물의 놀라움(The wonders of water) Jonathan Sarfati
물(Water)! 마시고, 세탁하고, 요리하고, 수영하고.... 우리는 그것을 당연한 것으로 여긴다. 이렇듯 생활의 많은 부분을 차지하고 있는 이 무색 무미 무취의 놀라운 액체의 가치를 우리는 거의 생각하지 않고 있다. 우리 몸의70%는 물이고, 물이 없으면 우리는 몇 일만에 죽게 된다. 물은 우리 몸에 꼭 필요한 미네랄과 산소를 녹이고, 노폐물을 씻어내 밖으로 내보내며, 필요한 영양분을 운반한다. 이러한 역할을 하는 것은 오직 물밖에 없다. 또한 물은 다른 많은 중요한 특성들을 가지고 있으며, 생명체를 위한 바로 그러한 역할을 담당하기위해 고안된 것이다.
액체
물질은 고체(solid), 액체(liquid), 기체(gas)의 세 가지 상태로 존재한다. 이 세 가지 상태는 모두 생명체에게 필수적이다
1. 고체는 그 형태(shape)를 유지한다.
2. 액체는 흐르고, 용기에 따라 모양이 달라지지만, 동일한 전체 부피를 유지한다.
3. 기체는 그 용기의 형태와 크기대로 팽창하여 채운다 분자들이 서로 반응을 하기위해서는 서로 인접해 있는 것이 바람직하지만, 또한 서로 자유로이 움직일 수 있어야 한다. 그것이 액체 상태가 제공하는 것이며, 그것이 모든 생물체의 모든 세포에서 일어나는 수천가지의 화학 반응 모두에 이상적인 것이다
그러나
-270°C(-454°F)도 에서부터 가장 뜨거운 별의 내부인 수백만 도의 온도에 이르는 우주의 모든 온도 영역에서 물은 매우 좁은 온도범위 내에서만 액체로 존재한다. 보통의 기압조건에서 물은 단지 0~100 °C (32~212 °F)의 영역에서만 액체로 존재한다. 그러므로 우주에서 지구 만이 유일하게 액체 상태의 물이 존재하는 행성이라는 사실은 그리 놀라운 일이 아니다. 그리고 이러한 액체상태의 물이 존재한다는 것은 우리의 지구가 그 밝기나 크기 면에서 너무 밝지도 어둡지도 않으며, 너무 크거나 작지도 않은 적당한 조건을 갖춘 별임을 나타내고 있는 것이다. 그리고 지구는 또한 태양으로부터 적당한 거리에 있다. (The sun: our special star 참조) 온도의 완충
물의 또 다른 중요한 특성은 높은 비열이다. 물은 가열할 때 많은 에너지가 필요하며 (철에 비해 대략 10배), 또한 냉각되기 위해서는 많은 에너지를 잃어버려야만 한다. 그리하여 지구상에 있는 막대한 량의 물은 지구의 온도가 꽤 일정하게 유지될 수 있도록 하고 있다. 반면 육지 표면은 물에 비해 빨리 차가워지고 빨리 더워지는데, 이것은 상당히 안정된 물의 온도와 관련되어 유익한 점을 만들어낸다.
그것은 대기의 다른 부분들이 서로 다르게 가열되어진다는 것을 의미한다. 이것은 바람(wind)을 일으킨다. 바람은 신선한 공기를 유지하는데 필수적이다.
액체들은 증발할 때 주위부터 열을 흡수한다. 이것은 우리가 시원해질 수 있는 유용한 수단(땀흘림)을 가지고 있다는 것을 의미한다. 이것에 있어서 가장 중요한 부분은 물의 증발 시에 필요한 높은 잠열(latent heat)이다. 이것은 대부분의 다른 액체들보다 물이 증발하는 데에 훨씬 많은 에너지가 소모된다는 것을 의미한다. 그래서 우리는 체온을 낮추기 위해 단지 약간의 물만 내보내면 된다는 것이다. 만약 우리가 다른 액체로 땀을 흘린다면, 그 양은 엄청날 것이다.
훌륭한 용제 (solvent)
물은 우리 주변에 가장 가까이 있는 것으로 하나의 ‘우주적 용제(universal solvent)’이다. 각종 미네랄(minerals)과 비타민(vitamins)들은 운반되기 위해 용해되어져야만 하고, 따라서 물은 이러한 것들을 체내에서 효과적으로 전달한다. 용해된 나트륨(sodium)과 칼륨(potassium) 이온들은 신경계의 자극전달을 위해서 필수적이다. 물은 또한 공기로부터 산소(oxygen)와 같은 기체들을 녹이는데, 이것은 수중 생물들이 산소를 이용할 수 있도록 해준다. 물은 또한 혈액의 주요 성분으로[1], 모든 세포의 에너지 생산 시 만들어지는 노폐물인 이산화탄소(carbon dioxide)를 녹여 폐로 운반하여 호흡을 통해 밖으로 배출할 수 있도록 해준다.[2]
그러나 실제 우주적 용제라도 그것을 담을 수 있는 용기가 없다면 소용이 없을 것이다. 그러나 물은 유성 화합물(oily compounds)들과는 혼합되지 않으며, 따라서 세포막은 이러한 유성 성분으로 이루어져 있다. 우리 몸의 많은 단백질들은 부분적으로 유성 부분들을 가지고 있으며, 그들은 서로 접혀지는 경향이 있으나, 주위의 물과는 섞이지 않는다. 이것이 그렇게 다양한 모양의 단백질이 존재할 수 있도록 하는 데에 부분적으로 기여한다. 이들 단백질들의 모양들은 생명유지 기능을 수행하는 데에 아주 중요한 역할을 한다.
얼음에 들어있는 놀라운 사실
물의 중요하고 매우 독특한 특성 중의 하나는 그것이 얼음이 되었을 때 부피가 증가한다는 것이다. 이것이 빙산이 뜨는 이유이다. 사실 물은 4°C(39.2°F)에 도달할 때까지 온도가 낮아짐에 따라 부피가 감소하다가, 그 이하의 온도에서는 다시 부피가 증가하기 시작한다. 이것은 얼음이나 차가운 물이 4°C 물보다 밀도가 낮으며, 물 위로 뜬다는 것을 의미한다. 이것은 상당히 중요한 점으로, 대부분의 액체는 찬 공기와 접촉하면 냉각되고 찬 액체는 아래로 가라앉을 것이며, 더 많은 액체를 위로 밀어 올려 찬 공기에 의해 계속 냉각되게 할 것이다. 결국 바닥부터 꼭대기까지의 모든 액체가 열을 잃고 차가와져 결국은 모두 얼게 될 것이다. 그러나 물은 차가운 영역이 낮은 밀도를 가지기 때문에(물 표면에 존재하기 때문에) 찬 공기로 열을 잃게 되지 않으며, 이것은 표면은 얼게 되나 물의 아래는 여전히 생명체들이 살아갈 수 있는 환경을 만드는 것이다. 그러나 만약 북아메리카의 그레이트 레이크(Great Lakes)처럼 물이 다른 성분들로 대체 된다면 지구 전체에 위험한 일이 벌어질 것이다.
물에 대한 상식, 알고 계십니까?
- 지구는 70%가 물로 덮여 있다. 바다는 대략 13억7천 km3(3억3천4백만 mile3)의 물을 포함하고 있으며, 매년 육지에 내리는 비의 총량은 대략 11만3백 km3 이다.
- 전 세계 물의 단지 1%만이 인간이 이용할 수 있다. 대략 97%는 소금물이고, 2%는 얼음이다. 이 2%의 물은 2천9백만 km3(7백만 mile3)라는 엄청난 양으로 거대한 얼음층과 빙하에 갇혀 있다.
- 오스트레일리아는 가장 메마른 대륙으로 최소의 지표수를 보유하며 70%의 사막을 가지고 있다.
- 가정용수의 단지 1% 만이 식수로 이용된다. 나머지는 잔디에 물주기, 샤워 등으로 사용된다.
- 한 가정의 화장실에서 하루에 대략 150 리터의 물이 소모된다.
- 계속 줄줄 흐르게 방치된 물로 600 리터의 물이 하루에 낭비되며, 똑똑 떨어지게 방치된 물로는 하루에 30 리터의 물이 낭비된다.
- 정원에 덮개를 덮으면 75% 정도 증발을 줄일 수 있다.
- 스프링클러는 시간당 1000 리터의 물을 사용한다.
- 자연의 물중 소량의 광물염(mineral salts) 등이 용해된 물은 맛을 가지나 순수한 물은 맛이 없다.
(가정에서 물 사용에 대한 수치는 평균치이다. 그러나 개인의 습성과 이용하는 용품들에 따라 차이가 있다.)
얼음은 왜 그렇게 미끄러운가?
많은 사람들이 스케이팅이나 스키 같은 겨울 스포츠를 즐긴다. 무엇이 얼음을 그렇게 미끄럽게 하여 이러한 활동들을 가능하게 할까? 많은 사람들은 그것은 얼음에 압력이 가해질 때 생기는 액체가 윤활층을 형성하기 때문이라고 믿고 있다. 실제로 물리화학자들에게는 잘 알려진 대로, 가해진 압력은 물질들이 최소의 공간을 가지도록 한다. 그러므로 압력은 얼음을 녹여 물이 되게 하는데 (물은 다른 액체들과 달리 얼음보다 부피가 작다), 결국은 그것의 녹는점(melting point)은 낮아지게 될 것이다.
그러나 이러한 효과는 많은 사람들이 생각하는 것보다는 훨씬 작아서, 대략 100 기압의 압력이 단지 1 oC 정도 녹는점을 낮춘다.[3] 그래서 압력이 훨씬 작은 스케이팅에서는 이 효과로 설명되어질 수 없다. 또한 비행기들이 얼음을 녹이고 75m (250 피트)나 가라앉게 되는 원인이 될 수 없는 것이다. (잃어버린 비행중대, The lost squadron 참조).
진실된 이유는 또 다른 독특한 특성 때문인데, 얼음 표면의 분자들은 자유로이 움직일 수 있는 것은 아니지만 고체 내부의 분자보다 훨씬 강하게 진동한다는(vibrate) 것이다. 이것은 얼음 표면을 ‘유사’ 액체(quasi-liquid, 액체 같은 그러나 액체는 아닌)의 성질을 띠게 만든다.[4]
표면 장력
물은 매우 높은 표면장력(surface tension)을 가지고 있다. 표면장력은 표면을 가능한 적게 유지하려고 하는 힘이다. 물은 글리세롤(glycerol)과 같은 시럽형의 액체보다 표면장력이 매우 높다. 표면장력은 거품을 만드는 경향이 있고 방물들을 구형으로 만든다. 그리고 일부 곤충들을 포함한 가벼운 물체들을 지탱하기에 충분히 강하다. 더욱 중요한 것은 이것은 생물학적 화합물질들이 표면 근처로 집중시킬 수 있다는 것을 의미한다. 이것은 생명체의 여러 중요한 반응들의 속도를 높일 수 있다.
물의 힘
물은 평상시에는 평온한 것처럼 보이지만, 많은 양이 빠르게 움직인다면, 그것은 자동차만한 바위들을 움직일 수 있고, 깊은 협곡을 파낼 수 있으며, 심지어 단단한 바위를 자를 수도 있다. 물이 매우 빠르게 흐를 때, ‘캐비테이션(cavitation)’ 이라고 불리는 매우 파괴적인 과정이 발생한다. 자세한 사항을 알기 원하면 Interview with Dr Edmond Holroyd을 보라. 또한 화학적 차원에서 물은 살아있는 세포에서 많은 중요한 큰 분자들을 빠르게 분해시킨다. 반면에 살아있는 세포는 많은 정교한 수선 메커니즘(repair mechanisms)을 가지고 있다. DNA는 세포 밖의 물에서 오래 지속되어질 수 없다 [5]. New Scientist 에 실린 최근의 한 논문은 생명체의 기원을 진화론적 개념으로 일하는 연구자들에게는 하나의 골칫거리로서 이것을 기술하였다 [6]. 그 논문은 또한 이것은 좋은 뉴스가 아니라고 말함으로서, 그들의 유물론적 편견을 보여주었다. 그러나 진정으로 나쁜 뉴스는 확실히 진화론적(모든 것들이 스스로 만들어졌다는) 신념이다. 이것은 객관적인 과학을 짓밟아 버리고 있다. (더 자세한 설명을 위해서는 Origin of life: the polymerization problem 을 보라).
물은 왜 유일한가?
물의 가장 작은 구성요소는 물 분자이다. 이것은 수소 원자가 산소원자와 104°의 각도로 V 자를 이룬다. 그것은 극성(polar)을 띠는데, 산소원자는 음극의 전하를 띠고 반면 두 개의 수소원자는 양극의 전하를 띤다. 이것이 왜 물이 소금(salt)들과 같이 전기적으로 전하를 띤 구성 단위들을 가지고 있는 수많은 물질들을 잘 녹일 수 있는 지에 대한 이유이며, 반면에 기름(oil)과 같이 전하를 띠지 않는 분자들을 가지는 물질들을 잘 용해시키지 못하는 이유이다.
또한, 물은 수소결합(hydrogen bonds)에 의해 물 분자들끼리 서로 꽤 강하게 끌어당긴다. 이 수소결합은 보통의 화학결합보다 10배 정도 약한 결합이나, 실온에서 액체 상태의 물을 만들 수 있을 만큼 충분히 강한 결합이다. 반면에 비슷한 화합물인 황화수소(hydrogen sulfide)는 이러한 수소결합이 없기 때문에, 같은 온도에서 기체상태이다. 수소결합은 또한 물의 높은 표면장력(surface tension), 비열, 잠열 등의 성질들을 가지게 한다.
분자 모양과 수소결합은 얼음(ice)이 매우 열려진 육각형 모양의 결정 구조를 가지게 하는데, 이것은 다양한 종류의 눈송이(snowflakes)들에 의해 훌륭하게 설명되어진다. 이 결정 구조는 많은 공간을 차지하나, 결정이 녹을 때 붕괴가 되기 때문에, 액체인 물은 더 치밀해진다. 이것이 얼음이 물에 뜨는 이유이다. 최근의 연구는 물 분자들이 액체 내에서, 특히 6개의 분자들로 이루어진 새장 같은 구조에서 다발(clusters)을 이루는데 [7], 이것은 물의 많은 독특한 특성들을 가지게 한다.
다른 최근의 연구는, 물에는 2 종류의 수소결합이 있으며, 하나의 결합은 다른 것에 비해 두 배나 강하다는 것을 보여준다. 이것은 물이 넓은 영역에 걸쳐 액체상태인 이유를 설명하고 있다. 용융(melting)은 단지 약한 결합만을 끊지만, 비등(boiling)은 또한 강한 결합도 끊어야만 한다. 이 연구는 또한 강한 결합에서 약한 결합으로 변화되는 데에는 어떤 온도를 필요로 하는데, 이 중에 하나가 37°C (98.6°F)이다. 이 온도는 사람의 체온이며, 이것은 우리 몸이 많은 복잡한 설계 특성들을 가지고 있음을 가리키고 있는 것이다.
물, 성경, 그리고 과학
성경이 많은 현대 과학을 예견하고 있었는데, 물에 관해서는 성서적으로 적어도 두 가지의 언급이 있다. 그중 하나는 물의 순환 (증발, 구름, 비) 이다.
욥기 36:26-28에는 “하나님은 크시니 우리가 그를 알 수 없고 그 년수를 계산할 수 없느니라 그가 물을 가늘게 이끌어 올리신즉 그것이 안개 되어 비를 이루고 그것이 공중에서 내려 사람 위에 쏟아지느니라 다른 하나는 시편8:8의 ‘바다의 해로(paths of the seas)’ 에 대한 언급이다. 해양학의 개척자 매튜 모리(Matthew Fontaine Maury, 1806~1873)는 이 구절에 의해 해류 순환의 도표를 만들어내게 되었다 [8]. 모리는 성경은 모든 것에 관한 귄위(authority)로서, 단순한 교리가 아니라 모든 것을 언급하고 있으며, 그것은 과학과 역사도 역시 포함한다는 것을 믿었던 것이다. 그가 해로를 밝혀냄으로써 여행시간을 크게 단축시키는 혁신을 이루었다.
모리는 그의 발견으로 하나님께 영광을 돌렸다. 그리고 우리도 물의 모든 경이로움에 대해 하나님께 온전히 영광을 돌리고, 그 많은 사용에 대해 감사해야만 할 것이다. “ 라고 기록되어 있다.
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