5가지 원소로 보는 40억 년 지구 생명의 역사 지구에서 가장 중요한 변화는 무엇이었나? 거대한 소행성 충돌이나 화산 폭발이었을까? 이 책 『엘리멘탈』은 지구를 가장 크게 변화시킨 건 바로 ‘생명’이었으며, 그 변화의 근간에는 5가지 원소가 있다고 말한다. 브라운대학교의 생태학자 스티븐 포더는 수소(H), 산소(O), 탄소(C), 질소(N), 인(P)을 중심으로 40억 년 생명의 역사를 추적한다. ‘생명의 공식: HOCNP’를 이루는 이 원소들을 얻기 위한 생명체의 노력은 진화의 원동력이 되었으며, 나아가 지구 자체를 송두리째 바꿔놓았다. 남세균, 육상 식물 그리고 우리 인간은 그 일에 가장 성공하며 ‘월드 체인저’가 되었다. 그러나 이 세 월드 체인저의 성공은 예기치 않은 재앙을 불러왔다. 남세균은 광합성과 질소고정이라는 혁신을 이루었지만, 대기를 산소로 채우며 산소가 없는 환경에서 번성하던 미생물을 대규모로 멸종시켰다. 육상 식물은 물과 암석 속 인을 캐내는 능력으로 대륙을 푸르게 뒤덮었지만, 대기 중 이산화탄소를 과도하게 흡수하면서 지구를 꽁꽁 얼렸다. 그리고 우리 인간은 탄소 에너지를 대량으로 사용하며 지구를 급격히 데우고 있다. 과연 인류는 선조 ‘월드 체인저’들과 다르게 환경 재앙을 피하고 다른 길로 갈 수 있을까? 이 책은 흥미로운 서사와 최신 과학을 결합해 지구의 위기와 우리가 나아가야 할 방향에 대한 새롭고 매혹적인 관점을 제시한다.

서문: 세상을 바꾸는 가장 작고 위대한 것들 1부 과거로부터의 교훈 1 지상 최대의 환경 변화 2 식물, 대륙을 정복하다 2부 인류, 원소를 지배하다 3 인간, 탄소, 에너지의 파괴적 순환 4 기후변화의 원인을 찾는 방법 5 질소, 마법의 골디락스 원소 6 인, 대체 불가능한 하얀 금 7 물, 육상 생명체의 핵심 3부 미래를 위한 길 8 생물지구화학적 행운 9 아직도 남아 있는 퍼즐 감사의 말 주석

상상조차 힘든 지질학적 시간의 깊이 속에서 이 유기체들과 그들이 촉발한 대변화들 사이를 이어 주는 끈은 모든 살아 있는 세포의 99퍼센트 이상을 이루는 5개의 원소들로 짜여 있다. 수소(H), 산소(O), 탄소(C), 질소(N) 그리고 인(P)이 바로 그것이다. 이 원소들을 나는 ‘생명의 공식: HOCNP’라고 부른다. 거대한 존재든 작은 존재든, 모든 유기체는 쉬지 않고 끈질기게 이 원소들을 찾아 모아들인다. 여기에 성공하는 유기체는 살아남는다. 그렇지 못한 유기체는 살아남지 못한다. 진화 과정에서, 더 기발하고 더 효율적인 방법으로 이 원소들을 갈무리하는 새로운 유기체가 탄생하면 그 유기체가 세상을 변화시킬 만한 무대가 차려진다. -10쪽

이렇게 단절된 교육 방식 때문에 나는 ‘살아 있는 행성’에서 산다는 게 무슨 뜻인지 제대로 이해하지 못했다. 물론 이 말은 기본적으로 지구에 생명체가 존재한다는 뜻이다. 그러나 더 중요한 것은 지구가 ‘생명 그 자체에 의해서 형성된 행성’, 특히 생명의 공식에 들어 있는 원소의 흐름에 영향을 주는 유기체들에 의해 형성된 행성이라는 뜻을 담고 있다는 것이다. 이 책을 읽고 난 뒤, 우리 시대에 인간이 지구에 일으킨 급속하고 다면적인 변화를 이 5개의 원소라는 렌즈를 통해 깨달음으로써, 과거에 지구가 겪은 변화를 독자들이 이해할 수 있게 되기를 바란다. 더 중요하게는, 세상에 대한 이러한 사고방식을 통해서 우리가 더욱 지속가능한 미래로 나아가는 데 도움이 되기를 바란다. -18~19쪽

남세균이 몰고 온 대산화사건으로부터 우리는 한 가지를 더 알 수 있다. 어떤 유기체가 생명의 공식 중 한두 가지 원소에 대해서만이라도 그 흐름을 바꿀 수 있게 진화한다면, 그 유기체는 경쟁을 이겨 내고 번성할 수 있다는 것이다. 그 원소들은 또한 기후와 밀접한 관련이 있으므로, 그 원소들의 흐름에서 일어나는 변화는 세상을 변화시킬 수도 있다. 사실 유기체와 유기체를 둘러싼 환경 사이에서 일어나는 이 원소들의 흐름, 즉 생물지구화학적 순환은 지구의 화학적 심장박동이라 해도 과언이 아니다. -51쪽

그러나 식물의 진화가 공기 중으로부터 충분히 많은 양의 CO2를 빼앗아가자 결국 온실효과가 약해지기 시작했다. 지구 전체가 열대기후였던 시기에는 땅 위에서 빠른 속도로 숲이 늘어나고 울창해졌지만, 지구의 기온이 눈에 띄게 낮아지기 시작했다. 지구에 빙하기가 닥치기까지 얼마나 오랜 시간이 걸렸는지는 정확하지 않다. 그러나 약 3억 년 전, 식물이 지상에서 본격적으로 세력을 확장하기 시작한 지 대략 1억 년 후 지상에서 대부분의 열대우림이 사라질 정도로 지구는 차가워졌다. 식물은 생존과 번식에 성공한 대가로 얼어 죽게 되었다. 진화상의 혁신과 번성이 비극적인 부수적 결과로 다시 한 번 환경 재앙을 불러온 것이다. -78-79쪽

인류가 지금까지 있었던 다른 어떤 생명체보다 특이하다는 것은 다른 면에서도 발견된다. 우리는 그저 우리보다 앞선 월드 체인저들이 했던 대로 했을 뿐이다. 인류는 탄소에서 에너지를 뽑아내는 새로운 방법을 발견했고, 우리에게 필요한 대로 그 방법을 마음껏 쓰고 있는 것이다. 지금까지 우리가 이해한 것들을 바탕으로 생각해 보면, 문제는 우리가 이 행성을 변화시킬 수 있느냐 없느냐가 아니다. 문제는 이렇게 화석연료를 사용하면서도 그 부작용이 지구 기후를 변화시키지 않도록 할 수 있느냐이다. -104쪽

딱 잘라 말해, 질소가 가진 문제는 이렇다. 인간과 인간의 생명 유지에 필수적인 작물들은 모두 자신의 몸을 구성할 단백질을 만드는 데 반응성 질소가 필요하다. 질소는 공기 중에 풍부한 기체지만, 반응성이 낮다. 사실 지구가 탄생한 이래 처음 40억 년 동안은 단세포 유기체들만 존재했는데 그중 하나인 남세균은 공기 중의 비활성 질소에 접근할 수 있었다. 나머지 생명체들은 남세균을 이용해 새로운 반응성 질소를 먹이사슬에 끌어들였다.
이 장에서는 인류의 혁신이 어떻게 지구의 평형을 깨고 반응성 질소가 희귀했던 행성에서 반응성 질소가 넘쳐나는 행성으로 바꿔 놓았는지 이야기하고자 한다. -140쪽

현대의 인간 사회는 서로 매우 다른 몇 개의 기둥 위에 세워졌다. 각각의 기둥에는 나름의 강점과 약점이 있지만, 우리는 그 모든 기둥에 동시에 의존하고 있다. 에너지를 제공하는 탄소 기반 화석 연료는 유한하지만 대체 가능하다. 식량을 마련해 주는 질소는 무한하지만 대체 불가능하다. 세 번째 원소, 인은 어떤가? 인은 불행하게도 유한하면서 대체 불가능하다. 따라서 아무 대책 없이 의존하기에는 위험한 기둥이다. 하지만 생명의 공식에 쓰여 있으니 우리는 이 기둥에 의존하지 않을 수 없다. -160쪽

내 연구 분야인 생물지구화학은 농경에 그 뿌리를 두고 있다. 작물을 기르려면 농부는 그 작물들의 생물학을 이해해야 하고, 기온과 일조량, 강수량, 그리고 어떤 토양에서 어떤 작물이 가장 잘 자라는지를 알아야 한다. 그래서 ‘생물’과 ‘지구과학’과 ‘화학’이 만났다. 이 책을 여기까지 읽은 독자라면, 인간이 마주하고 있는 가장 큰 환경상의 난제를 해결하는 데 생물지구화학이 근본이라는 것을 어렵지 않게 알 수 있을 것이다. 그리고 이는 무엇보다도 큰 문제, 기후변화에도 똑같이 적용된다. -210쪽

우리가 지금의 생활 방식을 유지하기 위한 에너지원으로 탄소에 의존하는 것은 세상을 바꾼 우리의 선조들이 탄소에 의존했던 방식과는 다르다. 남세균과 식물은 내부의 대사 작용으로 지구의 탄소 순환 사이클을 바꿔 놓았다. 인간은 화석연료로 움직이는 모든 것, 즉 우리 몸 밖의 대사 작용으로 탄소 순환 사이클을 바꿔 놓고 있다. 하지만 우리 외부의 대사 작용이 반드시 탄소 기반이어야 하고 온실가스를 배출해야만 하는 것은 아니다. -248쪽

핵심은 이것이다. 어떤 원소가 귀하면 진화는 그 원소를 효율적으로 이용하는 기질을 선택한다. 반면에 생태계는 풍부한 물질은 덜 효율적으로 이용한다. 성공의 열쇠는 보존과 재활용이지만, 이 두 가지 모두 빈곤한 물질에만 작용한다. 이 점을 기억하면서, 이제는 인간이 똑같은 원소들을 이용하는 방식에 대해서 생각해 보자. 다시 한 번 말하거니와, 결핍과 부작용이 우리를 강제하기 전에 우리에게는 세상을 바꿔 놓은 선조들로부터 잘 배우고, 그 배움으로부터 우리의 행동을 바꿀 기회를 만들어 낼 시간이 있다. -259쪽

지구를 바꾼 세 생명체와 다섯 가지 원소 지구 생명체 40억 년의 역사는 끊임없이 이어진 변화와 혁신의 드라마다. 그리고 그 드라마의 중심에는 5가지 원소, 바로 수소(H), 산소(O), 탄소(C), 질소(N), 인(P)이 있다. 수소는 산소와 함께 물을 이루며, 거의 모든 유기 분자의 필수 구성 요소가 된다. 산소 역시 물의 구성 요소이며, 호흡을 하는 생명체에겐 필수적이다. 탄소는 다양한 분자 구조를 형성하는 데 이용되는 생체 분자의 ‘뼈대’다. 질소는 단백질(아미노산)과?DNA의 핵심 구성 요소다. 인은 에너지 전달 물질인 ATP과 세포막의 구성 성분이다. 모든 살아 있는 생명체의 세포 99%를 이루는 이 원소들을 얼마나 잘 확보하느냐가 생명체의 생존과 번성을 결정짓는다. 긴 지구의 역사에서 세 종류의 생명체가 이 일에서 엄청난 성공을 거두었다. 남세균, 육상 식물, 그리고 우리 인간이다. 이 세 주인공은 원소의 활용에서 놀라운 혁신을 이뤄냄으로써 진화의 승자가 되었을 뿐 아니라 지구 자체의 환경도 뒤바꾼 ‘월드 체인저(World Changer)’가 되었다. 이 책은 생명체가 5가지 핵심 원소를 어떻게 활용하면서 번성하고 전 지구적인 변화를 이끌었는지 추적한다. 지구에 또 한 번의 변화를 일으키고 있는 우리는 여기에서 무엇을 배울 수 있을까? 생명의 위대한 혁신과 예기치 못한 재앙 첫 번째 월드 체인저는 남세균이었다. 남세균은 태양에너지를 이용해 바닷물 속의 탄소를 포집하여 양분을 만드는 광합성과 대기 중 질소를 고정시켜 이용하는 방법을 개발함으로써 엄청나게 번성할 수 있었다. 남세균은 광합성의 부산물로 막대한 양의 산소를 내뿜었는데, 이로 인해 당시까지 산소가 거의 없던 지구는 산소가 가득한 행성이 되었다. 이 ‘대산화사건(Great Oxidation Event)’은 인간을 포함한 다세포 생명체가 등장할 수 있는 무대를 만들어주었지만, 아이러니하게도 당시 지구 생명체의 대부분을 차지하던 혐기성 생명체들에게는 거대한 환경 재앙이었다. 산소가 있는 환경에서 제대로 살지 못하는 이들은 대다수가 멸종했고, 오늘날 심해 열수구 같은 제한적인 환경에만 남아 있다. 두 번째 월드 체인저는 육상 식물이었다. 바다에는 물(산소와 수소)이 가득하고, 광합성과 질소고정을 이용하면 탄소와 질소를 얻을 수 있다. 그러나 바다에는 인이 아주 드물었다. 인은 암석에 포함돼 있기 때문에 인을 얻기 위해서는 육지로 가서 바위에 접근할 수 있어야 했다. 남세균 이후 약 20억 년이 지나 육상 식물이 이 일을 해냈다. 식물은 뿌리를 이용해 암석에서 필수적인 인을 캐내고 물을 끌어 올리는 능력을 진화시켰다. 식물이 지구 전체로 확산하면서 지구는 진정으로 푸른 행성이 되었다. 그러나 식물의 폭발적인 번성 역시 환경 재앙을 불러왔다. 광합성을 위해 공기 중으로부터 이산화탄소를 대규모로 흡수한 결과, 지구를 따듯하게 유지시켜준 온실효과가 약해졌고 지구는 서서히 차가워지기 시작했다. 대략 1억 년 후, 지상에서 대부분의 열대우림이 사라질 정도로 지구는 차가워졌다. 세 번째는 우리 인간이다. 인류는 탄소 에너지를 사용하는 법을 알게 된 이후 어마어마한 속도로 탄소를 대기 중에 풀어놓고 있다. 식물은 100만 년마다 36ppm씩 이산화탄소 농도를 낮추었는데, 인류는 겨우 200년 만에 이산화탄소 농도를 280ppm에서 416ppm으로(2020년 6월 기준) 올려놓았고, 매년 4ppm씩 계속 올리는 중이다. 지구 평균 기온은 100년 만에 1.1도가 올랐으며, 21세기 말이면 3.8도까지 상승할지도 모른다. 원소 사용의 혁신이 환경 재앙이 되는 패턴이 이번에도 진행되고 있다. 인류의 성공과 깨져버린 원소 순환 인류는 물(산소와 수소), 질소, 인을 확보하는 데도 유례없이 성공했으며, 여기서도 비슷한 부작용이 발생하고 있다. 20세기 이전까지 대기 중의 질소를 고정해 활용할 수 있는 건 오직 남세균 같은 박테리아뿐이었다. 20세기 초 프리츠 하버가 질소고정법을 발명하면서 인류는 질소 비료를 원하는 대로 생산할 수 있었고, 덕분에 식량 생산도 획기적으로 늘어났다. 그렇지만 이제는 질소 비료를 얻는 만큼 남용하고 있다. 경작지에 뿌려지는 질소 비료 중 영양분이 되어 사람 입에 들어가는 비율은 13퍼센트 남짓에 불과하며, 나머지는 강과 바다와 대기로 흘러들어가 오염을 일으킨다. 인은 자연에서 질소보다 더 귀한 원소다. 그래서 식물은 인을 조금도 낭비하지 않고 사용하는 방법을 발달시켰다. 인간에게도 인은 귀해서 ‘하얀 금’이라고 불렸는데, 동물의 뼈와 퇴적된 바닷새의 배설물이 고농도의 인을 얻는 유일한 통로였다. 지금은 서아프리카의 인 광산에서 인 광석을 채굴하며 생산량이 크게 늘었다. 하지만 인이 화석연료와 달리 대체 불가능하며, 질소 비료처럼 인위적으로 만들 수 없는 유한한 자원이란 사실은 여전하다. 인 광산이 바닥을 드러내기 전에 우리는 인을 식물처럼 효율적으로 사용하는 방법을 배워야 한다. 우리는 물 사용에서도 더 효율적이어야 한다. 인간은 1년에 약 4조 세제곱미터의 물을 사용한다. 미국 영토 전체를 약 50센티미터만큼 덮을 수 있는 양이고 대부분은 농업용수로 사용된다. 건조한 땅에서도 농사를 짓기 위해 막대한 양의 물을 지하에서 퍼 올리며, 그 결과 지하수 대수층은 해마다 수위가 낮아지고 있다. 앞으로 가속할 기후변화는 물 공급을 더 어렵게 할 것이기에 간과할 문제가 아니다. 우리가 갈 수 있는 다른 미래 남세균과 육상 식물은 자신들의 성공이 빚어낸 재앙을 피하지 못했다. 그러나 저자는 인류에게는 앞선 두 존재와는 다른, 두 가지 특별한 이점이 있다고 말한다. 첫째로 우리는 과거에서 배우고 미래를 예측할 수 있는 능력이 있다. 둘째로 그보다 더 중요한 점은 우리가 직면한 환경 문제는 남세균이나 식물처럼 생존에 필수적인 체내 대사에서 비롯된 것이 아니라, 얼마든지 대체 가능한 체외 에너지 소비(주로 화석연료 연소)에서 기인한다는 점이다. 남세균은 생존을 위해 산소를 배출해야만 했고, 식물은 이산화탄소를 흡수하지 않을 수 없었다. 하지만 인류는 아니다. 우리는 이산화탄소를 배출하지 않으면서도 필요한 에너지를 얻을 수 있다. 일직선적인 인류의 원소 사용 방식을 순환적인 방식으로 바꿀 수 있다. 『엘리멘탈』은 바로 이 지점에서 인류의 미래에 대한 전망을 제시한다. 우리가 에너지 소비와 탄소 배출의 고리를 끊고, 원소 순환을 지속가능한 방식으로 재편할 수 있다면, 비극적인 패턴을 반복하지 않고 번영을 계속할 수 있다는 것이다. 그 길이 쉽지는 않겠지만, 앞선 선조들은 택할 수 없던 희망의 길이다. 우리가 미래를 예상하고 행동을 변화시킬 수 있다면 다른 미래로 갈 수 있다. 이 책은 그 길로 가기 위한 시의적절한 지침서가 될 것이다.