모른다. 우리를 비롯한 지구의 생물들은 아마도 그 규소 생물을 만나게 될지도 모르는 먼 미래에도 지금과 같은 탄소의 순환을 유지하며 살아가고 있을것이다. 우리가 대기 중 이산화탄소 증가 문제를 잘 해결해서 ‘지구호’에서 안전하게 생존한다면 말이다.
