납 오염연구가 선물한 위대한 깨달음

 

1947년 지구의 진짜 나이를 찾아 나선 한 남자가 있었다. 처음부터 극복하기 힘든 난관에 부딪히지만 수년에 걸친 노력 끝에 지구나이를 밝히는 데 성공한다. 한 과학자의 끈질긴 집착과 노력이 이룩한 위대한 업적이다.

 

그러나 이보다 더 큰 것이 있다. 그는 연구과정에서 중대한 위협을 발견한다. 1960년대 미국의 경기는 최대 호황이었고 삶은 즐거웠을 때다. 그러나 이 과학자는 예외였다. 그는 풍요를 구가하는 삶 속에 모든 사람은 보이지 않는 위험에 처해 있다는 것을 알았다. 그는 어떤 대가를 치르더라도 그 위험을 제거하기 위해 다시 한 번 끈질긴 싸움을 시작했다. 납 중독에서 인류를 해방시키기 위해 노력했다.

 

 

역사상 종교와 과학이 치열하게 대립했고 지금도 대립을 계속하는 분야가 있다. 종교 측에서도 과학 측에서도 어떤 식으로든 양보를 해서는 안 되는 부분이다. 특히 종교 측에서는 양보를 한다면 종교적인 논리를 부정하는 셈이 돼 설 땅을 잃을 수도 있기 때문이다.

진화론과 지구나이를 둘러싼 대립과 논쟁이다. 진화론과 지구의 나이는 얼핏 보기에는 관련이 없어 보인다. 그러나 아주 깊은 관계가 있다. 1800년대 이미 다윈을 포함한 많은 진화론 학자들은 성서의 지구나이에 의문을 품었다. 성서가 주장하는 나이는 진화의 과정을 설명하기에는 턱 없이 짧은 기간이기 때문이다.

다윈은 고등생물의 진화가 이루어지려면 적어도 수백 만년의 세월이 필요하다고 내다봤다. 그리고 과학자들도 이에 동조했다. 유대교를 비롯해 기독교적인 차원에서 볼 때 지구의 나이는 5000년 정도다. 물론 6000년 정도라고 주장하기도 한다. 단기(檀紀)로 볼 때 올해 2014년은 4347년에 해당한다.

기독교의 지구나이는 성서의 창세기를 바탕으로 한 아담 이후의 연대를 역산한 개념이다. 다시 말해서 최초의 인간이라는 아담 가계의 족보를 추적해 만들어낸 나이이다. 최근 창조 신학자들이 지구나이를 1만년 미만으로 보는 연대추정을 ‘젊은 지구론’이라고 부른다. 지구나이는 신학자들 사이에서조차도 논쟁이 벌어지고 있는 대상이다.

진화론을 주장하는 과학자뿐만이 아니다. 천체물리학이 발달하면서 지구, 그리고 우주의 나이 등에 대해 관심을 갖게 됐다. 그들은 우주의 나이는 지구의 나이에 비해 엄청나게 오래됐을 것이라고 믿었다.

그러나 입증할 방법이 없었다. 다시 말해서 흔한 말로 심증(心證)만 있지 물증(物證)이 없었다. 지구나이가 46억년이라는 사실을 과학적인 방법을 동원해 확실히 입증시킨 것은 아주 최근의 일이다. 그것도 2차대전이 끝나고 나서다.

지구나이가 46억년이라는 주장에 대해 토를 다는 사람은 별로 없다. 그러나 어떻게 해서 46억년이라는 사실을 알아냈

을까 하는 질문을 던지면 머뭇거린다. 그러면서 슬며시 내놓는 것이 탄소연대측정법이다.

 

탄소연대측정법은 고고학에서 유골이나 유물, 또는 어떤 특정 물체와 물질의 나이를 알아내는데 가장 흔히 쓰이는 방법으로 간단하며 거의 정확하다. 방사성 탄소를 이용하여 측정하는 방법이다. 탄소의 동위원소인 탄소-14의 반감기를 이용해 연대를 측정한다.

우리 주위에 가장 흔한 원소 중 하나인 탄소는 질량이 14인 방사성 동위원소가 있다. 우주에서 날아오는 우주선 속에는 섞여 있던 중성자가 질소 원자핵과 충돌하면 방사성 동위원소인 탄소14가 만들어진다. 탄소14는 불안정한 원자핵이므로 붕괴하여 보통의 질소 원자핵으로 바뀐다. 탄소14가 보통의 질소로 붕괴하는 반감기는 약 5730년이다.

식물은 대기로부터 이산화탄소를 흡수하여 광합성 작용으로 유기화합물을 만들어낸다. 따라서 금방 만들어진 유기화합물 속에는 공기 속에서와 같은 비율의 방사성 탄소가 포함되어 있다. 그러나 생물체 내의 방사성 탄소의 양은 시간이 갈수록 줄어들기만 한다.

따라서 나무와 뼈, 옷가지 등 탄소를 포함하는 시료만 구할 수 있으면 이 시료 속에 포함 되어 있는 방사성 탄소의 양을 측정해서 이 시료가 만들어진 때로부터 얼마나 많은 시간이 흘렀는지 알 수 있다. 윌리아드 리비(1908~1980)는 탄

소의 동위원소인 탄소-14를 고고학 연대 측정에 사용한 공로로 1961년 노벨 화학상을 받았다.

그러나 반감기가 5730년인 탄소-14에 의한 방법은 수천 년 전의 유물의 연대를 측정할 수 있을 뿐이다. 지구나이를 측정하는데 도움을 줄 수 있는 장구한 지질학적 연대는 유적이나 유물의 연대와는 비교할 수 없을 정도로 길기 때문에 반감기가 매우 긴 방사성 원소를 이용해야 한다.

미국의 지질학자 클레어 패터슨(1992~1995). 그는 그가 이룩한 업적만큼 우리의 기억에 남아 있는 과학자는 아니다. 사람들은 지구나이가 46억년이라는 것을 기억하면서도 46억년이라는 것을 규명한 사람이 누구인지에 대해서는 거의 모른다.

패터슨의 위대한 업적을 성취하게 된 것은 납과 인연을 맺으면서다. 당시만 해도 납이 인체에 미치는 영향에 대해 별로 알려진 연구가 없었다. 시카고 대학 재학 당시 화학학도였던 그는 처음으로 납이 인체에 해로울 뿐만 아니라 환경을 오염시키는 대표적인 중금속이라는 사실을 우연히 알게 되었다.

그는 물론 지구나이를 정확히 규명해 냈지만 대부분의 시간을 납 연구에 보냈다. 어쩌면 그의 위대한 업적은 지구의 나이를 최초로 측정한 것보다 납이라는 중금속의 실체를 사람들에게 알리고, 납으로부터 지구를 지킨 과학자로서의 존재가치가 더할지도 모른다.

그의 납 오염에 대한 연구는 공업적인 원인으로 일어나는 대기나 인체에 있어서의 납 농도의 증대와 그 위험성에 관한 전면적인 재평가에 연결되었다. 이후 납 추방운동은 납이 첨가된 휘발유와 식품 저장 용기에 있어서 땜납 사용금지에 큰 역할을 다했다.

 

 

지질 화학자인 패터슨은 미국 원자폭탄 개발계획인 맨하탄 프로젝트에 참석했다. 그렇다면 우라늄과 납과의 상관 관계를 누구보다 잘 알고 있었을 것이다. 다시 말해서 우라늄이 핵분열을 하면서 발생하는 에너지를 이용해 원자폭탄이 만들어진다는 것, 우라늄의 반감기, 그리고 붕괴과정에서 납이 생성된다는 사실도 이해했을 것이다.

방사성 동위원소는 오랜 세월을 두고 서서히 붕괴해 간다. 불안정한 방사성 동위원소가 한꺼번에 붕괴하지 않고 서서히 붕괴해가는 이유는 무엇일까? 이것은 20세기 초 양자물리학이 등장하기 전에는 설명할 수 없는 문제였다.

양자물리학에서는 고전역학에서와는 달리 자연현상을 확률적으로 해석한다. 양자역학을 이용하면 불안정한 원자핵이 다음 일정한 기간 동안에 붕괴할 확률을 계산할 수 있다. 양자역학은 이러한 계산을 통해 불안정한 원자핵이 오랜 기간을 두고 천천히 붕괴해가는 과정을 성공적으로 설명해냈다.

모든 방사성 원소는 반감기가 있다. 반감기는 방사성 동위원소가 붕괴할 확률이 50%가 되는 기간을 말한다. 우라늄의 반감기가 45억 년이라는 것은 우라늄 하나가 다음 45억 년 동안에 붕괴할 확률이 50%라는 것을 뜻한다.

예를 들어 지금 100개의 우라늄 원자가 있다면 45억 년 후에는 50개만 남을 것이라는 이야기이다. 그리고 90억 년 후에는 50개의 반인 25개의 우라늄 원자만 남게 될 것이다. 만약 원자가 나이를 먹는다면 반감기가 존재할 수 없다.

다행히 원자는 나이를 먹지 않는다. 조금 전에 만들어진 원자나 100억 년에 만들어진 원자나 모두 똑같은 붕괴 확률을 갖는다. 따라서 원자의 반이 붕괴되는 데 걸리는 시간인 반감기는 항상 일정하다.

더구나 방사성 원소의 반감기는 원자핵 속의 양성자와 중성자의 비율에 의해 결정되기 때문에 원자의 화학적 상태나 물리적 조건에 따라 달라지지 않는다. 따라서 방사성 동위원소는 과거에 있었던 지질학적 사건이나 기후 변화의 영향을 받지 않고 시간의 흐름을 알려주는 완전한 시계인 셈이다.

 

우라늄의 방사성 동위원소를 이용하여 지구의 나이를 처음으로 측정한 사람은 영국의 실험물리학자로 원자핵을 발견한 어니스트 러더퍼드(1871~1937)였다. 그는 패터슨보다 훨씬 일찍 1929년 우라늄에는 반감기가 약 7억 년인 우라늄-235와 반감기가 약 45억 년인 우라늄-238이 있다는 것을 밝혀내고 이를 이용해 지구의 나이를 계산했다.

자연에서 발견되는 우라늄의 대부분은 우라늄-238이다. 러더퍼드는 처음 지구가 형성되었을 때는 우라늄235와 우라늄238의 양이 같았을 것이라고 가정하고 서로 다른 반감기에 의해 현재와 같은 비율이 되는데 걸리는 시간을 계산했다.

이러한 계산 결과를 바탕으로 그는 지구의 나이가 약 34억 년이라고 주장했다. 그러나 그가 제시한 지구 나이는 과학들 사이에 진지하게 받아들여지지 않았다. 당시로서는 우라늄의 반감기의 확실성과 최초 우라늄의 존재 비율이 같았다는 가설을 쉽게 받아들일 수 없었기 때문이었다.

그러나 지질학적 시계를 발견하려는 노력은 새로운 방향에서 돌파구를 찾을 수 있었다. 질량분석기를 발명하여 여러 가지 동위 원소를 분리해낸 프랜시스 애스턴(1877~1945)은 자연에 존재하는 납에는 원자량이 각각 204, 206, 207, 208인 네 가지의 동위원소가 있다는 것을 밝혀냈다.

그는 또한 납-204를 제외한 다른 납의 동위원소들은 모두 방사성 동위원소들의 붕괴 과정에서 만들어지는 마지막 부산물이라는 것도 알아냈다. 우라늄-238은 긴 붕괴 과정을 거쳐 납-206을 만들어내고, 우라늄-235는 납-207을 생성한다. 이제 암석 속에서 우라늄-238의 양과 납-206의 양, 그리고 우라늄-235의 양과 납-207의 양을 알면 암석의 나이를 보다 정확하게 측정할 수 있게 됐다.

그러나 문제가 있다. 처음 암석이 만들어질 때부터 있었던 원시 납의 양을 알지 못하면 방사성 남아있는 우라늄의 양과 붕괴생성물인 납의 양으로 암석의 나이를 계산할 수 없다는 것이었다. 다시 말해서 최초의 암석은 무엇이며 최초의 원시 납은 무엇이냐라는 의문이다.

과학자들은 원시 납의 양을 알아내 지구의 나이를 정확하게 측정하기 위한 노력을 계속했다. 과학자들은 운석에 눈을 돌렸다. 운석과 지구가 동일한 물질에서 동일한 시기에 만들어졌다고 생각하고 연구에 착수했다.

그들은 운석에 포함된 납의 양을 원시 납의 양으로 가정하여 지구의 나이를 새롭게 계산한 결과 지구의 나이는 45억1000~46억6000만년이라는 사이라는 결과가 나왔다. 우리가 아는 얼추 비슷한 나이다.

그러나 과학적으로는 문제가 있다. 운석 속에 포함된 납의 양을 과연 지구의 최초의 납의 양으로 가정하는 것이 과연 타당한가 하는 문제다. 운석과 지구를 동일시할 수 있는가 하는 의문에 명쾌한 해답을 주지 못했다.

 

이 문제를 해결한 학자가 바로 패터슨이다. 그러면 그는 이 의문에 어떻게 명쾌한 해답을 내린 것일까? 그리고 어떻게 정확한 지구나이를 측정하게 된 것일까? 하늘은 스스로 돕는 자를 돕는다고 했던가?

시카고 대학 대학원생 시절이었다. 그의 논문담당 교수인 해리슨 브라운은 납의 양을 측정해 지구의 나이를 알 수 있다는 생각을 처음으로 이해하고 주장한 학자였다. 브라운 교수는 제자인 패터슨에게 졸업과제로 납을 이용해 지구나이를 측정해보라는 숙제를 냈다. 그에게는 커다란 행운이었다.

그가 지구나이 규명에 도전한 과학자들과는 달랐다. 물론 운석연구를 통해 지구나이 측정에 도전한 것은 여느 과학자가 다를 바가 없었지만 다양한 샘플을 대상으로 연구 대상으로 삼았다는 점에서는 달랐다.

패터슨은 우선 세 개의 각기 다른 곳에서 채집한 암석성분의 운석 외에도 두 개의 철 성분의 운석에 포함된 납의 양을

분석하여 이들이 모두 45억5000만 년에서 7000만 년을 더하거나 뺀 나이를 갖는다는 것을 밝혀냈다.

 

이것만으로는 만족할 수가 없었다. 6년 동안의 실험과정을 걸치면서 가지면서 그에게 갑자기 떠오른 아이디어가 있었다. 원시바다를 생각해 낸 것이다. “아하, 바다 깊은 곳에 퇴적된 해저 퇴적암에는 지각이 함유한 납의 평균값에 해당하는 납이 함유되어 있을 거야! 바로 그거야!”

 

 

이렇게 가정한 그는 태평양 해저에서 표본을 채취하여 분석했다. 그 결과 지구의 나이가 운석의 나이와 동일하다는 것을 밝혀냈다. 패터슨은 지구와 운석이 모두 약 45억 5천5백만 년 전에 같은 물질에서 만들어졌다는 결론을 내렸다.

결국 운석이란 태양계 형성 뒤에 남은 찌꺼기이며, 따라서 운석의 연령을 측정하면 지구의 연령을 밝힐 수 있다는 주장을 논리정연 하게 전개했다. 여기를 토를 달 학자는 없었다. 결국 지구나이를 규명한 학자는 패터슨이 된 것이다.

그의 실험 가운데 최후의 샘플은 유명한 캐니언 디아블로 운석(탄소질 콘드라이트)이었다. 그는 이 운석의 일부를 실험자료로 쓸 수 있는 기회를 얻었다. 미국 애리조나 사막 한가운데 떨어진 이 운석을 방사성동위원소 연대측정을 통해 지구나이를 규명했다.

운석 분석은 태양계 형성 초기 물질을 연구하는 데 쓰인다. 지구 나이가 46억년이라는 계산도 미국 애리조나 사막 한가운데 떨어진 캐니언 디아블로 운석(탄소질 콘드라이트)을 분석한 결과다. 패터슨은 1953년 이 운석의 방사선 동위원소 연대측정 실험을 통해 이를 밝혔다.

그 후 위스콘신에서 열리는 회의에서 패터슨은 자신의 연구결과를 발표했다. 가장 확실한 지구의 연령은 45.5억년(오

차 범위 7000만년)과 오차의 범위는 약 2000만년으로 작아졌지만 이 숫자는 지금도 변하고 있지 않다.

 

패터슨은 여기에 만족하지 않고 납중독 연구를 계속했다. 그리고 납중독 반대운동에 앞장선 환경운동가로 변신했다. 그는 공업적인 원인으로 인해 환경과 식물에 납의 수준이 증대하고 있는 문제를 대중에게 호소했다.

많은 비난과 압력에도 시달렸다. 그러나 그의 노력은 결국 결실을 맺었다. 1973년의 환경보전기관(Environmental Protection Agency)의 선언으로 미국 전체의 모든 휘발유에 첨가된 납의 60~65%의 단계적인 삭감과 1986년까지의 최종적인 제거로 연결되었다. 미국인의 혈중 납의 농도는 1990년대 후반까지 80%에까지 떨어졌다고 보고되었다.

그의 노력은 또 계속됐다. 그는 실험 부족으로 인해 숨겨진 식품에 첨가된 납에 눈을 돌렸다. 당시 한 연구는 신선한 물고기로 인정받고 있는 통조림의 물고기는 1그램당 0.3~1400 나노그램의 납 농도가 증대하고 있는 것을 내보였다. 또 다른 연구는 400~700 나노그램이 증대한다고 보고했다.

국가연구회의의 위원에게 임명되었다. 그의 의견은 78쪽의 반대 의견서에 저술되어 있다. 여기에서 그는 휘발유, 식품용기, 페인트, 유약, 수도관에 있어서 즉각 규제 조치를 시작해야 한다고 주장했다.

30년이 지난 후 그의 주장 대부분이 국가정책으로 받아들여졌다. 미국과 세계의 다른 많은 나라에서도 그의 주장을 실행에 옮겼다. 정말 하늘은 스스로 돕는 자를 돕는다. 지구나이는 어쩌면 인간의 소중한 생명을 위해 납 중독 연구에 헌신한 과학자에게 하늘이 준 선물인지도 모른다.