세상을 이루는 모든 물질은 원자라는 우리 눈에는 보이지않는 작은 입자들로 이루어져있습니다
원자의 세계를 알기 전에는 세상의 모든 원리를 표피에 드러난 자연현상을 기준으로 이해하였으나, 미시세계를 볼수있게되면서부터는 원자를 중심으로 세상을 이해하기 시작하였습니다
세상 모든 것이 아는 만큼 보이는것처럼 원자의 구조가 드러나면서 과학기술 또한 원자세계까지 들어가며 발전되어갔습니다
과거 연금술사들은 물질을 근원이 무엇인지를 알고싶어하였지만 그 시대에는 물질을 이루는 요소는 물과 공기, 불이라고 생각하였기에 이들을 이용해서 가장 완전한 물질이라고 생각하였던 금을 만들어내려하였습니다
이 글에서는 연금술사들이 이루려하였던 금을 만들기 위한 연구에서부터, 현대에 들어서 실제로 그러한 기술이 가능한지와 현대의 연금술이라고도 할수있는 공기중의 입자를 이용해서 버터와 단백질을 만드는 기술, 그리고 세포 하나를 떼어내 우리들의 식탁에 오르는 고기를 만드는 과학기술들을 살펴보겠습니다
원자핵을 바꿔 금을 만드는 이야기
물질의 이루는 가장 작은 알맹이인 원자는 원자핵과 양성장, 중성자, 전자로 이루어져있습니다
그리고 원자는 원자핵과 그 주위를 도는 전자로 이루어져있고, 원자핵은 또 양성자와 중성자로 이루어져있습니다
모든 물질이 기본적인 구조는 동일한데 각각의 물질이 종류 별로 나누어지는 이유는 원자핵을 이루고있는 양성자의 숫자가 다르기때문입니다
예를 들어서 양성자가 1개면수소, 2개는 헬륨, , , 5개는 붕소, 6개는 탄소, 7개는 질소, 8개는 산소 이런 식으로 양성자의 숫자에 따라 물질의 종류가 달라지기때문에 과학자들은 이 양성자의 숫자를 원자 번호로 정하여놓았습니다
그런데 양성자끼리는 서로 밀어내는 성질이 강하여서 서로 뭉쳐있지를 못하는데, 중성자가 서로 떨어지려는 양성자들을 묶어놓는 힘입니다
그래서 양성자의 수가 많을수록 비례하여 중성자의 수도 많아져야 떨어지려는 양성자들을 하나로 묶어놓을수있습니다
그런데 어떠한 이유로 양성자와 중성자의 균형이 깨지게되면 원자핵은 스스로 안정을 찾기 위해서 방사선을 내뿜으며 양성자가 중성자가 되거나, 또는 없어지거나 새로생기면서 양성자의 숫자에 변화가 생기면서 다른 종류의 원자로 변하게됩니다 그래서 양성자의 숫자가 많은 물질들은 방사성 물질이 많습니다
가장 안정된 구조를 갖고있다는 금의 양성자의 숫자는 79입니다 그리고 양성자를 붙잡아주는 중성자의 수는 118인데 이는 마법의 숫자라고 불릴만큼 굉장히 안정된 비율이라고합니다
그래서 금은 변하지않는 물질이면서도 아름다운 색과 빛을 가지고있어서 오랜 옛날부터 화폐뿐만 아니라 장신구로서도 귀하게 사용되어왔습니다
그래서 고대의 연금술사들은 금을 물질의 가장 완전한 단계로 보았습니다
그래서 그 당시 물질 구성의 가장 기본이라고 생각하였던 불과 물과 공기로 단련하면 금의 단계로 갈거라고 생각하여 납이나 철같은 물질들을 불로 가열했다가 식히기를 반복하는 등의 화학적인 실험으로 금을 만드려고하였습니다
그러나 물질의 표피만을 알수밖에 없었던 그 당시의 지식은 당연히 실패할수밖에 없었습니다
그러나 물질의 근원을 알고자하였던 그들의 시도는 산과 염기와 같은 원소들을 분리하는 성과를 얻어 오늘 날 화학실험의 시초가 되어주었습니다
그리고 그들과 같은 DNA를 가진 호기심과 탐구심을 가진 후대의 사람들은 물질의 근원을 탐구해나가다가 원자라는 알맹이까지 보게되었으며 그 작은 입자들을 다루는 방법까지 알게되어 열과 압력, 촉매라는 방법으로 새로운 물질을 만들어내기도하였습니다
지난 글에서 석유라는 물질로부터 수 많은 새로운 물질을 만들어내는 과정을 알아보았듯이 그들이 했던 실험이 결코 근거없는 허황된 실험이 아니었음을 알수있습니다
그렇다면 현대에는 다른 물질을 금으로 만들어낼수있을까요
결론은 만들수있지만 만들 필요가 없다는것입니다
먼저 헬륨을 예로 들어보겠습니다
헬륨은 양성자2, 중성2인 원자핵으로 이루어져있습니다
그래서 수소를 금으로 바꾸려면 양성자 76개를 추가하고 같은 비율로 중성자도 채워넣어야합니다
그런데 문제는 양성자끼리는 서로 강력하게 밀어내는 힘을 가지고있습니다 그래서 이들을 결합시키려면 이보다 더많은 숫자의 중성자를 넣어야하는데 이러한 과정은 정말 어마어마한 에너지가 필요하고 엄청난 장비가 필요하며 또한 이러한 방법을 실행하는 과정은 안전하지도 않기때문에 방법은 알지라도 현실적으로 실현하기는 불가능합니다
그렇다면 납과 같이 금보다 양성자가 2개 정도 더 많은 원소는 어떨까요 양성자 2개를 떼어내는 방법은 가능할까요
양성자 2개를 떼어내려면 입자가속기와 같은 초고가의 장비가 필요하며 또한 엄청난 에너지가 필요합니다
그리고 납에서 양성자 2개를 빼내었다면 그 양성자에 맞는 중성자가 필요합니다 그런데 양성자를 빼냈다고해서 그에 맞는 중성자가 저절로 만들어지는것이 아니기때문에, 이렇게 만들어진 원자핵은 양성자와 중성자의 균형이 깨어져서 불안정해지고, 그 결과 방사선을 내뿜으며 붕괴될 위험이있습니다
1941년 실제로 입자가속기를 이용하여서 수은과 중성자를 충돌시켰더니 10mg의 금과 250mg의 백금이 만들어졌다고하는데 이 후 이 금과 백금은 시간이 지나면서 방사성물질을 내보내며 붕괴되었다고합니다
결국 현대 기술로는 석유를 플라스틱이나 나일론으로 분자 구조에 약간의 변형을 가하여 새로운 물질을 만들수는 있지만 원자핵의 구조 자체를 바꾸는것은 너무나 비현실적인일입니다
그러나 과학이 발전한 지금은 금보다도 가치있는 보물들이 많고 또한 연금술사들이 그렇게도 이루고싶어했던 꿈을 현대의 과학자들이 이룰수있는 지식과 기술이 있는것만으로도 대단하다고 할수있을것입니다
공기에서 버터를 만들어내는 기술
최근에 공기의 분자를 이용하여서 버터를 만들어내는 기술이 개발되었다고합니다
빌게이츠는 이 버터의 맛에 반하여서 세이버라는 이 기업에 투자하였다고하는데, 어떻게 공기 중에서 버터가 만들어지는것일까요
버터는 글리세롤 1분자와 지방산 3개의 결합으로 이루어져있습니다
글리세롤과 지방산은 탄소와 수소, 그리고 미량의 산소로 이루어져있기때문에 먼저 이 원소들을 포집하는 과정이 필요합니다
먼저 이산화탄소에서 탄소만을 분리시킵니다
그리고 물에서 수소를 빼내고 여기에 약간의 산소를 추가합니다
이렇게 모아진 원소들을 열이나 압력, 촉매들을 이용하여서 화학적으로 결합시켜 글리세롤과 지방산을 만든 후 굳게 만들고 여기에 소금등을 가미시켜서 버터를 만든다고합니다
(참고로 우유에서 버터를 만드는 방법은 우유를 대략 20~25ºC의 온도에서 1~2일 정도 두면 지방이 자연스럽게 위로 떠오르게 하여 지방을 추출하거나 아니면 원심분리기를 사용하여 지방을 빼냅니다
이렇게 모아진 지방을 크림이라고하는데, 이 크림을 세게 저으면 지방구가 서로 엉기면서 합쳐지면서 크림에 섞여있는 물과 단백질이 분리됩니다 ㅜ이렇게 지방구끼리 뭉쳐진 것이 버터입니다)
이렇게 만들어진 버터의 맛은 우리가 시중에서 사는 버터와 맛과 풍미가 거의 비슷하다고하는데, 사실 버터라는것을 분해하고 분해하다보면 결국, 탄소와 수소, 산소로 이루어진 것인데, 우유라는 물질에서 지방산을 추출한것이나 과학의 힘으로 이 원소들을 결합하여 만든것이나 어찌보면 똑같이 맛이 난다는것이 당연할수도있을것입니다
이 버터는 빌게이츠외에도 여러 투자자로부터 지원을 받고있는데 2025년부터 상용화를 목표로하고있다고합니다
인공 단백질
인공버터외에도 핀란드의 솔라푸드라는 기업은 공기중의 이산화탄소와 물, 그리고 미생물을 이용하여 단백질 분말을 만든다고하는데 이들이 단백질을 만드는 방법은 흡사 누에가 잎사귀를 먹고 단백질 실을 만들어내는것과 흡사합니다
먼저 특수한 미생물이 자랄수있는 환경을 만들어주고 여기에 이산화탄소, 수소, 약간의 미네랄을 공급해줍니다
그러면 이 미생물은 이산화탄소와 수소를 먹고 살아가는데, 성장하면서 단백질을 몸 안에 쌓아두면서 성장하기때문에이 미생물 자체가 단백질 덩어리라고합니다
다 성장한 미생물은 물과 불순물을 제거하고 단백질만을 채취하여 단백질 분말을 만드는데 인공 단백질을 만드는 이 기업은 핀란드의 정부에서 뿐 아니라 여러 경로의 투자자로부터 지원을 받고있고, 싱가포르에서 신식품 승인을 받았으며 일부 제품은 사용화되고있다고합니다
세포 하나로 만드는 고기
현대 과학은 줄기세포 하나로 동물을 복제하기도하는데, 이제는 우리가 먹는 고기까지도 소나 돼지의 근육세포 하나를 떼어내서 만들수있다고합니다 이러한 고기를 '배양육'이라고 부르는데, 동물을 직접 키우지않고도 고기를 얻을수있다는 점에서 많은 관심을 받고있습니다
사실 동물을 키우는 과정은 굉장한 에너지와 정성과 시간이 필요하기도하지만 자연환경의 오염이라는 또 다른 희생을 치루어야하는 산업입니다
아주 오래 전의 축산업은 소규모 단위로 이루어져서 지구의 환경에 별 다른 영향을 주지않았지만, 현대의 축산업은 전 세계적으로 대규모로 이루어지고있기때문에 지구 환경에 큰 무리를 주고있습니다
●메탄가스와 지구온난화
소나 양의 트림과 방귀가 지구 온난화에 영향을 주고있다고합니다 참으로 우스운 이야기같지만 사실입니다
소와 양은 되새김질을 하는 동물들인데, 되새김질을 하는 동물들은 위 속에 또 다른 위를 가지고있다고합니다
이 되새김질을 하는 위에서는 아주 독한 메탄 가스가 나오는데 이 곳에서 나오는 트림이나 방귀 속의 메탄가스는 이산화탄소보다 약 28배나 강하다고합니다
그런데 지구에 있는 전 세계의 인구 수는 81억명이고, 세계적으로 분포되어있는 소의 수는 15억 마리, 양의 수는 12억 마리, 그러니까 소나 양이 지구 전체의 인구 수의 30%를 차지하고있는것입니다
정말로 많은 가축들이 있는것인데, 실제로 이들이 뿜어내는 메탄가스는 전 세계 온실스 배출량의 약 14~18%를 차지한다고합니다
또한 동물을 사육하려면 엄청난 면적의 목초지와 사료용 밭이 필요하기때문에 숲을 없애야하는데 그러면 생태계가 무너지게됩니다 실제로 아마존 열대우림의 약 80%가 축산업으로 파괴되었다고합니다
또한 가축이 먹을 사료을 재배하려면 비료나 농약등을 사용해야하는데, 여기서 나오는 이산화탄소, 아산화질소등으로 환경에 2차적인 피해를 주게되며 또한 가축의 배설물에서 나오는 암모니아 미세먼지등으로 주변의 토양과 하천을 오염시키기도합니다
대규모 축산업은 현대인들에게 언제든 고기를 먹을수있는 편리함을 주고있기는하지만, 지구 환경의 전체적인 건강과 미래를 생각한다면 대규모 축산을 줄이는 대안이 나와야할것입니다
그렇다면 세포 하나를 떼어내서 고기를 만드는 배양육은 확실한 대안이 될수있을까요?
먼저 배양육이 만들어지는 과정을 보겠습니다
배양육을 만드는 방법은 먼저 소나 돼지에서 근육세포를 조금 떼어냅니다
그리고 그 세포가 먹을 영양분이 들어있는 액체 속에서 키웁니다
그러면 세포 하나가 분열하면서 자라서 근육조직이 되어서 우리가 먹을 고기가됩니다
세포 하나가 분열하고 근육 조직으로 성장하는 과정은 자연에서 이루어지는 과정과 동일하기때문에 고기의 맛은 자연에서 나온 고기와 거의 같다고합니다
이 기술은 세포 하나가 잘 성장할수있는 환경을 조성해주면 되는 기술이며 또한 거대한 축산업에서 오는 여러가지 부작용을 줄일수있기 때문에 많은 나라에서는 배양육 기술에 관심을 가지고 연구 개발 중에 있다고합니다
마무리
지금까지 미시세계에서의 입자들을 이용하여 새로운 물질을 만들어내는 새로운 과학기술들을 알아보았습니다
만약, 현대의 이 과학기술들을 현대 과학이 밝혀낸 사실들을 접하지못한, 아주 오래 전 시대의 사람들이 보았다면 결코 이것을 기술로 보지않았을것입니다
아마 예수그리스도가 물을 포도주로 만든것같이, 보리떡 5개로 5000명을 먹인것과 같은 신적인 기적으로 보았을것입니다
그러나 아는만큼 보인다고 원자의 세계를 이해한 현대인들은 이러한 기술은 원인과 결과가 있는 자연현상을 이용하는것임을 충분히 이해하고있습니다
이제는 원자의 세계를 넘어 양자의 세계로 접어들었습니다
이 새로운 세계는 의식이 물질에 영향을 주기도하는 지금까지 우리가 이해하던 세계와는 전혀 다른 룰을 가지고있는 세계라고합니다
우리가 기적이라고 일컬었던 현상들이 이 곳에서는 너무나 당연한 자연현상일수도있습니다
우리는 어디까지 알수있을까요