우리는 얼마나 알고 있을까? - '물' 'water'편

물은 지구 표면에 72%를 구성하는 가장 풍부한 자원입니다. 이 말은 참 흔하디 흔하다는 뜻인데, 그런데 이 흔한 자원이 우주에서 가장 이상한 물질이라는 것을 알고 있었나요? 모든 생명체는 물을 기본적인 요소로 살아갑니다.

 

과연 물이 없이 살아갈 수 있는 생명체가 있을까?

 

현재까지 수분을 기반으로 살아가지 않는 생명체는 발견되지 않았다고 합니다. 현재까지 빛, 산소, 온기, 지구의 대기는 살아가는데 필요하지 않은 유기체들이 있습니다. 우주에서도 많은 미생물들이 존재할 수 있는 이유이기도 합니다. 하지만 그런 생명체들도 결국 살아가기 위해서는 절대적으로 수분이 필요합니다. 그러나 우리 주변에 너무 흔하기 때문에 그 중요성과 신비함은 잊고 사는 것이 아닌가 싶습니다. 물은 정말 기적에 가까운 물질입니다.

 

지구상에서 뿐만 아니라 우주 어디에서도 들어본 적이 없는 신비한 특성들을 가지고 있습니다. 현재까지 밝혀지지 않은 특성들과 우주 어디에도 물이 아닌 다른 물질을 기반으로 하는 생명체를 인간의 힘으로 찾는다는 것은 매우 불가능한 일입니다. 오늘은 이 주변에 너무 흔하게 있는 물이 왜 이상한 물질인지 알아보도록 하겠습니다.

 

 

 

 

1. 표면장력

표면 장력은 분자가 서로 잡아당기는 현상때문에 생기는데 이는 우리가 종이컵이나 컵에 물을 부었을 때 가득 채워도 바로 흘러내리지 않는 것을 일상생활에서 흔히들 보셨을 것입니다. 모든 액체는 그 형태를 유지하려는 표면장력을 가지고 있는데, 물의 표면장력은 우리가 알고 있는 어떠한 액체보다 훨씬 높습니다. 

 

출처 : 위키백과(wikipedia)

이 독특한 특성때문에 지구생명체의 구성에 상당한 영향을 미치게 됩니다. 예를 들면 80%의 수분으로 구성된 혈액이 중력을 이겨내며 우리의 몸을 순환할 수 있게 해주는 특성입니다. 이 것을 모세관현상이라고 하는데 관속의 액면이 관밖의 액면보다 높아지거나 낮아지는 현상 또는 분자사이의 인력과 분자와 가느다란 관의 벽 사이에 작용하는 현상입니다.

 

바로 이런 특성이 말씀드린 것과 같이 중력을 이기며 우리 몸속에 혈액이 순환할 수 있는 이유이기도 하며, 나무 또는 식물들이 뿌리를 내리고 구석구석 수분을 이동시킬 수 있는 원리인 것입니다.

 

모든 액체는 표면장력이 존재합니다. 하지만 물의 이상한 점은 표면장력이 많이 높습니다. 이 표면장력이 높은 나머지 물보다 밀도가 높은 동전도 띄울 수 있을 정도입니다.

 

 

 

 

2. 기본적인 법칙을 무시하는 물

일반적으로는 물체는 가열될 때, 팽창하고 냉각이 되면 줄어들게 됩니다. 금속가열팽창실험을 보면 차가운 쇠구슬이 비슷한 크기의 구멍을 무리 없이 통과하지만, 가열된 쇠구슬은 통과를 하지 못하게 됩니다. 이렇듯 이것은 물질의 기본법칙인데, 물질을 가열하면 분자가 요동치면서 부피가 팽창되고, 차갑게 식히면 분자 간의 거리가 축소되어 부피가 줄어들게 됩니다.

 

하지만 이러한 기본법칙은 물에 적용이 되지 않습니다. 가만히 생각해 보면 우리가 흔히 보던 것인데, 그냥 지나가는 일이다 보니 이상한 점을 느끼시긴 어려웠을 것 같습니다. 물은 반대로 냉각하면 팽창되기 때문입니다. 용기에 얼음을 넣은 후 부피를 기록한 후 따뜻해질 때까지 기다리면 액체화된 물은 고체형상보다 더 작은 부피를 차지하게 됩니다.  

 

이 특징은 우리가 생수병을 냉동실에 넣어놓았을 때, 나중에 꺼내보면 생수병이 부풀어있는 형상과 동일한 현상입니다. 이런 현상은 현재까지 물의 분자구조가 온도에 따라 어떻게 변하는지에 따른 결과인 것으로 확인되었지만, 직접적인 원인에 대해서는 현대과학에서는 밝혀진 바가 없습니다.

 

 

 

 

3. 음펨바효과

일반적인 논리로는 차가운 물질이 어는점과 더 가까이 있어 더 빨리 얼고 뜨거운 물질은 어는 점과 온도차이가 커서 더 늦게 얼게 됩니다. 하지만 물은 뜨거운 물이 차가운 물보다 빨리 어는 현상이 있습니다. 이 현상은 처음 논문을 쓴 '탄자니아의 베라스토 음펨바'의 이름을 따서 음펨바 효과라고 불리게 되었습니다. 

 

음펨바효과는 상식적으로 이해하기는 힘들지만 실제로 관측이 가능한 현상입니다. 이는 많은 과학자들이 풀지 못한 난제 중 하나입니다.

 

 

 

 

4. 캄브리아기 대폭발

캄브리아기 대폭발은 기원전 약 5억 3천만 년 전에 다양한 종류의 많은 화석들이 갑작스럽게 출현한 지질학적 사건입니다. 캄브리아기 대폭발 이전의 대부분의 생물들은 단세포 또는 작은 다세포 유기체로 구성된 상대적으로 단순한 구조였다고 합니다. 하지만 그 이후에 캄브리아 초기를 지나는 동안에 생명의 다양성은 훨씬 더 복잡해지고 오늘날과 비슷해지기 시작했습니다. 오늘날 지구상의 모든 동물'문'의 초기 형태가 이 시기에 나타났다고 합니다. 여러 가지 감각기관의 분화도 생기기 시작하고 척추동물이 속한 척삭동물도 이 시기에 지층에서 발견되기 시작했습니다.

 

지구의 생명이 탄생한 이후 대부분의 생명체는 단순하고 거의 움직이지 않은 생명체로 존재했습니다. 그리고 그 생명체 중 대부분은 생존하기 위해 산소조차 필요하지 않았습니다. 그리고 이 캄브리아기 대폭발 이후로 생명체의 종류가 다양해지기 시작한 시점은 바로 '바다'입니다. 현재까지 과학자들 사이에서 물의 어떤 특징으로 인해 이 시기 생명체의 종류가 폭발적으로 많아진 이유에 대해서 다양한 의견이 있지만, 모든 것이 가설일 뿐 그 원인에 대해서 밝혀진 바는 없습니다.

 

 

 

 

5. 물은 온도가 올라가면 액체로 존재할 수 없다.

물이 0도에서 얼고 100도에서 끓는다는 당연한 상식이지만, 과학적인 시점에서 본다면 이는 굉장히 신기한 현상입니다. 일반적으로 산소족원소를 비롯해서 모든 원소는 어는점과 끓는점은 분자량에 비례해서 증가하게 됩니다. 원자주기율 표에 있는 다른 산소족원소(산소, 황, 셀레늄, 텔루륨, 폴로늄, 리버모륨)의 수소화합물과 비교해 볼 때 물은 섭씨 영하 110도에서 얼고 영하 80도에서 끓어야 합니다. 그렇다면 물은 상온에서 기체 상태로 존재하여야 하는 것이 맞습니다. 하지만, 물은 0도에서 얼고 100도에서 끓습니다. 상온에서 물이 액체 형태를 가지고 있는 것은 물만이 가지고 있는 매우 특이한 성질인 것입니다. 즉, 텔루르화수소, 셀렌화수소, 황화수소는 이 온도 범위에서 액체가 아닌 기체입니다. 만약 물이 물과 조성이 비슷한 물질들의 성질을 따른다면 물은 영하 100도와 영하 90도 사이에서 액체가 될 것입니다. 이렇게 된다면 지구에는 액체 상태의 물이 사라지게 될 것 입니다. 왜냐하면 지구의 온도는 영하 90도보다 훨씬 높기 때문입니다.

 

 

이렇게 우주에서 가장 이상한 성질을 갖고 있는 물은 과연 어디로부터 온 것일까요? 

 

성경 구약에서만 마임(mayim, 물, מַיִם)이란 단어는 580회 정도 나올 정도로 신학적으로도 역사적, 의식적, 은유적으로도 중요한 위치에 있는 것으로 보입니다. 이렇듯 우리는 흔한 물을 아무 생각 없이 마시고, 사용하지만 이쯤 돼서 한번쯤 생각해 보시는 것도 좋을 것 같습니다.

 

이상입니다.