탄소 생명의 뼈대를 이루다

인간, 강아지, 나무, 박테리아까지 지구상의 모든 살아 숨 쉬는 생명체를 믹서기에 넣고 갈아서 화학 성분을 분석해 보면, 물을 제외하고 가장 많이 쏟아져 나오는 뼈대는 오직 단 하나의 원소, '탄소(Carbon, C)'다. 흔히 시커먼 숯덩이나 다이아몬드로만 알고 있는 이 탄소가 어떻게 생명의 기원이 되었을까? 왜 자연은 철이나 구리, 혹은 컴퓨터 칩을 만드는 반도체 재료인 실리콘(규소) 대신 하필이면 탄소를 선택하여 생명체의 설계도(DNA)와 살점을 빚어냈을까? 그 비밀은 다른 어떤 원소도 흉내 낼 수 없는, 우주에서 가장 완벽하고 유연한 탄소의 '4개의 팔(공유 결합)'이 부리는 화학적 레고 블록의 마법에 숨어있다.

우주 최고의 인싸, 4개의 팔

화학에서 원자들은 전자를 주고받으며 손을 잡고(결합) 분자를 만든다. 산소는 팔이 2개뿐이라 친구를 2명밖에 못 사귀고, 수소는 팔이 1개라 친구를 사귀자마자 결합이 끝나버린다. 그런데 주기율표 14족에 속한 탄소(C)는 바깥쪽에 전자가 딱 절반인 4개가 있어서, 양옆 위아래로 '4개의 팔'을 완벽하게 뻗어 4명의 친구와 아주 튼튼하게(공유 결합) 손을 잡을 수 있다. 팔이 4개나 되다 보니 산소, 질소, 수소 등 어떤 원소를 데려와도 찰떡같이 붙여서 거대한 분자 덩어리를 만들어낼 수 있는 우주 최고의 마당발(인싸)인 것이다.

무한한 사슬과 고리, 끝없는 레고 조립

탄소의 진짜 무서운 점은 다른 원소가 아니라 '자기 자신(탄소)'들끼리 손을 잡는 데 귀재라는 점이다. 탄소끼리 한 줄로 손을 쫙 잡으면 뱀처럼 길다란 '사슬'이 되고(기름, 지방), 둥글게 손을 잡으면 '육각형 고리'가 되며(호르몬, 비타민), 위아래로 가지를 치며 미친 듯이 엉키면 수만 개의 원자가 뭉친 거대한 단백질 성벽이 세워진다. 심지어 손을 한 번 잡는 것(단일결합)뿐만 아니라 꽉 끌어안는 이중결합, 삼중결합까지 자유자재로 구사한다. 탄소를 레고 블록 삼아 조립할 수 있는 화합물의 종류는 무려 1천만 개가 넘는다(유기화합물).

너무 단단하지도, 너무 약하지도 않은 중용

SF 영화에서는 종종 탄소 대신 똑같이 팔이 4개인 '실리콘(규소, Si)'으로 이루어진 외계 생명체가 등장한다. 하지만 실리콘은 생명이 될 수 없다. 실리콘은 자기들끼리 손을 너무 꽉 잡아서(유리, 돌멩이) 한 번 모양을 만들면 절대 부서지지 않고 굳어버린다. 생명체는 밥을 먹고 소화를 시키기 위해 끊임없이 분자를 부수고 다시 조립하는 신진대사(변화)를 해야 한다. 탄소의 결합력은 뼈대를 유지할 만큼 튼튼하지만, 효소라는 칼을 대면 똑 부러져서 다른 모양으로 쉽게 재조립될 수 있는 '완벽한 중용'의 강도를 가지고 있다.

기체로 날아가는 이산화탄소의 축복

탄소가 생명의 축복인 또 다른 이유는 호흡이다. 생명체는 에너지를 태운 찌꺼기(탄소+산소)를 밖으로 버려야 한다. 탄소는 산소와 만나면 기체(이산화탄소, CO2)가 되어 폐를 통해 숨 쉴 때 허공으로 날아가 버린다. 반면 실리콘은 산소와 만나면 무거운 고체(이산화규소, 모래)가 되어버린다. 만약 실리콘 인간이 밥을 먹고 숨을 내쉬면 코에서 모래가 우수수 떨어지는 끔찍한 사태가 벌어질 것이다.

남은 과제

현대 과학은 생명체의 전유물로 여겨지던 이 유연한 탄소 사슬 구조를 인공적으로 합성하여 플라스틱, 나일론, 합성 섬유 등 현대 문명의 모든 물질을 창조해 냈다.