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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

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.