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산호초는 지구에서 가장 다양한 생태계에 속한다. 이것은 작은 산호라는 동물의 탄산칼슘이 점차적으로 쌓여서 만들어진다. 물고기나 기타 해양생물의 천국과 같다. 그러나 최근 대기 중의 그 무엇이 산호초를 위협하고 있다. 어떻게 대기 중 화학물질이 이와 같은 역동적인 생태계를 위협할 수 있을까? 답은 화학에 있다. 이산화탄소가 물에 녹으면 물과 반응하여 산이 되고 산은 물을 더 산성으로 만든다. 해양의 산성화가 어떻게 산호초에 영향을 주는지 과학자들의 탐구내용을 살펴본다. 생물을 공부하는데 왜 화학으로 시작하는가? 그것은 화학이 생명의 기초이기 때문이다. 화학으로 원소가 우리 몸과 모든 살아 있는 생명체를 형성하는 화합물을 만들고 모든 세포의 작용에 관여하는 화학반응을 설명할 수 있기 때문이다. 생물과 생물의 화학은 물과 밀접한 관계가 있다. 생명은 물에서 시작했고 육지로 진출하기 전 30억 년을 물에서 진화하였다. 그리고 육상생물을 포함한 모든 생물은 여전히 물에 의존한다. 우리 몸의 세포는 약 70%가 물이며, 여기서 우리 몸의 화학반응이 일어난다. 단순한 물 분자의 어떤 특징이 지구 생물에 이렇게 필수불가결하게 되었을까?
생물은 각 연속적 단계마다 새로운 특징이 나타나는 구조적 체계로 구성되어 있다. 원자에서 분자가 만들어지고 그리고 이러한 분자들의 상호작용의 체계로 나타나는 생물체계의 가장 낮은 단계에서도 새로운 특성이 나타나는 것을 뚜렷하게 볼 수 있을 것이다. 이것이 생물을 공부하기 저네 생물 연구에 전반적으로 적용되는 화학적 기본 개념에 대해 다루고자 하는 이유이다.
1. 생명체는 일반적으로 화합물 형태의 원소로 이루어져 있다.
우리와 우리 주변의 모든 것들은 우주의 물리적 물건인 물질로 이루어져 있다. 물질은 공간과 질량을 가지고 있다. 지구에서 발견되는 물질은 3개의 물리적 상태를 가지고 있다. 고체, 액체, 기체, 물은 자연계에서 이 3개의 물리적 형태로 존재하는 드문 예이다. 얼음, 액체성 물, 기체성 수증기, 바위, 공기, 생물학을 공부한는 학생과 같이 다양한 혀애의 물질은 모두 화학원소로 구성되어 있다. 원소는 보통의 화학적 방법으로는 더 이상 쪼갤 수 없는 물질의 단위이다. 현재까지 화학자들은 자연계에서 92가지의 원소를 확인하였다. 금, 구리, 탄소 및 산소 등이 그 예이다. 각 원소는 영어와 라틴어 또는 독일어의 첫 번째 혹은 두 번째 글자로 만든 약자를 갖고 있다. 예를 들어, 산소의 O는 영어의 산소라는 단어에서, 나트륨의 NA는 라틴어인 나트륨에서 따온 글자이다. 화합물은 둘 또는 그 이상의 원소가 일정한 비율로 모여 만들어진 물질이다. 예를 들어 소금은 나트륨과 염소가 같은 비율로 들어 있다. 순수하 나트륨은 반응성이 매우 높은 금속이고, 순수한 염소는 유독한 기체이다. 하지만 이들 둘이 화학적으로 결합하면 먹을 수 있는 화합물이 된다. 수소와 산소는 일반적으로 가스로 존재한다. 그러나 이 둘은 2:1의 비율로 결합하여 지구 표면에 가장 풍성한 화합물인 물을 형성한다. 물과 소금은 새로운 성질을 갖는 조직적인 물질이 되는 좋은 예이다. 화합물은 그것의 구성원소와는 다른 성질을 갖는다. 생명체에 들어 있는 대부분의 화합물은 적어도 세 가지 또는 네 가지의 서로 다른 원소로 구성되어 있다. 예를 들어, 설탕은 탄소, 수소, 산소, 질소와 적은 양의 황으로 구성된 화합물이다. 생명체에 얼마나 많은 원소가 필수적일까? 필요한 정도는 생물들이 거의 비슷하지만, 약간의 차이는 있다. 예를 들어, 사람은 25개의 원소가 필요하지만, 식물은 단 17개만이 필요하다. 우리 몸의 약 99%를 이룬다. 첫 4개의 원소는 생물 분자인 단백질, 탄수화물, 지질의 주요 요소이다. 칼슘과 인은 뼈와 치아의 주요 구성요소이다. 우리 몸의 나머지 1%의 대부분을 이루는 칼륨, 황, 나트륨, 염소, 마그네슘은 신경신호전달과 화학반응에 관여한다. 발끝에 해당하는 것은 무엇일까? 그것은 사람체중의 0.01% 이하를 인 보통 말하는 미량원소이다. 여기에는 붕소, 규소, 주석, 바나듐, 구리, 불소, 요오드, 철, 망간, 몰리브덴, 셀레늄, 규소, 주속, 바나듐, 아연들이 속한다. 철은 체중의 0.04%를 차지하지만, 에너지 생성과정과 혈액에서 산소를 운반하는 과정에 필수적이다. 철은 모든 형태의 생명체에 필수적 미량원소이다. 다른 미량원소들은 특정 종에서만 필수적이다. 예를 들어, 요오드는 사람을 비롯한 척추동물에만 필수적이다. 다음 절에서는 미량원소긔 중요성에 대해 알아보고자 한다.
2. 미량원소는 음식과 음료의 일상적 첨가제이다.
미량원소는 매우 적은 양만 요구되지만, 이 적은 양조차도 충족하기 어려울 수 있다. 요오드는 갑상샘에서 생성되는 호르몬의 필수적 구성요소다. 요오드 섭취가 부족하게 되면 갑상샘은 비정상적 크기로 커져 감상샘종이 된다. 태아발달 중이나 어린 시절 요오드 결핍이 유산, 미성숙, 정신지체 등 가장 심각한 영향을 미친다. 해산물, 조류, 유제품, 그리고 진한 녹엽채소들은 좋은 자연 함유 식품이다. 즉 졀핍현상은 요오드가 부족한 토양이 있는 내륙 지역에서 종종 발견된다. 전 세계적으로 요오드 결핍을 퇴치하기 위해 사람과 동물이 소비하는 소금에 요오드를 첨가하려고 하고 있다. 불행히도 요오드 첨가 소금을 섭취하지 않는 가정이 전 세계적으로는 약 30%에 이르고 있다. 가장 일반적으로는 개발도상국가이지만 가공식품을 지나치게 섭취하는 경우에도 요오드 결핍이 생길 수 있다. 또 다른 미량원소인 철의 결핍은 세계적으로 가장 흔한 영양불균형에 속한다. 약 20억 명이 해당되면, 특히 어린 아이나 여성에서 심각하다. 철 결핍을 해결하기 위해 식품 첨가, 철 보충제, 식사의 다양화 및 증진을 도모하고 있다. 미국에서는 1940년대부터 밀가루에 철 성분을 보강하거나 시리얼과 같은 가공식품에 일상적으로 첨가하고 있다. 그러나 미량원소를 지나치게 많이 섭취하는 것 역시 문제가 있지 않을까? 최근 연구에 따르면 미국의 노인들이 철 결핍보다는 철 과량 섭취가 더 문제가 되는 것으로 나타났다. 철 과량섭취는 기관을 손상시키고 특정 질병위험도를 증가시킬 수 있다. 어린이들이 치사량을 섭취하는 사고 위험도 있어서, 철 보충제에는 위험경고를 표시하도록 되어 있다. 공중 보건을 향상하기 위해 미량언소들을 식수에 첨가하기도 하였다. 불소의 한 형태인 불화물은 모든 물에서 소량 녹아 있다. 미국치과협회는 70년 이상 공용 수돗물에 불화물 첨가를 지지하고 있다. 그리고 질병통제예방센터 역시 수돗물에 불화물 첨가가 20세기 10대 공공보건 향상의 하나로 꼽아왔다. 수돗물에 불화물 첨가 역사는 과학과 사회적 이익이 상호 연계한 대표적 사례이다. 1990년대 초 한 치과의사가 치아가 누렇게 되는 원인을 찾아 나섰다. 당시 콜로라도 황색침착으로 불렸고, 지금은 불소침착증으로 불림, 여러 연구자들의 도움으로, 그는 지역 상수공급원의 지나치게 높은 불소농도가 그 원인임을 밝혀냈다. 그러나 그 역시 누런 치아가 충치나 치아의 손실을 확실히 감소시키는 것도 인정했다. 1940년대에 이르러 미국보건국립연구소의 과학자들이 불소침착을 일으키지 않는 낮은 농도의 불소에서도 충치 감소의 연관성을 보인다는 여러 연구를 발표하였다. 미시간 주의 그랜드래피즈 지역에서 5년간의 첵계적인 연구로 상수원 불화물 첨가가 충치를 상당히 감소시키는 것을 밝힌 후 1951년 마침내 불소첨가는 미국공중위생국의 공식적 정책이 되었다. 여러 연구 결과 상수도 불소첨가각 어린이와 성인 모두에서 충치를 감소시키는데 효과가 있음을 지속적으로 보여주고 있다. 그러나 이러한 공중 보건 성과 역시 논란이 있다. 1950년대에 처음 도입된 후, 일부 사람들은 물의 불소첨가가 소아마비백신과 더불어 공삱으 음모의 일부라고 주장하고 있다. 일부 미국 지역에서는 상반된 연구 결과들, 과학에 대한 불신, 또는 개인의 대한 강한 믿음 등으로 물의 불소첨가를 강하게 반대하고 있다. 일부 반대파들은 적절한 구강관리를 거의 할 수 없는 사람들에게 이러한 처리가 도움이 된다고 주장한다. 대부분의 경우 그렇듯이 시민들은 논란의 이유에 대해 알아보고 각 결정의 근거가 되는 과학적 증거를 꼼꼼히 살펴볼 필요가 있다.