우리 인간에게 지금의 ‘산소량’은 과연 적당한가(이진경의 과학상식)

‘산소의 양’이 인간과 지구에게 미치는 영향

[아시아경제 이진경 기자] “흡. 1초.. 2초.. 3초” 숨을 참은 상태로 우리는 과연 얼마 동안 버틸 수 있을까? 지구상에 가장 많은 ‘철’ 다음으로 많으며 우주에서는 수소, 헬륨에 이어 세 번째로 풍부한 원소인 ‘산소’. 산소는 우리에게 숨을 쉬고 살아가는데 꼭 필요한 존재이다. 이렇게 소중한 산소가 지구에서 몇 초간 사라지거나 갑자기 폭발적으로 증가한다면 어떻게 될까? 산소량의 증감에 따라 우리 건강과 지구의 환경에 어떤 변화들이 발생하는지 살펴보자.

● 산소란?

우리가 아는 공기가 산소일까? 공기란 우리가 숨을 쉴 때 필요한 기체들로 공기의 구성요소 안에 산소가 들어있다고 한다. 공기 중에 산소가 약 21% 정도 함유되어 있으며 질소 기체(78%) 다음으로 많다. 산소는 색, 맛, 냄새가 없으며 지각의 49.2%, 바다의 88.9%를 구성하고 있다. 또한 우주에서 수소와 헬륨 다음으로 많은 원소다. 산소는 칼코겐(chalcogen) 원소로 원소기호는 O이며 상온에서 두 산소원자가 이중결합 해 이원자 분자(O2)로 존재한다. 산소 기체 자체는 타지 않지만 다른 물질이 타는 것을 돕는다(조연성). 또한 반응성이 매우 커서 할로겐을 제외한 거의 모든 원소와 반응해 산화물을 만든다. 액체산소는 약간 푸른색을 띠며 금속을 산소 용접할 때나 산소 호흡 등에 쓰인다.

● 산소의 용도

산소는 특히 동물들의 생명을 유지하는 데 꼭 필요한 존재이므로 생활에 없으면 안 되는 중요한 요소이다. 호흡을 통해 몸 안에 들어온 산소는 영양분을 태워 에너지를 얻을 수 있게 하며 혈액에 녹아 몸 전체로 공급된다. 이 외에도 산소는 여러 곳에서 대량으로 사용되는데 합성화학공업에서의 원료가스 제조, 금속의 용접·절단 등, 액체산소 폭약·흡입·로켓추진제 등 다양한 용도로 쓰인다. 운반용에는 액체산소가 주로 이용되고 의약용 산소흡입에서는 30%(부피)로 사용된다고 한다.

● 눈에 보이지 않는 산소, 누가 처음 발견했을까?

1774년 화학자 ‘죠셉 프리스틀리’는 볼록 렌즈로 태양 광선을 모아 적색 산화수은에 쬐어서 산소를 얻어 냈다. 이후 프랑스의 과학자 ‘앙투안 라부아지에’가 프리스틀리의 연구를 계속했고 그 결과 이 독특한 기체가 새로운 원소라는 것을 인정하였다. 1778년 라부아지에는 이 새로운 기체 속에서는 연소 생성물 대부분이 산의 성질을 갖는다는 사실을 알아내어 그리스어의 '신맛이 있다’는 뜻의 oxys와 '생성된다’는 뜻의 gennao를 합쳐 oxygen이라고 이름을 붙였다고 전해진다.

● 두 번의 산소 폭발

지구 대기권의 약 20%는 산소로 채워져 있으며 지구에 사는 대부분의 동물은 산소를 통해 숨을 쉬고 살아가고 있다. 그렇다면 산소가 이전부터 풍부했을까? 그렇지 않다. 지질학적인 증거를 통해 추정한 지구의 역대 산소 농도 변화를 보면 두 번의 시기에 걸쳐 산소가 오늘날 정도로 풍부해졌다고 한다. 사실 약 30억 년 전까지만 해도 지구 대기에는 산소가 거의 없었다. 그러다 약 24억 년 전 갑자기 지구 대기 중 산소 농도가 폭발적으로 증가하게 되었는데 이를 두고 ‘산소 대폭발 사건’이라고 부른다. 그 뒤 오랜 기간 산소 농도가 일정 수준을 유지하다가 약 5억 년 전에 한차례 더 급격하게 산소 농도가 높아졌다고 한다. 이것이 바로 ‘신원생대 산소 폭발 사건’이다. 두 번의 산소 폭발 사건으로 지구상에 산소가 많아지면서 다양한 생명체들이 급격히 증가했다고 한다.

● 공기 중 산소량이 사람에게 미치는 영향

공기 중에 산소가 부족하면 사람은 이상 행동을 보이거나 기절하는 등의 ‘산소 결핍 증상’을 보이며 부족한 상황이 오래 지속될 경우 생명이 위험할 수 있다. 그렇다면 공기 중에 산소가 많을수록 건강에 더 좋을까? 그렇지 않다. 산소가 과해도 문제가 될 수 있다. 사람마다 차이가 있지만 공기 중 산소 농도가 60% 이상이 되면 산소 중독 증상이 나타나 건강상의 큰 문제가 발생될 수 있다.

● 산소 중독이란?

산소 중독은 급성과 만성으로 나뉜다. 3기압 정도 되는 높은 압력으로 60% 이상 고농도의 산소를 흡입할 경우 급성중독을 겪을 수 있으며 신경계 이상이 발생해 흥분, 경련, 발작, 시청각 장애 등의 증상이 나타나며 심한 경우 사망할 수도 있다. 또한 고농도의 산소를 장시간 흡입하게 되면 만성중독이 될 수 있다. 이 경우 호흡계통에 이상이 생겨 폐수종, 호흡곤란, 흉골하부통 등의 증상을 서서히 겪게 되고 심하면 목숨을 잃을 수 있다. 공기 중 다른 기체가 모두 사라지고 산소만 남게 되면 노화가 빨라지고 우리 뇌에서 호흡의 필요성을 느끼지 못하여 스스로 호흡을 멈춰 사망에 이르게 된다고 한다.

● 지구상에 산소가 많아지면 어떻게 될까?

▷ 생물체의 크기가 커진다

산소의 양은 지구상의 생물체들의 크기를 결정하는데 크게 기여한다는 연구 결과가 있다. 실제 과거 지구에 큰 생물이 살아가던 시대마다 공통적으로 지금 지구의 산소량보다 당시 산소량이 더 많았다고 한다. 나무를 분해하는 효율적인 방법을 미생물들이 사용하기 전까지 공기 중의 이산화탄소도 적었으며, 생물체들의 크기가 커질 수 있는 조건들이 조성되었다고 한다. 따라서 산소량이 증가하게 되면 현재의 크기보다 더 큰 곤충부터 거대한 여러 생물들이 등장할 수 있다.

▷ 산소 중독 증상이 나타난다

산소가 너무 많아도 문제가 되는데 공기 중 산소의 압력과 농도가 높아지면 산소가 혈장에 직접 녹아들어 가게 된다. 세포가 혈장에 녹은 산소를 사용하면 적혈구의 헤모글로빈이 계속 산소 포화 상태를 유지하기 때문에 생명 활동의 부산물인 이산화탄소를 가지고 빠져나갈 수 없게 되어 체내 축적된 이산화탄소는 혈장에 녹아 혈액을 급격히 산성으로 만들며 각 장기에 영향을 끼치는 ‘산소 중독’ 상태가 될 수 있다.

▷ 쉽게 지치지 않는다

운동이나 일을 이전보다 많이 해도 쉽게 지치지 않으며 덜 힘들다고 느껴 오랜 시간 활동을 지속하는 것이 가능해질 수 있다. 또한 신체가 더 커지고 체력이 좋아지며 더불어 이동 수단을 움직일 때 필요로 하는 연비가 줄어들 수 있다.

▷ 전보다 더 빠르게 노화된다

사용하고 남은 산소인 활성산소는 노화의 원인이 된다. 이 활성산소가 산화 효과를 일으키는데 여기서 산화란 물체의 수명을 줄어들게 만들고 세포 및 유전자를 부수기도 한다. 결국 산소가 많아지면 남은 산소인 활성산소가 증가하고 산화 효과를 더 많이 일으켜 전보다 노화의 속도가 빨라질 수 있다는 것이다.

● 지구상에 산소가 적어지면 어떻게 될까?

▷ 피부에 화상을 입게 된다

대기 중의 산소는 자외선으로부터 피부를 보호하는 역할을 하는데 산소로 형성된 오존이 사라지면 단 몇 초 만에 허용량의 300배가 넘는 자외선에 고스란히 노출될 수 있으며 태양빛에 의해 즉시 피부 화상을 입을 수 있다.

▷ 하늘이 어두워진다

태양빛이 공기 중의 질소, 산소, 먼지 등과 같은 작은 입자들과 부딪쳐 사방으로 재 방출되는 현상을 빛의 산란이라고 한다. 공기 중의 산소들은 가시광선 영역 중에서도 짧은 파장의 빛들을 효과적으로 산란시켜 하늘이 푸르게 보이는 것이다. 하지만 산소량이 갑자기 적어진다면 빛의 산란이 어려워지므로 하늘은 지금보다 더 어두컴컴하게 보일 수 있다.

▷ 바다가 사라진다

물 분자를 구성하는 것은 수소와 산소이다. 바다도 이러한 물 분자로 이루어져 있어 산소가 적어진다면 바다에는 거대한 수소 가스만 남아 바로 증발해버릴 수 있다.

▷ 지구가 작아진다

지구의 지각은 약 45%가 산소로 이루어져 있다. 따라서 산소가 적어질 경우 지각의 밀도가 급격하게 낮아져 순식간에 무너져 내릴 수 있다. 또한 무너진 지각들은 지구의 가장 안쪽에 위치한 내핵을 향해 내려앉게 되어 지구의 크기가 최대 1/3까지 줄어들 수 있다. 지각과 맨틀 속 산소도 사라지게 되므로 지구는 약 30% 정도 가벼워지고 중력도 2/3 정도로 감소하면서 지구 반경이 17% 줄어들고 자전 속도도 빨라질 수 있다고 한다.

▷ 생명체들이 살 수가 없다

지구상의 생명체들은 산소를 유기물 분해에 사용하여 에너지를 만드는 데 만일 산소가 지금보다 현저하게 줄어든다면 대다수의 생명체들이 죽거나 생명을 유지하는 시간이 매우 짧아지게 될 것이다. 인간은 식량 없이는 한 달 이상, 물이 없다면 3일 정도 생존할 수 있지만 산소가 없다면 몇 분조차도 생명을 유지할 수 없다.

이진경 기자 leejeen@asiae.co.kr