탄소의 손은 몇 개일까 — 생명이 탄소로 된 이유

감독의 질문

원자 하나에는 기억이 없다는 걸 알고 나니 다음이 궁금해졌습니다. 기억도 없는 원자들이 무엇으로 서로 붙들고 있기에 나무가 되고 사람이 될까요.

제 머릿속 그림은 이랬습니다. 탄소 원자는 양성자 넷과 전자 넷으로 되어 있고, 원자끼리 붙는 건 이온이 되어서이며, 그 사이를 중성자가 접착제처럼 이어 준다고요. 중력이 물체를 끌어당기듯 몸 안에도 원자를 끌어당기는 힘이 있을 거라고 막연히 짐작했습니다. 지금 보면 고칠 곳이 여럿인 그림입니다. 그런데 그 고칠 곳들이 곧 생명의 비밀로 가는 길이었습니다.

과학의 답 — 탄소는 손이 넷

먼저 숫자부터 바로잡습니다. 탄소는 양성자 여섯 개, 전자 여섯 개입니다. 원자의 이름은 양성자 수로 정해지고, 여섯이면 탄소입니다.

넷이라는 숫자는 다른 데 있습니다. 전자 여섯 개 가운데 둘은 안쪽 1층에 살고, 넷이 맨 위층인 2층에 삽니다. 그 층은 여덟 자리라 네 자리가 비어 있습니다. 탄소는 네 명을 내줄 수도, 네 명을 받을 수도 없어서 이웃과 넷을 나눠 씁니다. 그래서 탄소는 손이 넷입니다. 원소 도구 판 4에서 탄소를 고르면 이 네 손이 보입니다.

손이 넷이라 탄소는 길게 사슬을 잇고, 고리를 만들고, 가지를 치고, 사방에 다른 원자를 매달 수 있습니다. 지방도 단백질도 DNA도 탄소 사슬에 무언가가 매달린 모양입니다. 이렇게 복잡한 모양을 튼튼하게 만드는 원자가 거의 없어서 지구의 생명은 탄소로 짜여 있습니다.

붙은 건 이온이 아니다

탄소가 다른 원자와 붙은 상태는 이온이 아닙니다. 이온은 전자를 잃거나 얻어 전기를 띤 원자입니다. 소금이 그렇습니다. 소듐이 전자 하나를 내주고 염소가 받아서, 플러스와 마이너스가 되어 서로 끌어당깁니다. 탄소는 대부분 전자를 주고받지 않고 옆 원자와 나눠 쥡니다. 이걸 공유결합이라고 합니다. 나눠 쥔 전자는 어느 한쪽 것이 아니라 두 원자 사이에 걸쳐 있습니다.

접착제는 중성자가 아니라 전자

원자와 원자를 붙이는 접착제는 중성자가 아니라 전자입니다. 전자와 원자핵 사이의 전기의 힘이 원자들을 붙잡습니다. 중성자가 접착제인 곳은 따로 있습니다. 원자 한가운데 원자핵 안입니다. 양성자는 모두 플러스라 서로 밀어내는데, 중성자가 사이에 끼어 강한 핵력으로 붙잡아 줍니다. 원자 바깥은 전자가, 원자 안쪽은 중성자가 붙잡는 셈입니다.

원자 크기에서 중력은 너무 약해서 거의 아무 일도 하지 않습니다. 전기의 힘보다 수를 셀 수 없을 만큼 약합니다. 우리가 벽을 뚫고 지나가지 못하는 것도 중력 때문이 아니라, 손과 벽의 전자들이 전기의 힘으로 서로 밀어내기 때문입니다.

같은 질문을 한 사람들

독일의 화학자 케쿨레는 탄소가 손이 넷이라는 것을 알아낸 사람 가운데 하나입니다. 탄소 여섯 개가 고리로 이어진 벤젠의 모양을 떠올린 일화로도 유명합니다. 뱀이 제 꼬리를 무는 꿈을 꾸고 고리를 떠올렸다는 이야기는 케쿨레 자신이 한 말이지만, 정말 그랬는지는 알 수 없습니다.

미국의 화학자 라이너스 폴링은 원자들이 어떻게 전자를 나눠 쥐는지를 평생 파고들었습니다. 탄소의 네 손이 왜 정확히 사방으로 같은 각도로 뻗는지도 그가 설명했습니다.

여기부터 조금 더

아직 모르는 것

생명이 왜 탄소로 되어 있는지는 압니다. 그런데 탄소로 된 물질이 처음 어떻게 스스로 움직이고 불어나기 시작했는지는 아직 모릅니다. 생명의 시작은 과학의 가장 큰 수수께끼 가운데 하나입니다. 7편에서 다시 만납니다.

영화에서는

다비드의 대사 가운데 이런 말이 있습니다. 같은 에너지, 다른 형태지. 이 말은 에너지에 대한 말이고, 과학과 같습니다. 에너지는 없어지지 않고 모습만 바꿉니다. 원자들이 손을 놓고 다시 잡을 때 빛이나 열이 나오는 것도 그래서입니다. 장작이 타면 나무의 탄소가 산소와 새로 손을 잡고, 그때 풀려난 에너지가 불빛과 온기로 바뀝니다. 원자도 사라지지 않고 짝만 바꿉니다. 영화의 문장은 에너지를, 이 편은 원자를 말하지만, 둘 다 사라지지 않고 모습을 바꾼다는 같은 이야기입니다.

남은 질문내 몸의 탄소가 지금 잡고 있는 손은, 내가 태어나기 전에 누구의 몸에서 무엇을 잡고 있었을까요?