이전글 참조

탄소생명체, 규소생명체 PART-1

저번 포스팅에서 언급한 이유들 때문에 탄소는 거의 필연적으로 생명체의 근간이 되는 원소가 되었다고 설명드렸습니다. 원래 계획대로라면 여기에 탄소의 광학이성질체(안그래도 다양한 탄소화합물이 더욱 더 다양해 지게 되는 원리이지요)및 수 많은 탄소 화합물의 분류, 그리고 탄소 에너지 순환에 대해서도 다룰려고 했는데 그럼 너무 전문적이고 내용이 어려워지기 때문에 제외하도록 하고 탄소 생명체이기 때문에 일어나는 몇 가지 아쉬움과 규소생명체에 대해서만 논하도록만 하겠습니다.



1. 탄소생명체의 한계

이런저런 이유 때문에 탄소는 생명체의 근간이 되는 원소가 되었지만 그 탄소의 한계 때문에 생명이 유한할 수 밖에 없고 또한 인간의 능력을 100% 쓰지 못하는 단점이 존재합니다.
인간을 기준으로 봤을 때 왜 사람의 수명은 백년여 밖에 안되는가 하는 이유는 인간의 몸의 기본 골격이 탄소로 이뤄져 있고 그 탄소의 사용기간이 대략 백년여이기 때문입니다. 암세포가 아닌 이상에야 세포분열에도 한계가 있고 수명이 있어서 더 이상 새로운 세포를 생성 할 수 도 없고 눈의 수정체 같이 한 번 만들어지면 평생동안 교체되지 않는 생체 장기도 많기 때문입니다. 뒤에 다시 언급하겠지만 만약 규소가 생명의 근간 원소가 되었다면 인간의 수명은 거의 수백 아니 천년여까지 가능해졌을 것입니다. (그랬다가는 또 다른 문제가 양산되었겠지요?) 두 번째 아쉬운 점은 탄소는 비금속 물질이기 때문에 열이나 그 외 충격에 약하다는 사실입니다. 어떤 연산이나 능력을 발휘할 때 발생하는 열이나 그 외 기타 것들의 충격으로 탄소화합물로 이뤄진 인체는 폭주하게 되거나 바로 팍 하고 터지게 되는 것이죠. 쉬운 예를 들자면 110V로 되어 있는 어떤 전기기계를 220V의 콘센트에 꼽았을때 오버전압을 견디지 못하고 퍽 하고 나가게 되는 경우를 떠올리면 될 것입니다. 즉 고도의 생명보존 및 몸을 보호하기 위한 MECHANISM이라고 보시면 될 듯 합니다.




2. 규소생명체, 왜 하필 규소인가?

규소, 영어로는 SILICON 주기율표 14족인 탄소족에 속하는 비금속 원소입니다.
천연에 존재하는 규소의 안정한 동위원소로는 28Si(92.21%), 29Si(4.7%), 30Si(3.09%) 등 3가지가 있으며, 그밖에 4개의 방사성 동위원소가 발견되었습니다.
규소는 무려 지각의 27.7%를 차지하며, 산소 다음으로 2번째로 풍부하게 존재하는 원소이지요. 1824년 스웨덴의 화학자 베르셀리우스에 의해 처음으로 분리되었으며, 천연에서는 유리상태로 산출되지 않습니다. 그러나 산소와 결합하여 실리카(이산화규소 SiO2)로 또는 산소·알루미늄·마그네슘·칼슘·나트륨·칼륨이나 철과 같은 다른 원소들과 결합하여 규산염 형태로 모든 암석뿐만 아니라 모래·점토·토양에서 산출된다고 하는군요. 또한 모든 천연수와 대기(규소진), 여러 식물들이나 뼈·조직 및 일부 동물의 체액 속에서도 발견되는 원소입니다.

규소는 탄소족에 속하는 원소라 물리화학적 성질과 구조형태가 탄소랑 많이 비슷한 원소입니다. 그렇기 때문에 규소의 최외각 전자도 탄소와 같이 4개여서 탄소처럼 다른 원소들과 결합이 쉽고 다양한 구조를 가질 수 있습니다. 거기다가 지구내에서 규소는 매우 풍부합니다. 이렇기 때문에 탄소와 더불어서 생명체의 근간이 되는 원소로써 규소가 거론되고 있는 것입니다. 다른 14족 원소들은 규소를 끝으로 금속입니다. 그래서 생명원소로 될 수 없지요. 그렇기 때문에 탄소생명체 말고 다른 원소 생명체가 있다면 그 가능성이 제일 높은게 규소생명체라는 것입니다. 그래서 SF에서 외계생명체로 규소생명체를 많이 언급하는 것입니다. 괜히 다른 원소를 나두고 규소를 언급하는게 아니라는 소리이지요. 이것이 전부다 과학적인 베이스를 토대로 나온 말이지 그냥 규소, 실리콘 멋지니까 규소 생명체다라고 말을 붙인 것이 아닌것입니다. 그리고 그 외 티타늄 생명체라던가 니켈 생명체라던가 라는 말은 없는 것도 같은 이유입니다.

 

(그림1. 주기율표에서 탄소족(14족) 원소들. 14족에서 탄소, 규소를 제외한 원소들은 금속이다. 새탭에서 이미지 열기를 하면 이 그림은 커집니다.)

그런데 지구에서는 탄소생명체는 있어도 규소생명체는 없습니다. 만약 규소로 된 생명체가 있다고 해도 지구에는 불가능하고 그 생명체는 외계에서 온 생명체일거라는 소리를 이전 포스팅에서도 언급했습니다. 왜 탄소생명체는 지구에서 되면서 규소생명체는 불가능하고 된다고 해도 그것은 외계 생명체일거라는 단언을 하냐면 바로 규소의 성질 때문에 기인하는 것입니다.

비록 규소가 탄소보다 지구상에 훨씬 많이 존재하고 비슷한 성질을 가졌음에도 불구하고 지구상에서 생명원소가 되지 못한 이유는

첫째. 크기가 크기 때문입니다. 탄소의 크기는 0.077nm 그에 비해 규소의 크기는 0.118nm입니다. 0.041nm 크기 차는 원소 및 세포단위 크기에서는 엄청난 크기 차이입니다. 이 정도 크기는 다른 원소들과 다양한 결합을 하기 힘들며 결합을 통해 형성된 화합물들이 세포를 이룰 때 그 크기가 상대적으로 비대해질 수 밖에 없습니다.

둘째. 규소화합물은 탄소 화합물에 비해 결합강도가 세기 때문입니다. 생명원소의 조건으로 언급한 두 번째 요소 생체 구성물의 조립과 분해가 용이 해야 한다라는 조건에 부합하지 않기 때문입니다.

마지막으로 상온에서 탄소-산소 화합물은 기체로 존재하는 반면, 규소-산소 화합물은 고체로 존재하기 때문입니다. 탄소-산소 화합물인 이산화탄소는 바로 1차 생산자인 식물이 에너지 소스로 섭취가 가능하지만 규소-산소 화합물인 석영을 식물이 에너지 소스로 쓰려고 하면 그것을 부숴야 하는데 식물에게는 그런 능력이 전혀 없지요.
규소-산소 화합물이 기체가 되야 한다면 평균온도는 몇 백도가 되어야 합니다. 이런 환경에서는 생명체가 살 수가 없지요.

규소가 위의 이유로 지구내에서 생명원소가 될 수 없었던 것을 역으로 생각해보면 규소생명체가 외계 생명체가 될 수도 있다는 가설이 나오게 된 것입니다.
즉 규소-산소 화합물이 기체로 존재하는 고온의 환경에 생명체가 있다고 가정하면, 탄소생명체는 탄생할 수 없고 그 환경에 견딜 수 있는 원소를 베이스로 하는 생명체가 나와야 합니다. 최외각 전자수가 4개이고 다양한 구조적 결합이 가능해 다양한 화합물이 나올 수 있어야 하며 그 행성에 풍부한 물질은 바로 규소 밖에 없습니다.
그리고 규소의 결합은 견고한 편이라 극한의 환경에도 견딜 수 있습니다. 그리고 그런 고온의 극한환경이라면 규소의 결합은 상온보다 유연성을 가지게 됩니다. 상온에서는 결합이 견고해 분해가 힘들지만 몇 백도의 고온환경에서는 그 결합도 실온의 탄소 화합물처럼 분해가 비교적 쉽기 때문이지요.
물론 물리학 법칙이나 다른 화학법칙이 우리 우주와 다른 멀티유니버스 세계에서도 규소의 최외각 전자수가 4개라는 보장도 없으며 다른 원소가 생명의 근간 원소가 될 수도 있습니다만 우리 우주계의 지구를 기준으로 생각해 볼 때 가능하다는 소리이지요.

이런 이유로 해서 규소 생명체는 지구에서 생명체가 될 수 없고 외계의 생명체가 될 수 밖에 없다는 결론이 나오게 된 것입니다.
만약 규소생명체가 있다고 하면 그 강도가 매우 강하므로 탄소생명체보다 수명은 더욱 더 길어질 수 있으며 뇌의 능력은 200% 이상 (CPU 오버클럭 생각하면 이해하기 쉬울 것입니다.) 그리고 인간의 DNA에서 생체보호를 위해 가려진 금단의 영역까지 유전이 가능해 져 그 능력은 거의 神에 필적할 수 있게 될 것입니다. 그것의 예로 든다면 일본 코믹스 ARMS에 나오는 ARMS들이 좋은 예가 될 수 있을겁니다.

(그림2. 코믹스 ARMS에 나오는 규소생명체 아자젤. 코믹스에서 아자젤은 외계에서 온 운석으로 그려져 있다. 아자젤의 수명은 거의 지구의 수명과 맞먹고 그 능력은 후에 양산되는 CORE ARMS들을 통해 무시무시하게 그려진다.)

이로써 탄소, 규소 생명체에 관한 포스팅을 마치도록 하겠습니다.
이걸 보고 후에 SF나 그 외 만화에서 규소생명체가 어쩌구 하는 대목을 접하시게 되면, 아 저래서 규소생명체가 언급되었어!! 하게 되길 기원하겠습니다. ^^

뱀발) 원래는 제가 알고 있던 유기화학 및 생화학적 지식 그리고 나중에는 진화론등을 정리해보자는 차원에서 시작하였는데 그랬다가는 너무 이해하기 어렵고 포스팅 시리즈 수도 기하흡수적으로 늘어날거 같아 대폭 정리하고 간단히 정리하게 되었군요.

귀찮음이 더 커서 이렇게 되었지만.....^-^

예전에 WINDFISH님 블로그에서 리플로 탄소 생명체와 규소 생명체에 관해 간단히 논했던 적이 있습니다. 탄소생명체는 뭐고 규소생명체는 무엇인가? 일반적으로 우리 인간 및 지구상에 사는 생명체들을 탄소가 주가 되서 이뤄진 탄소생명체라 합니다. 다른 말로 하면 유기체라고도 하지요.
그 이외의 원소가 주가 되서 이뤄진 생명체는 이 지구상에 없습니다. 규소생명체가 있다고 하면 바로 지구상의 생명체가 아닌 저 멀리 외은하의 생명체, 즉 외계인이라면 가능할지도 모르겠군요. 그럼 왜 지구에 있는 생명체는 전부 다 베이스, 뼈대가 되는 원소가 탄소로 이뤄져 있고 그 외 원소로 되어 있지 않은가? 하는 의문들이 생기시지 않으신지요? (사는게 바쁜데 그런 거 까지 신경 쓰지 않는다면 과감히 이 포스팅은 SKIP 하셔야 할 듯 ^^)
갑자기 이것에 대해 생각이 떠올라서 한 1,2회 더 길어지면 한 3회에 걸쳐서 이런 의문해소 및 그에 따른 간단한 과학지식 설명을 할까 합니다. 이것을 알면 뭐 상식적으로 많이 알고 유식한 체를 할 수 있고 더 나가 SF나 그 외 만화 및 애니에서 많이 쓰이는 탄소, 규소 생명체에 관해 이해하기 더 쉬우니 득이 되지 해는 되지 않을 것이라 생각이 되어지는군요 ^-^

그럼 이 것을 쓰는 너는 이쪽 방면에 무슨 전문가도 되느냐? 하시는 분을 위해 간단한 제 이력을 잠시 설명하자면, 지금은 디자인 전공에 디자이너지만 대학교 때 전공은 생명공학이었습니다. 그러니 이것에 대해 모를 수가 없지요. 뭐 지금은 손 놓은지가 오래되서 교양과학 수준 밖에 알지는 못합니다만.......
암튼 각설하고 하나 하나 차근차근히 설명 나가도록 하겠습니다. 저도 다 잊어먹어서 전문 용어 쓰라고 해도 못쓰니 이 글을 한 번 끝까지 읽어봐야겠다 생각이 드시는 분은 너무 어렵거나 지루하지 않을까?(지루하기는 하겠습니다.) 걱정 마시고 편한 마음으로 보시길.

참고문헌은 전공서적(INTRODUCTION TO ORGANIC CHEMISTRY), 인터넷 엠파스와 1998년 8월호 과학동아를 참조 했음을 밝힙니다.





  1. 탄소 CARBON

탄소, 영어로는 CARBON이고 원자 번호는 6번, Ⅳa족에 속하는 비금속 원소입니다. 질량수는 10,11,12,13,14 이렇게 5종류가 있는데 일반적인 탄소라 하면 질량수 12탄소를 뜻하고 지구상에서 가장 흔하게 볼 수 있는 탄소입니다.(12C 로 표기) 그 외 질량수 13탄소도 전체 탄소 원소 중 1.108%로 존재하고 그 밖의 것은 불안정하며 극히 소량으로 존재합니다. 12C말고 가장 중요한 탄소는 14C입니다. 바로 방사성 동위원소로 탄소 연대 측정법은 바로 이 탄소를 가지고 이뤄집니다. 그 방법은 일단 나중에 설명하도록 하겠습니다.(벌써 딱딱해서 지루해 하시는 분들도 보이는 거 같으니 말이죠 ^_^)

탄소는 지구상에서 13번째로 많은 원소이지만 그렇다고 지구 전체를 놓고 봤을 때 지각의 0.2%밖에 차지하지 않습니다. 즉 널리 분포하고 있으나 그렇게 풍부한 원소는 아니란 소리입죠.(그렇지만 이 0.2%도 엄청난 수입니다.) 하지만 탄소 화합물은 다른 모든 원소로 이루어진 화합물의 수보다도 많습니다. 자세하게 말하자면 1천만종에 가까운 화합물 가운데 탄소가 다른 원소와 결합해 이뤄진 화합물이 대부분입니다. 어떻게 해서 그게 가능한가? 이는 탄소의 성질이 새로운 화합물을 만들기에 그 어떤 원소보다 용이하기 때문입니다.
혹시 학창시절 화학시절 때 배웠던 것 중에 탄소의 최외각 전자 수가 4개라는 거 기억하십니까? 기억 못해도 전혀 상관없습니다. 한 번 이 그림을 보시지요.
 

(그림1. 탄소의 최외각 전자수를 나타낸 그림)    

  각 원소는 최외각 전자가 존재하는데 다른 원소의 최외각 전자와 전자를 공유하는 공유결합(covalent bond)을 통해 화합물을 이루게 됩니다. 이 최외각 전자수가 많으면 많을 수록 다른 원소들과 결합할 수 있는 가능성이 높아지는데 이게 또 무턱대고 많다고 다른 원소와 결합할 수 있는 가능성이 높아지는 건 아닙니다. 왜냐하면 4개를 초과한 최외각전자들은 기존의 최외각전자가 있는 곳으로 중첩이 되버려 이 곳은 다른 원소와 아예 결합이 될 수 없기 때문입니다. 즉 최적의 최외각전자수는 4개가 되겠군요.
이를 쉽게 이해하실려면 다음 그림을 보는 것이 더 용이하겠군요.

(그림2. 산소의 최외각 전자수를 나타낸 그림. 탄소는 전자수 4개, 산소는 전자수 6개이나 이렇게 중첩이 되므로 실질적으로 결합할 수 있는 곳은 빨간 DOT로 나타낸 2군데 뿐이다. 그러므로 최외각전자가 많다고 해서 결합할 수 있는 수가 많은 것은 절대로 아닌것이다.)

암튼 그렇기 때문에 최외각 전자수가 4인 탄소는 그 어떤 원소보다 다양한 화합물을 만들 수 있는 가능성을 가지고 있습니다. 거기다가 탄소는 수소, 질소, 산소, 황 등의 비금속 원소와 안정한 공유결합 화합물을 만들 수 있습니다. 또 탄소가 다른 원자와 결합할 수 있는 적절한 작은 크기(0.077nm)를 가지고 있어서 다양한 화합물을 용이하게 만들 수 있습니다. 이 크기가 크면 아무리 최외각전자수가 4개이고 다른 원자와 공유결합이 용이하다고 해도 수 많은 화합물을 만들 수 없습니다.

이런 이유로 해서 탄소 화합물이 전체 화합물중 대다수를 차지하는 것입니다. 아니 차지 할 수 밖에 없지요

2. 생명의 자격

생명을 유지하기 위한 원소가 갖춰야 할 여러 요소는 다음과 같습니다.

1) 생체 구성물은 에너지를 함유하고 전환하는 작업이 용이해야 한다. : 그래야지만 생명이 죽지 않고 계속해서 그 에너지를 가지고 대사작용을 하고 살아 남을 수 있기 때문입니다.

2) 생체 구성물의 조립과 분해가 용이 해야 한다 : 적절하게 조립과 분해가 쉬워야지만 대사 작용시 링크를 끊음으로 해서 에너지를 낸다던가 그 외 세포 분열이나 조합, 성장이 쉬워집니다. 금속의 결합처럼 그 결합이 너무 강해 링크가 쉽게 깨지지 않는 다면 생체내 에너지 생성은 거의 불가능 해지며 또한 금속처럼 결합이 힘들다면 세포간의 융합 및 building block으로부터 amino acid(아미노산)라던가 protein(단백질) 합성은 불가능해 생체 유지가 아예 안되기 때문입니다.

3) 생체 구성물은 구조적 다양성을 수용할 수 있어야 한다: 그래야지만 복잡한 생명 작용 및 그 외 기능들을 수용할 수 있기 때문입니다. 생체내 다양한 기능들은 다양한 구조로써 비롯된다는 사실을 알 때 이 점은 매우 중요한 사항입니다.

4) 생체 정보인 두뇌정보, 유전정보, 구조정보를 수용하고 처리 할 수 있는 능력이 있어야 한다: 두뇌에서 일어나는 전기화학적인 현상은 반도체처럼 스위치 역활을 하는 탄소화합물 때문에 가능합니다. 그리고 DNA에 있는 유전정보도 탄소화합물이지요.

5) 지구상에 풍부하게 존재해야한다: 위에서 언급한 네가지를 다 수용하는 원소라고 해도 지구상에 극소량으로 존재하면 생명체 탄생은 요원한 것입니다. 당연히 생명 원소로 작용하려면 지구상에 풍부하게 존재해야 합니다.


탄소원자들은 구조적 특성과 크기의 적절함 때문에 새로운 화합물을 만드는 것이 용이하고, 탄소의 수가 증가할 수록 다양한 구조를 가지는 것은 바로 탄소가 생명의 원소가 될 수 있는 가능성을 제공해 줍니다. 생명체 내에서 대사과정을 거칠 때 생체분자를 합성하는 일련의 과정 속에서 탄소화합물들의 구조적 변환을 용이하게 해준 것이 또한 탄소가 생명의 원소로 꼽히는 이유입니다.

결국 이것을 놓고 봤을 때 위 5가지 요소를 완벽하게 수용하는 원소는 지구상에서 탄소 밖에 없다는 결론이 나오기 때문에 우리 몸의 화합 구성물들은 탄소가 베이스가 되어 있는 것입니다.
그래서 탄소 화합물은 유기체 ORGANIC이라 하고 그 외 화합물들은 무기체 INORGANIC이라 하는 것입니다. 유기체, ORGANIC이 왜 탄소생명체인가?는 이런 이유 때문에 성립이 되는 것이죠.

일단 오늘은 여기까지만 설명하도록 하고 다음에는 탄소에 대한 성질과 규소에 관해 논의하도록 하겠습니다.