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몇 년 전 중국 만주의 말라붙은 호수 바닥에서 발견된 2000년 전의 연꽃 씨앗이 발아해 과학계에 화재를 일으킨 사례가 있다. 어떻게 2000년 된 씨앗에서 싹이 날 수 있었을까? 보통의 씨앗이라면 세월이 흐르면 썩거나 말라비틀어지기 십상이다. 그러나 호수 바닥 퇴적층이 연꽃 씨앗에겐 산소나 수분, 빛을 차단하는 일종의 ‘냉동창고’ 역할을 했다. 덕분에 지상에 나온 연꽃은 상상속의 냉동인간처럼 부활했다.

이처럼 식물의 씨앗은 환경이 불리하면 겨울잠을 자다가 때가 좋아지면 발아해 생장을 계속하는 전략을 쓴다. 하지만 겨울잠을 자는 것은 최후의 방법일 뿐 자손을 퍼트려 종족을 번성시키려면 활발하게 활동하는 편이 낫다. 식물은 어떤 전략으로 자신의 유전자를 널리 퍼트리고 있을까.

봄에 피는 민들레는 낙하산의 원리를 이용한다. 민들레의 꽃이 지면 흰 갓털이 씨앗에 붙어 낙하산 같은 모양으로 하늘을 둥둥 떠다닌다. 만약 씨앗에 갓털이 없다면 그 씨앗은 민들레꽃이 피어있는 바로 그 자리에 떨어져 민들레는 늘 그 자리만 맴돌 것이다. 하지만 꽃받침이 변형된 관모가 씨앗의 갓털이 돼 낙하산처럼 바람을 타고 날아갈 수 있어 민들레의 생육 범위가 훨씬 더 넓어질 수 있다.

소나무나 단풍나무, 물푸레나무 같은 식물은 씨앗에 날개를 달았다. 이들 식물에서 떨어진 씨앗은 날개가 공기의 저항을 받으며 프로펠러처럼 돌며 바람에 의해 날아가기 때문에 멀리 옮겨질 수 있다. 민들레 씨앗보다는 무겁지만 씨앗에 달린 날개의 모양이나 길이에 따라 날아갈 수 있는 거리가 더 먼 경우도 있다. 또 단풍나무류나 물푸레나무류는 보통 나뭇잎으로 수종을 식별하는데, 겨울철에 낙엽으로 수종 식별이 어려울 때는 씨앗에 달린 두 날개의 각도를 수종을 식별하는 ‘열쇠’로 활용하기도 한다.

여름에는 “손대면 톡 하고 터질 것만 같은 그대”라는 노랫말처럼 봉선화 꽃은 폭발을 한다. 물론 아무 때나 손을 댄다고 터지는 것은 아니고 봉선화 열매가 성숙하면 스프링처럼 씨앗이 저절로 튕겨져 나온다. 그래서 봉선화를 영어로 ‘touch me not’(만지지 마세요)라고 부른다. 봉선화뿐 아니라 괭이밥이나 이질풀의 씨앗도 이런 방법으로 멀리 날아간다. 특히 지중해에 자라는 박과의 ‘분출오이’는 폭탄처럼 씨앗이 터져서 붙여진 이름이다.

가을에 산이나 들에 나갔다 오면 양발이나 신발, 옷 등에 이름 모를 식물의 씨앗이 붙어 있는 것을 본 적이 있을 것이다. 한번 붙은 씨앗은 잘 떨어지지도 않는다. 사람들은 씨앗이 붙은 것을 귀찮아 할 테지만 그 식물로선 어떻게 해서든 자기 씨앗을 멀리 퍼트리기 위해 나름대로 최선의 선택을 한 셈이다. 이런 특성을 가진 식물 대부분은 사람이나 동물, 짐 등에 달라붙을 수 있도록 씨앗에 갈고리나 가시가 달렸거나 끈끈하다. 도깨비바늘, 도꼬마리, 진득찰 같은 귀화식물들이 여기에 속한다.

또 물에 띄워서 종자를 퍼뜨리는 식물이 있다. 야자나무나 문주란, 해녀콩, 모감주나무 등은 씨앗이 가벼워 물에 잘 뜨고 껍질이 두꺼워 쉽게 안 썩는다. 우리나라 천연기념물인 충남 안면도의 모감주나무 군락이나 제주도 토끼섬의 문주란 군락은 바닷물에 의해 씨앗이 퍼진 대표적인 지역이다.

고려시대 문익점이 원나라에서 목화씨를 가져온 것처럼 씨앗이 스스로 움직이기보다 동물의 도움을 받아 이동하는 전략을 사용하기도 한다. 바로 식물의 열매를 짐승이나 새가 먹도록 하는 것이다. 딱딱한 씨앗은 동물의 체내에서 소화되지 않고 배설되므로 동물이 이동한 거리만큼 씨앗을 퍼뜨릴 수 있다. 그러나 은행나무 열매는 씨앗을 둘러싼 과육의 냄새가 고약하고 독이 있어 동물들에게 기피의 대상이다. 단 사람만이 독이 있는 과육을 제거하고 은행나무 씨앗을 먹기 때문에 은행나무는 사람에 의해서만 이동된다. 은행나무가 대게 깊은 산 속에서 자라지 않고 사람이 사는 집 근처에 자라는 이유다.

식물은 자기 종족의 번식을 위해 오랜 노력 끝에 다양한 전략을 터득했다. 하지만 지금 지구에서의 식물은 인간의 도움없이 살아가기 어려운 환경이다. 식물과의 공존에 동의한다면 길가에 피어난 풀 한 포기에도 관심이 필요한 시점이다.
(글 : 서금영 과학칼럼니스트)

영화 ‘빽투더퓨처’를 보면 드로리안이라는 타임머신을 볼 수 있다. 드로리안은 플루토늄에서 전기를 얻어 작동하도록 만들어졌으나, 미래로 여행을 다녀오면서 쓰레기에서 필요한 에너지를 얻을 수 있도록 개조된다. 최근 알코올로 전기를 만들거나 폐수를 이용해 전기를 생산하는 기술이 개발되는 등 SF영화에서나 볼 수 있는 모습이 현실화되고 있다.

반도체가 두뇌, 디스플레이가 눈에 해당한다면 전지는 사람의 심장에 비유할 수 있을 만큼 중요한 부품이다. 아무리 뛰어난 성능의 CPU를 장착한 노트북이라도 전기를 공급할 수 있는 휴대용 전지가 없다면 작은 데스크탑에 불과하다. 특히 휴대폰이나 MP3플레이어, PMP 등의 제품이 휴대하기 편리해질 수 있었던 배경에 전지의 소형화가 큰 역할을 했다. 여기에 일등 공신이 리튬이온전지다. 리튬은 물보다 가벼운 금속으로 전지의 음극으로 안성맞춤이다. 이유는 리튬이나 아연과 같이 이온화 경향이 큰 금속은 산화되면서 전자를 잘 내놓기 때문이다. 또 리튬이온전지는 에너지 효율이 90% 이상으로 높다.

반면 리튬은 반응성이 커 실온에서 물을 만나면 폭발한다. 그래서 리튬이온전지는 금속 리튬을 직접 사용하지 않고 리튬을 이온화시켜 전지 내부에 주입해 사용한다. 여기에 여러 가지 안전장치를 추가해 일반적으로 리튬이온전지는 안전하다. 그런데 이 리튬이온전지가 문제를 일으키기 시작했다. CPU가 30배 이상 성능을 향상시킬 동안 겨우 2배 용량이 증가할 정도로 성장이 느리고, 최근에는 여러 건의 폭발 사고가 일어나면서 안전성까지 의심을 받고 있다. 이런 리튬이온전지의 단점을 극복하기 위해 최근 새로운 전지에 대한 연구가 활발하다.

가장 활발하게 연구되는 전지는 바로 연료전지다. 연료전지는 물을 전기 분해하면 수소와 산소를 얻을 수 있듯이 이러한 반응을 역으로 이용해 수소와 산소가 반응해서 물이 만들어질 때 생기는 에너지를 이용한다. 산화환원 반응을 한다는 점에서 화학전지와 원리는 같지만 반응물질을 계속 외부에서 공급받고 생성물을 배출한다는 점에서 차이가 있다. 가장 대표적인 것이 수소와 산소의 반응을 이용하는 수소-산소연료전지다. 이 연료전지의 작동 원리는 연료극에서 수소가 수소이온과 전자로 분해된 뒤 수소이온은 전해질로 된 양성자교환막을 통과해 다른 방에 있는 산소와 반응한다. 전자는 외부 회로를 거쳐 전류를 발생한다.

놀랍게도 연료전지의 원리는 170여 년 전에 이미 알고 있었다. 하지만 석유와 같은 막강한 대체품이 있고, 안정적으로 수소와 같은 기체를 공급할 수 있는 장치 개발의 어려움 등으로 제품으로 만들어지지 못했다. 20세기 중반에 이르러서야 우주선의 전원장치 등 특수한 경우에 사용되기 시작됐다. 연료전지는 내연기관에 비해 2배 정도 효율이 좋고, 분진이나 배출가스를 발생시키지 않는 등 환경친화적이기 때문에 최근에 미래형 전지로 많은 관심을 끌고 있다.

특히 수소연료전지를 자동차에 적용한 수소연료전지차는 그린카라는 이름으로 미래형 자동차로 주목받고 있다. 2000년대 들어서 도요타는 ‘FCHV’를, 혼다는 ‘FCX’라는 연료전지차를 내놓아 판매되기도 했다. 2006년 GM에서 발표한 ‘시퀄’은 수소를 한번 충전하면 480km를 갈 수 있다. 하지만 아직까지는 연료전지의 가격이 비싸 2010년 이후에나 상용화가 가능할 전망이다. 특히 연료전지의 촉매로 사용되는 백금과 양성자교환막이 가격이 높다. 이에 이를 대체하거나 개선하기 위한 방법에 대한 연구가 가장 활발하다.

차량용뿐 아니라 소형 연료전지의 경우에는 연료만 공급해주면 얼마든지 사용가능하기 때문에 리튬이온전지를 대체할 미래형 전지로도 많은 관심을 끌고 있다. 연료전지는 수소를 따로 공급하지 않고 메탄올형 연료전지와 같이 수소를 포함하고 있는 메탄올(CH₃OH)과 같은 물질을 이용해서도 쉽게 만들 수 있다. 2006년 국내에서도 소주 4분의 1잔 정도의 메탄올로 휴대전화를 두 번이나 충전할 수 있는 연료전지를 만들어낸 바 있다.

전지가 방전되면 조그만 메탄올 충전팩만 끼우면 어디서나 사용이 가능할 정도로 편리하다. 작년 미국의 세인트루이스대 연구팀은 설탕(C₁₂H₂₂O₁₁)을 효소로 분해시키는 방법을 통해 리튬이온전지보다 3~4배 오래 사용할 수 있는 전지를 만들어내기도 했다. 또한 일본에서는 물(H₂O)로 작동하는 전지를 만들어 낸 바 있다. 국내에서는 복숭아 등에 포함된 개미산(HCOOH)으로 작동하는 전지를 만드는 등 다양한 물질을 연료로 사용하는 전지가 등장하고 있다.

생체 내에서 일어나는 전기화학적인 반응을 이용한 생물연료전지도 등장하고 있다. 생물연료전지도 1960년 미국항공우주국(NASA)에서 우주선의 폐수처리를 위해 연구될 정도로 일찍 시작됐지만 미생물을 전극에 연결하기가 어려워 효율성이 낮아 별 관심을 끌지 못했다. 하지만 KIST 수질환경연구센터 김병홍 박사팀이 1998년 산소 대신 철이온을 전자 전달자로 사용하는 슈와넬라라는 미생물을 찾아 학계에 알리면서 다시 주목을 받기 시작했다.

2004년에는 펜실베이니아주립대의 브루스 로건 박사팀이 폐수를 이용해 1㎡당 26mW의 전력을 생산할 수 있는 미생물연료를 만드는 데 성공했다. 최근에는 350mW까지 향상시켰다. 로건 박사의 미생물연료전지는 메탄올이나 설탕처럼 비싼 연료를 사용하지 않고 더구나 폐수를 정화시키는 기능까지 있어 일석이조의 효과를 거둘 수 있다. 아직은 출력이 너무 약해 영화 속에 등장하는 쓰레기 연료전지차에 비교할 수 없겠지만 폐수를 넣고 달리는 자동차와 노트북을 상상해 보는 것도 재미있는 일이다. 물론 휴대폰에 폐수를 넣고 다니고 싶은 사람은 없겠지만.
(글:최원석 과학칼럼니스트)

풀과 나무가 들과 산을 가득 채우기 시작하는 3월말, 따스한 햇살을 받으며 한결이네가 동물원으로 봄나들이에 나섰다. 한결이네 가족은 동물원 입구까지 한참을 걸어야 하지만, 봄 햇살이 좋아 코끼리열차와 같은 교통수단을 이용하지 않고 걷기로 했다.

한결 : 수련아, 빨리와!
수련 : 알았어, 오빠. 그런데 저기 도로위에 뭔가가 일렁이는 거 같아. 저게 뭐야?
한결 : 응, 그거. 아지랑이야. 아빠 맞죠?
아빠 : 그래.
한결 : 그런데 아빠, 왜 이 맘 때면 아지랑이를 자주 보죠?
아빠 : 글쎄, 왜 그럴까?
수련 : 뭐가 타오르는 것이랑 비슷해보이는데...
아빠 : 우리 수련이 눈썰미가 좋으네. 모닥불을 피울 때 어른거리는 것과 아지랑이는 비슷하다고 볼 수 있지.
한결 : 왜요?
아빠 : 아지랑이는 햇빛이 강하게 내릴 쬘 때 지표면 부근에서 불꽃과 같이 아른거리며 위쪽으로 올라가는 공기의 흐름에 따라 나타나는 빛의 굴절 현상이란다. 보통 봄날에 도로와 들판에서 쉽게 볼 수 있기 때문에 완연한 봄의 전령사로 알려져 있지.
한결 : 그럼, 겨울에 난로 근처에서 뭔가가 일렁이는 것도 아지랑이예요?
아빠 : 그렇지. 아지랑이는 봄에만 볼 수 있는 건 아니거든. 여름에는 도로나 모래와 같은 지표면에서, 겨울에는 뜨거운 물체 주변에서 종종 발견할 수 있단다.

수련 : 그런데 아까 빛의 굴절이라고 아빠가 얘기했는데 그게 뭐예요?
아빠 : 아, 빛의 굴절은... 음... 작년에 수영장에 갔을 때 물 속에 들어가면 다리가 짧아보였던 기억나니?
수련, 한결 : 네!
아빠 : 우리가 공기중에서나 물 속에 있는 물체를 볼 수 있는 건 빛이 공기나 물을 통과할 수 있기 때문이란다. 통과하지 못하면 볼 수 없지. 그런데 빛이 공기나 물을 통과할 때 그냥 지나가는 게 아니고, 약간의 변화가 생긴단다. 통과하는 물질의 밀도에 따라서 빛이 꺾이는 정도, 즉 굴절각이 다르거든. 물은 밀도가 높아서 많이 꺾이고, 공기는 상대적으로 밀도가 낮아서 적게 꺾이지. 그러니 물 속에 들어가면 공기에서보다 빛이 많이 꺾여(굴절) 짧아보이는 거란다.
한결 : 아하, 그런 원리군요.
수련 : 그럼 물이 든 컵에 수저나 젓가락을 넣었을 때 휘어져 보이는 것도 이거랑 같은 거예요?
아빠 : 그렇지.
수련 : 얼마전에 프리즘을 봤는데 이것도 빛의 굴절을 이용한 거예요?
아빠 : 응. 프리즘은 빛의 색, 즉 파장에 따라 굴절률이 다른 특징을 이용한 거란다. 그래서 햇빛을 프리즘에 통과시키면 다양한 색의 스펙트럼을 볼 수 있는 거지.
한결 : 그런데, 아빠. 아지랑이는 같은 공기 중이니까 굴절이 일어나지 않아야 하는 거 아니예요?
아빠 : 아빠가 얘기를 덜 했나 보구나. 아스팔트는 빨리 뜨거워지기 때문에 아스팔트 부근의 공기도 빨리 뜨거워져 가벼워진단다. 이때 가벼워진 공기덩어리는 위로 올라가고, 약간 차가우면서 무거운 공기덩어리랑 만나게 되지. 빛이 이들 사이를 지나다가 경계면을 만나면 휘게 된단다. 보통 공기 밀도는 일정해서 앞에 보이는 것이 뚜렷하지만 아스팔트 위와 같이 갑작스런 온도 차이가 생기면 공기 밀도 차이가 발생해 빛이 휘어 일렁이는 현상인 아지랑이가 나타나는 거란다.

한결 : 아빠, 아지랑이와 프리즘 말고, 빛의 굴절로 나타나는 거 뭐가 더 있어요?
아빠 : 너희들, 신밧드의 모험이라는 만화에서 신기루 나온거 기억나니?
수련, 한결 : 네!
아빠 : 신기루도 빛의 굴절에 의해 일어나는데 가짜를 진짜처럼 보는 착시현상이 강하게 나타나는 예란다. 사막의 신기루는 지표면 가까이에 뜨거운 공기층에 의해 빛이 굴절되면서 파란 하늘의 일부분이 지표면에 떠 있는 것처럼 파랗게 나타나 호수의 물처럼 보이는 거란다.
수련 : 그래도 어떻게 파란 하늘을 호수로 봐요?
아빠 : 나도 직접 보진 못했지만 빛의 묘기에 빠지면 그렇게 볼 수밖에 없단다. 신기루에 관련된 재미있는 이야기 하나를 말해주마. 이집트에 원정 온 나폴레옹의 군인들은 머리 위에 산이 떠있고, 분명히 보이던 호수가 사라지는 현상을 경험했단다. 그들은 이것을 종교적인 관점에서 최후의 심판의 전조라고 생각하고 열심히 기도했단다. 그런데 이때 단 한 사람, 프랑스의 물리학자 몽즈는 이 현상을 냉정하게 관찰하고는 사막 표면에서 발생하는 뜨거운 공기층에 의해 발생하는 이상 현상이라는 것을 최초로 밝혀냈단다.
수련 : 몽즈라는 분, 굉장하네요.
한결 : 그럼 땅에 있는 게 거꾸로 하늘에 떠 있는 것처럼 나타날 수도 있나요?
아빠 : 그렇지. 지표면 부근의 공기가 차갑고 위의 공기가 따뜻하면 먼 곳에 있는 물체가 공중에 떠있거나 거꾸로 뒤집어진 채로 보인단다. 이런 현상은 바다에서 자주 나타나 바다의 신기루로도 불리는데, 바다 표면 바로 위 공기밀도가 조금 더 높은 곳의 공기 밀도보다 높아 빙산이나 배가 거꾸로 보이는 현상을 만들어낸단다.
수련 : 아빠, 어제 인터넷에서 러시아에 3개의 태양이 떴다는 사진을 봤어요. 이것도 같은 거예요?
아빠 : 응. 네가 말한 러시아의 3개 태양도 빛 굴절에 따른 착시현상이란다. 러시아와 같은 추운 지역의 공기에는 얼음알갱이가 있단다. 이 알갱이들이 햇빛을 약 22도 정도 굴절시키기 때문에 해 주변에 또다른 해가 있는 것처럼 착시 현상이 일어나는 거지. 해가 왼쪽과 오른쪽 중 한쪽에만 있는 것처럼 보일 때도 있고, 위쪽에도 있는 것처럼 보일 때도 있단다.
한결 : 빛은 참 재미있는 녀석 같아요.
아빠 : 우리 한결이가 빛의 재미에 푹 빠진 것 같네.

수련, 한결 : 아빠, 동물원 입구예요.
아빠 : 그래, 이제 동물들의 재롱을 맘껏 즐겨보자꾸나.

(글 : 박응서 과학칼럼니스트)