2021 과학리딩모임(줌 온라인) 제5강 노트(2021.03.14) : 다행성 종족(Multi-planetary species)

박문호 박사가 걸어온 길을 소개한다. 19년전 수유너머에서 강의가 시작되었다. 대칭이 작용의 구조를 결정한다. 작용은 플랑크상수이다. 양성자와 전자와 광자의 상호작용으로 모든 것을 설명하고자 했다. 지구에서 인간이란 현상을 규명하고 싶었다. 최근 3년사이에 박문호 공부의 종합화가 일어나고 있다. 지식의 구멍이 줄어들고 있다. 다 메꾸어지면 다시 태초로 돌아간다. 대칭이다.

지식과 지혜가 있다. 박문호는 지식을 추구한다. 지혜는 권장치 않는다. 검증하기 애매하고 인간과 인간 사이의 화모니에 필요한 것이기 때문이다. 고비사막을 가보면 무자비한 자연에는 길을 알려주는 지식이 필요하다. 어린왕자의 별을 진정으로 만나려면 먼저 물리학자의 별을 만나야 한다.

2019년 박자세훈련센터 오픈기념식에서 박자세 훈련을 3가지로 소개했다. 숫자, 개념, 창의성이다. 수훈련은 곧 빅데이터이다. 이것은 인공지능으로 이어진다. 지구상 최고의 부자가 된 사람인 아마존의 CEO 베조스는 숫자를 다루는 사람이다.

인류의 사고패턴이 3가지이다. 첫번째, 초월적 사고, 이것은 미신이며, 아직도 팽배해있다. 두번재는 합리주의적 사고이다. 세번째는 측정가능한 것(데이터, 숫자)만 과학으로 삼겠다는 사고이다. 숫자를 제시하지 않는 직업군은 종교, 철학이다. 자연과학은 측정가능한것만 대상으로 삼는다. 영혼, 사후세계는 숫자로 측정할 수 없어 대상이 아니다. 지식은 숫자로표현하지만 지혜는 숫자로 표현되지 않는다. 태양이 크다와 태양이 얼만큼 큰가는 다르다. 얼만큼에 해당하는 것이 숫자, 과학, 지식이다. 과학은 수사밖에 없다.

지구과학을 한번에 보는 플랫폼을 소개한다. 헤이즌 MIT교수의 <지구이야기> 에 나오는 10개의 프레임이다.

1번은 미행성합체이다. 직경 1000km 미행성 10개가 충돌하여 용융되었다. 자전을 하면서 구체가 되고, 데이아의 충돌로 핵부위 무거운 철은 지구로 합쳐지고 나머지는 달이 되어 떨어져 나갔다. 이때 충돌로 지구 자전축이 기울어졌다. 떨어져 나간 달은 점점 지구에서 멀어져 갔다. 초기 지구는 자전속도가 빨라서 4시간에 한바퀴를 돌았다. 점점 달과의 거리가 늘어나면서 자전속도가 줄어들어 지금의 24시간이 되었다. 이 원리는 '각운동량보존법칙'이다. 대칭은 보존법칙이다. 시간대칭이 '에너지보존법칙'이고, 공간대칭이 '운동량보존법칙'이다. 대칭 축이 상수가 된다. 이것으로 물리학은 끝이다.

2번은 층상분화이다. 밀도가 운명이다(D is D). ‘바다-현무암층-멘탈-핵”으로 밀도에 따라 분화된다. 대기층에는 H2O 200기압, CO2 20기압이고, O2는 없다. 바다는 지구 생기고 1억년 이내에 형성되었다.

3번은 화성암 분출이다. 화성암은 지각을 구성하는 현무암이다.

4번은 화강암이 대륙이 되었다. 화강암은 오직 지구에만 있다. 한반도에는 대보화강암과 경주불국사화강암으로 되어 있다. 화강암은 가볍워서 떠 오른 것이다. 그래서 산맥은 마치 스티로폼과 같다. 지구과학을 알면 산맥을 육중하다고 하면 안된다. 가벼운 산맥이다.

5번은 판구조운동+슈퍼플럼이다. 달에 찍은 암스트롱의 발자국은 지금도 남아 있지만 지구는 매일 바뀐다. 지구 외 다른 행성계는 1억년 단위로도 바꾸지 않는다. 지구평균밀도는 5.5 인데, 해양판은 3.5이다. 지구핵이 무지 무거운 것이다. 그래서 더 안정된 상태로 해양판이 움직인다. 

6번은 무산소생물세계(anoxic biological world)이다. 45억년전에서 20억년전 사이는 생명은 산소와 관계없다. 20억년전부터 산소와 관계되고 이를 '진핵생명'이라고 한다. 이때 미토콘드리아가 필요조건이다. 산소는 생명의 웬수다. 산소가 싫은 박테리아를 혐기성 박테리아라고 부른다. 그들은 지구 산소농도가 높아지자 동물창자로 도망을 갔다. 대장균 등 우리 장내세균이 되었다. 산소없는 시대를 박테리아(원핵세포) 시대라고 한다. 원핵세포는 고세균과 진정세균으로 분류된다. 알파프로테오박테리아에서 미토콘드리아가 나오고, 시아노박테리아에서 엽록소가 출현한다. 오존층 형성은 24억년전이다.

7번은 제1차 산소혁명(the great oxidation event)이다. 20억년전 산소가 1%가 된 사건이다. 산화(Oxidation)는 녹스는 현상이다. 산소와의 결합속도에 따라 구분된다. 마이크로초 단위면 폭발이다. 초 단위면 불타는 것이다. 일 단위면 소화이다. 월 단위면 녹스는 것이다. 연 단위면 노화라고 한다. 눈에 보이는 모든 생물은 제1차 산소혁명의 부산물이다.

8번은 중간양(intermediate ocean)시대이다. 19억년~10억년 전으로 원생대 9억년이다. 지구는 안정되고 바다표층과 심층이 달라진다. 표층은 시아노박테리아, 심층은 황환원세균이 번성한다. 심층에서 지독한 냄새로 가득한 H2S는 수소와 황으로 분리되고 황은 철과 결합하여 황철석이 된다. 황철석은 지구 10억년 역사를 보존한다. 바다평균수심은 3600m이다. 서해는 80m정도이다. 1만년전에는 서해는 바다가 아니었다.

생물과 광물의 공진화, 유전자와 문화의 공진화, 브레인과 문화의 공진화 개념으로 프레임이 변화하였다.

9번은 눈덩이지구(Snow ball earth)이다. 지구가 눈덩이로 깡그리 덮힌 것으로, 7.2억년전, 6.8억년전, 5.6억년전 세 번이 있었다. 이때는 신원생대 기간(10억년전~5.4억년전)이다. 이후는 현생대로 고생대(5.4억년전~), 중생대(2.5억년전~), 신생대(0.68억년전~)로 나뉜다. 대기중 산소 0%시기에는 원핵세포만 있었다. 20억년전 제1차 산소혁명으로 1%가 되면서 진핵세포가 출현하고, 3번의 snow ball earth 시기를 통해 산소가 증가하여 현재의 21%가 되었다. 얼음이 두께 1km로 덮혀있었다.  100m 빙하 근처에만 가도 압도당하는데, 1km이다. 대기중 이산화탄소는 1%, 바다속 이산화탄소는 52%이다. 그래서 바다는 이산화탄소의 거대저장고이다. 해저화산이 터지면서 이산화탄소가 빙하를 뚫고 대기로 올라간다. 그런데 빙하가 바다를 덮고 있으니 이산화탄소가 녹지 못하고 대기중에 농축되고 대기온도가 급상승한다. 빙하와 대기온도 차이가 커지고 태풍이 거세진다. 지금 태풍의 10배 속도로 불어닥친다. 빙하 깨지고 대륙이 녹아서 바다로 들어간다. 대륙에 있던 인산염(PO3)이 바다로 들어가고, 인산은 염기(A,T,G,C)를 이어주는 아교풀이다. 그래서 플랑크톤이 번성하고 전 바다가 시아노박테리아로 덮힌다. 시아노박테리아의 광합성으로 산소가 공기중으로 올라가 대기중 산소농도가 현재의 21%까지 증가한다. 이를 제2차 산소혁명이라고 한다.

10번은 현생대이다. '다세포생물'시대이다. Bio-mineralization은 광물과 생물의 공진화이다. 삼엽충 눈이 방해석으로 된 것, 척추와 이빨이 칼슘 광물로 만들어진 것 등이다. Bio-weathering은 풍화이다. 풍화는 비와 식물에 의해 지구표면 암석층이 분해되는 것이다. 식물은 고생대 실루리아기 4.2억년전에 출현했다. 데본기말 4.2억년~3.2억년전에 양치류 식물이 숲을 이루었다. 데본기때 최초의 토양이 형성된다. 식물뿌리와 공생하는 균류가 바위에 구멍을 뚫음으로써 토양이 된다.

고생대-중생대-신생대 구분은 대멸종 사건이다. 고생대에만 5번의 대멸종이 있었다. 한반도 합천부근의 적중-초계분지에 구석기 5만년전에 소행성 충돌흔적이 있다. 200km반경이 초토화되었다. 5만년이라면 지구역사에서 결코 긴 시간이 아니다. 100년내 다른 행성으로 이주해야 하여 다행성 종족(multi-planetary species)이 되어야 한다. 일론 머스크와 베조스는 모든 것을 걸고 있다. 일론 머스크는 화성이주로, 베조스는 자체중력 인공도시건설을 목표로 한다.

하이퍼루프는 진공터널기술이다. 서울-부산을 17분이면 갈 수 있다. 화성인공도시에 곧장 쓰일 교통수단이다.

네이쳐 논문망을 보여주는 유튜브이다. 인간의 지식, 과학의 폭발적 발전을 볼 수 있다. 상상초월의 지적폭발이다. 인류역사는 새로운 도약을 하고 있다. 달탐사를 재현하고, 화성으로 가는 새로운 플랫폼을 만든다. 로켓문제와 6개월이라는 여행시간의 문제가 있다. 시간문제는 브레인사이언스로 장시간 자도록 해서 해결할 수 있다. 인류최초 타행성 이주계획이다. 10년후면 가능하고 30년 후면 충분하다. 제대로 자연과학 배워야 한다. 다시 과학 제1원리시대가 도래하였다. 그간은 인간끼리의 상호작용에 치중했으나 운석 떨어지면 상황 끝이다. 코로나 나오면 스톱이다. 그런데도 한국사회는 아직도 정치에 매몰되어 있다. 우리 모든 시선을 자연, 물리공간으로 바꾸어야 한다.

<생명은 어떻게 작동하는가>를 빠르게 요약해 보겠다. 생명은 글루코스에서 시작한다. 1번탄소의 –OH기가 아래에 붙으면 알파-글루코스, 위에 붙으면 베타-글루코스이다. 알파-글루코스를 포도당이라고 한다. 글루코스가 혈관을 통해 세포로 들어가면 해당과정을 거쳐 피루부산이 되고, 피루부산이 미토콘드리아로 들어가면 TCA회로를 돌아간다. 이 과정에서 아미노산, DNA구성물질인 퓨린기(A, G), 피리미딘기(C, T, U)가 만들어진다. 모든 것이 글루코스이다. TCA회로 부산물이 NADH이다. 이는 NAD+, H+, 2e-로 분해되고, 이때 나온 전자는 미토콘드리아 내막에 박힌 호흡체인을 이동하면서 ATP를 만들어낸다. 글루코스는 식물이 뿌리에서 흡수한 물과 대기중에서 흡수한 이산화탄소가 만나서 빛알갱이의 중매로 만들어진다. 이를 광합성이라고 한다. 이때 나온 부산물이 산소이다. 시아노박테리아가 부산물을 바다에 버렸다. 바다 속에 있던 철과 산소가 만나서 산화철이 되었다. 그래서 인간은 철기문명을 만들 수 있었다.

화성프로젝트는 이산화탄소를 분해하여 산소는 인간이 호흡을 하고, 탄소는 물을 분해해서 나오는 수소와 결합하여 메탄을 만들어 연료로 사용한다. 일론 머스크는 물리주의를 제1원리로 하였다. 나사(NASA)가 쓰는 돈 10%로 화성에 가겠다는 것이다. 나사는 80% 돈이 인간을 설득하는 정치에 쓰이므로 불가능하였다.

곁가지 흔들지 마라. "결정적지식은 각 과목당 3가지 뿐이다"를 끝까지 밀어 붙이면 다 연결된다. 그 전에 모든 데이터를 모으고 결정적 지식을 찾아야 한다.

1만년 동안 온도가 일정하였기에 문명이 가능했다. 그러나 300년전부터 시작된 인간요인 지구온난화로 수직상승하고 있다. 그랜란드 빙하기록을 보면 1천년 사이에도 온도가 10도시씩 변했다. 남극의 D-O주기를 보면 수백년 사이에 10도시가 변하기도 했다. 이러면 인간은 멸종할 수 있다. 만일 지금보다 10도시가 올라가면 중생대처럼 되어, 해수면이 200m 상승한다. 그러면 모든 도시문명이 물에 잠긴다. 화성으로 가야 한다.

5만년전 한반도에 떨어진 운석, 지구온난화로 해수면 200m상승, 전염병의 엄습, 어떻게 하겠는가? 아직도 정치에 코 빠트리고 살겠는가? 기후변화, 숫자로 이야기하자. 그래야 움직인다. 세계 최고의 부자가 국가지도자보다 먼저 보았다. 그나마 다행이다. 인공위성 인터넷, 전기차와 하이퍼루프 교통혁명, 솔라시티 태양전지, 이 모든 기술은 우주로 갈 때 결정적 기술이 된다.

다음 6번째 강의는 지구과학 쪽이다. 이번 과학리딩 시즌은 20년 강의와 호모 사피엔스의 현안문제를 탐사하고자 한다. 매듭없이 공부하라.