우주는 약 150억 년 전에 '빅뱅(Big Bang)'이라는 엄청난 폭발과 함께 팽창해 지금의 우주가 되었다. 우주는 폭발 직후 우주공간에 흩어져 있는 가스와 먼지를 뭉쳐 별(항성)과 행성들을 만들었다. 그런 별 가운데 하나가 태양이요, 행성 가운데 하나가 지구다. 지구는 태양에서 1억5000만 km 떨어져 있으며 지구 탄생에 대한 연구는 인간이 비교적 발달된 과학 장비 즉, 로켓이나 천체망원경 관측이 가능했던 1960년대 들어와 과학적인 연구가 시작되었다.

달에 있는 암석을 지구로 가져오면서 보다 더 크게 발달되었다. 약 46억 년 전 복잡한 분자를 이루는 구름모양의 천체가 중력수축을 시작 원시태양을 형성하고, 이를 둘러싼 수소와 헬륨을 주성분으로 한 원반모양의 성운이 생겨난다. 성운이 냉각되면서 여러 단계를 거쳐 지름 10km 정도 크기의 미행성(微行星)이 생겨난다.

원시지구가 되는 미행성은 이러한 미행성 가운데 가장 크고 성장이 빠르며 강한 중력을 가지고 주변의 행성을 모았다. 원시 지구에는 더 많은 미행성들이 떨어졌고 점점 커졌다. 원시지구가 커지면 커질수록 충돌 속도는 커지고, 고온, 고압 상태가 된다.

고온 고압이 된 물질에서 물과 이산화탄소와 같은 휘발성분 물질의 가스가 방출, 시간이 흐르면서 원시 지구의 표면에는 수증기와 이산화탄소가 가득 쌓였고 이것이 지구의 대기를 이루게 된다. 더불어 충돌로 인해 방출되어 나간 열에너지에 의한 가열과 원시대기의 보온 효과에 의해 지표의 온도가 올라가고 암석이 녹아 마그마의 바다가 형성되어진다.

수증기의 일부는 마그마에 녹고 나머지는 원시대기를 형성해 고도 300km지점에 구름이 생겼다. 원시지구가 현재의 크기에 가까워졌을 때 미행성의 충돌은 적어져서 대기의 온도가 급격히 내려가 구름이 두터워지고 구름의 밑바닥이 지표에까지 이르게 된다.

지구의 온도가 낮아지고 액체 상태의 지각이 굳어지면서 고체로 되어졌으며 공기 중의 수증기가 물방울로 변하면서 구름을 만들었고 하늘을 뒤덮은 두꺼운 구름에서 마침내 비가 내리기 시작했다. 지구 최초의 이 비는 300℃ 정도의 뜨거운 비였다. 장마비처럼 쏟아진 이 비는 1300°C 정도로 펄펄 끓는 땅 표면을 빠른 속도로 식혀주었다. 땅 표면이 식으면서 공기 중의 수증기가 물방울로 바뀌었고 또 비가 내렸는데, 얼마간 이런 일이 일어났는지 아무도 모르지만, 원시대기의 약 80%에 이르는 수증기가 비가 되어 1000년이나 계속해 내렸고 연간 10m가 넘는 강우량을 보였다고 추측되고 있다.

대기 중의 염산가스와 황산가스에 의해 비는 강산성이었으리라 추측되고 그렇게 약 45억 년 전에 바다가 탄생한다. '자이언트 임팩트' 등 달의 기원론은 자이언트 임팩트 충돌 에너지에 의해 바다가 우주 공간으로 흩어진다고 생각했고, 자이언트 임팩트 후에 혜성이 바다의 물을 옮겨 왔다고 생각하기도 하는 등 여러 경우의 학설이 있지만 결국 바다는 지구 형성 과정에서 생겼다는 설이 가장 유력하다.

그렇게 만들어졌다 하더라도 바다가 반드시 계속 존재했다는 이야기는 아니다. 자이언트 임팩트와 관계없이 대규모의 충돌에서는 바다가 증발해 버렸을 가능성도 있고, 증발 후에 처음에 언급한 것과 같이 세찬 비가 이어져 바다가 재생되었을 가능성 또한 높다. 2002년 스티븐 모지스 교수는 지구에서 가장 오래된 광물 '지르콘' 결정을 발견한다.

7년간 10만 여개를 찾았고 약 44억 년 된 지르콘 결정을 발견, 액체 상태의 물에서 형성된 것임을 밝혀낸다. 초기 지구의 표면에 물이 있었다는 증거다. 원시해양은 지구가 형성되고 나서 1억 년 정도 이내에 형성되었을 것으로 추측한다. 현재의 바다는 태평양, 인도양, 대서양, 북극해, 남극해로 구분되며, 바다의 면적은 3억6100만㎢로 지구 표면의 약 71%, 평균수심은 약 3800m다.

바다의 부피는 약 13억7000만㎦, 지구의 물 중 98%가 바닷물이며 나머지 2%는 육지와 대기 중의 물이다. 지구에 물이 존재할 수 있는 이유는 지구 환경이 이러한 조건을 충족시키기 때문인데, 물의 경우 1기압 압력에서는 0℃~100℃의 온도에서 물로 존재할 수 있는데 지구의 바닷물 온도 범위이다.

또 물이 존재할 수 있는 조건이 원시 바다가 생긴 이래 자연적으로 유지되고 있다. 이산화탄소가 기체로 방출되는 양과 탄산염 광물이나 유기 탄소로 고정되는 양이 균형을 이루는 탄소의 순환과 탄소와 같은 시간 단위로 지구를 순환하고 있는 물이 그것이다. 그럼에도 아직 물의 기원은 명확하지 않다. 지구에 물이 어떻게 생겨났는지를 밝혀낸다면, 초기 성분 그대로인 물을 찾을 수 있다면 지구와 같은 물이 있는 행성을 찾을지도 모른다. 지구와 같은 생명체의 존재 가능성도 높아지게 된다. 과학자들은 지구에 물이 다양한 경로로 유입됐다고 본다. 물이 어떻게 생겨났을까에 대해서는 몇 가지 설이 있다.

우선, 과거 지구는 물이 있기에 너무 뜨겁고 메마른 곳이어서 혜성이 물을 실어 왔다는 설이다. 혜성에 엄청난 얼음이 있고 지구에 부딪힌 혜성이 얼음을 가져와 녹아서 바다를 형성했다는 것이다. 다음은 지구 생성 당시 먼지 알갱이에 물방울이 맺혀 현재의 바다가 되었다는 설이다.

애리조나 대학의 마이크 드레이크 교수는 45억 년 전 어린 태양 주변에 많았으며 지구의 주성분이기도 한 감람석으로 그 이론을 실험해보았다. 그 결과 초기 지구가 형성될 당시에 이미 수십억 리터의 물이 있었다고 나타났다. 그 다음은 행성간의 상호작용으로 바다가 생겼다는 설이다. 행성은 점점 커지면서 상호 작용을 했다는 것인데, 건조한 소행성과 물기가 있는 소행성들이 섞여 탄생했다는 것이다. 물은 고체인 물(얼음), 액체인 물, 기체인 물(수증기)모두 있다. 그리고 얼음은 같은 부피의 물에 비해 가볍기 때문에 물에 넣으면 물 위로 떠오른다. 고체는 액체 속에서 가라앉는 것이 보통이다.

물은 다른 물질에 없는 여러 가지 이상한 성질을 갖고 있다. 그리고 생명은 이 물의 이상한 성질을 교묘하게 이용하고 있다. 바다의 물에는 거의 모든 종류의 원소가 녹아 있는데 그 중 나트륨과 염소가 가장 많이 녹아 있다. 인간의 몸을 둘러싸는 혈액과 조직액에 녹아 있는 주된 원소도 나트륨과 염소다. 혈액과 조직액, 바닷물에 많이 녹아 있는 원소를 비교해 보면, 농도는 다르지만 녹아 있는 원소의 종류는 매우 비슷하다.

과거 원시 지구에서 비는 강이 되어 대륙 지각을 침식했으며, 대륙 지각에 포함되어 있던 원소가 차츰 바다로 흘러들어갔다. 그 결과 바다에는 더욱 많은 종류의 원소가 녹아들어가, 현재의 바다와 같은 조성의 바다가 완성되었다.

도쿄 대학 마쓰이 다카후미 박사가 1986년 'nature'에 발표한 내용이다. 지구상에 가장 먼저 탄생한 생명은 바다 속의 작은 단세포 생물이었으리라. 혈액과 조직액의 성분이 바닷물 성분과 비슷한 것은, 단세포 생물이 바다 속을 떠도는 것처럼 사람의 세포 하나하나도 조직액이라는 바다 속을 떠다니기 때문이라는 설이 있다. 현재 지구상의 모든 생명은 탄소(C), 수소(H), 질소(N), 산소(O), 인(P), 유황(S)등 CHNOPS원소로 구성되어있다.

이들 6가지 원소가 유기물의 대부분을 구성하고 있고 생명의 화학적 탄생에 있어 필수 불가결한 주된 요소다. 생명은 이러한 원자로 이루어진 유기물이고 유전정보를 가지고 있으며 스스로를 복제하는 능력도 가지고 있다. 또 세포막에 싸여 막을 통해 에너지나 물질을 거둬들여 몸을 유지하기 위한 복잡한 대사반응으로 노폐물을 밖으로 버리기도 하는데 이러한 모든 활동에 물은 반드시 필요하다. 1편에 이어 2편에서는 바다와 생명의 탄생을 주제로 다뤄질 예정입니다.  
 

▲김동성 박사  김동성 한국해양연구원 박사는 일본 동경대학교 대학원 이학부 생물과학과를 졸업하고, 한국해양연구원 해양생물자원연구부장으로 근무하고 있습니다. 해양과학분야에 있어서는 베테랑으로 국립해양생물자원관 건립 자문위원과 해양과학 기술분류체계 수립을 위한 분과위원, 해양환경영향평가 자문위원 등을 수행 중입니다.