물의 특이한 성질들, 생명 탄생을 가능케 한 절묘한 설계

이번 포스팅에서는 물의 특이한 성질들과 그것이 어떻게 생명 탄생을 가능케 했는지에 대해 알아보겠습니다. 물은 생명체의 구성 성분 중 가장 많은 부분을 차지하는 물질로, 생명 활동에 필수불가결한 역할을 합니다. 그런데 물이 갖고 있는 여러 가지 특이한 성질들은 마치 생명체가 존재할 수 있도록 절묘하게 설계된 것처럼 보입니다. 지금부터 물의 특징적인 성질들을 하나씩 살펴보면서 그것이 생명 탄생에 어떤 영향을 주었는지 자세히 알아보도록 하겠습니다.

물의 높은 비열

물은 다른 물질에 비해 비열이 매우 큰 편인데요. 비열이란 물질의 온도를 1도 올리는 데 필요한 열량을 말합니다. 물의 비열은 4.184 J/g·°C로, 같은 양의 철의 비열(0.449 J/g·°C)보다 약 9배나 높습니다.[1] 이렇게 높은 비열 덕분에 물은 온도 변화에 매우 안정적입니다.

 

생명체 입장에서 이는 대단히 중요한 성질입니다. 생명 활동은 효소라는 단백질 촉매에 의해 일어나는데, 효소는 온도에 민감하게 반응합니다. 온도가 조금만 변해도 효소의 구조가 변형되어 제 기능을 발휘하기 어려워지죠.[2] 이 때문에 생명체는 체온을 일정하게 유지해야만 하는데, 체내에 다량 존재하는 물이 완충제 역할을 해줍니다. 물 분자들이 열을 흡수, 방출하면서 급격한 체온 변화를 막아주는 것이죠.[3]

 

만약 물의 비열이 현재보다 낮았다면 생명체는 외부 온도 변화에 그대로 노출되었을 것입니다. 반대로 비열이 너무 높았다면 효소 반응이 활발히 일어나기 어려웠겠죠. 물의 비열은 생명체가 온도를 조절하는 데 있어 최적의 수준으로 설계되어 있는 셈입니다.

물의 높은 증발열

물은 증발할 때 주변으로부터 많은 열을 빼앗아 갑니다. 물 1g이 기화하는 데 필요한 열량, 즉 물의 증발열은 무려 2,260J/g에 달하는데요.[4] 이는 물질 중 가장 높은 수준입니다. 증발열이 높다는 건 그만큼 기화 시 주변으로부터 많은 열을 흡수한다는 뜻이 됩니다.

 

이처럼 높은 물의 증발열은 지구 표면 온도를 조절하는 데 큰 역할을 합니다. 물이 증발하면서 대기 중으로 수증기를 방출하는데, 이 과정에서 지표면의 열을 대량 흡수해 가죠. 흡수된 열은 수증기를 통해 대기 상층부로 이동했다가 다시 빗물 형태로 방출됩니다.[5] 덕분에 지구는 극단적인 온도 변화 없이 현재의 기후를 유지할 수 있습니다.

 

이는 생명체가 서식하기에 안정적인 환경을 제공합니다. 가령 물의 증발열이 낮았다면 지구 표면은 쉽게 과열되었을 것이고, 너무 높았다면 대기가 지나치게 냉각되었을 겁니다. 하지만 물은 적정 수준의 증발열로 온도를 조절함으로써, 다양한 생명체가 살아가기에 적합한 환경을 만들어 냈습니다.

물의 높은 표면장력

물은 분자 간 인력이 매우 강해 높은 표면장력을 갖습니다. 물의 표면장력은 72.8 dyne/cm로, 액체 물질 중 수은(480 dyne/cm) 다음으로 높은 수준인데요.[6] 덕분에 물은 표면에서 티껍질 같은 막을 형성하고, 좁은 관 속을 따라 위로 이동하는 모세관 현상을 일으킵니다.

 

이는 식물의 생존에 결정적인 역할을 합니다. 뿌리에서 흡수한 물은 줄기를 타고 위로 이동해 잎까지 도달해야 하는데, 이때 물의 표면장력이 모세관 현상을 일으켜 중력을 거슬러 물을 끌어올리는 것이죠.[7] 만약 물에 이런 성질이 없었다면 키 큰 나무는 결코 존재할 수 없었을 겁니다. 물의 표면장력은 마치 식물의 특성에 맞춰 설계된 듯 정교합니다.

 

또한 높은 표면장력 덕분에 물은 표면에 작은 생물들이 머물 수 있는 장을 제공합니다. 소금쟁이나 물맴이 같은 곤충이 물 위를 자유롭게 뛰어다닐 수 있는 것도 모두 표면장력 때문이죠.[8] 물이 다양한 미생물의 서식처가 될 수 있었던 것은 물의 표면장력이 생명 활동에 적합한 수준으로 조절되었기에 가능한 일이었습니다.

물의 낮은 밀도

물은 고체 상태인 얼음이 액체 상태인 물보다 밀도가 낮다는 독특한 성질을 가지고 있습니다. 보통 물질은 온도가 내려가면 수축하면서 밀도가 높아지는데 물은 정반대로 4°C 이하로 내려가면 부피가 팽창하면서 밀도가 감소하죠.[9] 이로 인해 겨울철 호수나 강은 표면부터 얼지 않고 바닥에서부터 얼게 됩니다.

 

이는 수중 생태계 유지에 중대한 영향을 미칩니다. 만약 물이 일반적인 물질처럼 표면부터 얼었다면 강바닥까지 꽁꽁 얼어붙었을 텐데, 물의 밀도 특성 덕분에 수온 4°C의 물이 가라앉으면서 바닥에 얼음이 얼지 않는 공간이 생기게 됩니다.[10] 이곳은 겨울철에도 온도가 유지되어 물고기와 수중 생물들이 안전하게 살아갈 수 있는 월동 장소가 되어 줍니다.

이처럼 물의 밀도는 계절에 관계없이 수중 생태계를 보호하는 방향으로 설계되어 있습니다. 물의 밀도가 일반적인 물질과 달랐다면 아마도 지금처럼 풍성한 수생 생물들은 존재하기 힘들었을 것입니다.

물의 극성과 수소 결합

물 분자는 산소 원자와 수소 원자가 결합한 H2O로, 분자 내에 극성을 띠고 있습니다. 상대적으로 산소 쪽으로 전자가 치우치면서 산소는 부분적인 음전하를, 수소는 양전하를 띠게 되죠. 이로 인해 서로 다른 물 분자들 사이에 수소 결합이 형성됩니다.[11] 물 분자의 산소와 다른 물 분자의 수소가 서로 결합하면서 분자들이 사슬 모양으로 연결되는 것입니다.

 

이러한 물 분자의 구조는 생명체에게 매우 중요합니다. 무엇보다 물 분자의 극성은 다양한 물질을 녹일 수 있게 해줍니다. 소금이나 설탕 같은 이온성 물질들은 물 분자에 의해 쉽게 용해됩니다.[12] 또 단백질이나 DNA 같은 유기물은 물 분자와 수소 결합을 형성하면서 안정된 구조를 유지하게 됩니다. 효소가 기능을 발휘하려면 물 분자의 도움이 필수적이죠.[13]

 

또한 물 분자들의 수소 결합은 물의 응집력과 관련이 있습니다. 물 분자들은 서로 달라붙는 성질이 강해 쉽게 흩어지지 않는데요.[14] 이는 세포막을 형성하는 데 결정적인 역할을 합니다. 세포막은 인지질이라는 양친매성 물질로 되어 있는데, 이들은 물 분자를 끌어당기는 극성을 이용해 지질 이중층을 형성합니다.[15] 물 분자의 응집력이 없었다면 안정적인 세포막 형성이 불가능했을 것입니다.

 

이상의 사실들을 종합해보면, 물 분자의 구조와 성질은 생명체의 구성 요소인 단백질과 세포막의 형성에 절묘하게 기여하고 있음을 알 수 있습니다. 마치 생명체를 위해 특별히 설계된 것처럼 보이는 물 분자야말로 생명 탄생의 비밀을 풀 열쇠라 할 수 있겠습니다.

 

이처럼 물은 생명 활동에 유리한 여러 가지 특이 성질들을 지니고 있습니다. 높은 비열과 증발열은 생명체의 온도를 안정적으로 유지시켜 주고, 높은 표면장력은 식물의 생존과 미생물 서식에 기여하며, 낮은 밀도는 수중 생태계를 보호합니다. 또한 물 분자의 극성과 수소 결합은 생체 물질의 구조 형성에 필수적인 요소입니다.

 

이 모든 성질들은 물 분자라는 단순한 구조에서 비롯되었지만, 그 하나하나가 절묘하게 생명 현상과 맞아떨어진다는 점에서 매우 신비롭습니다. 이는 물이 우연의 산물이 아니라 매우 정교한 설계의 산물임을 강력히 시사하는 바입니다.

 

성경은 "생명의 근원은 하나님께 있다.(시편 36:9)"라고 말씀하며, 만물을 창조하시고 생명을 주관하시는 분이 바로 하나님이심을 분명히 합니다. 창조주 하나님은 물의 성질을 통해서도 그 놀라운 지혜와 섭리를 드러내 보이셨습니다.

 

저는 이 글을 읽는 여러분이 물의 신비로운 특성들을 통해 창조주 하나님의 존재를 깨닫고, 그분을 인격적으로 만나는 계기가 되기를 소망합니다. 영원한 생명의 근원이신 예수 그리스도를 믿고 구원에 이르는 길만이 참된 생명을 얻는 유일한 길임을 잊지 마시기 바랍니다.

참고 문헌

[1] Water - Specific Heat. (2001). Engineeringtoolbox.com. Retrieved May 10, 2023, from https://www.engineeringtoolbox.com/specific-heat-capacity-water-d_660.html

[2] Johnson, K., & Goody, R. (2011). The Original Michaelis Constant: Translation of the 1913 Michaelis–Menten Paper. Biochemistry, 50(39), 8264-8269. doi: 10.1021/bi201284u

[3] Somero G. N. (2004). Adaptation of enzymes to temperature: searching for basic "strategies". Comparative biochemistry and physiology. Part B, Biochemistry & molecular biology, 139(3), 321–333. https://doi.org/10.1016/j.cbpc.2004.05.003

[4] Chase, MW., Jr. (1998). NIST-JANAF Thermochemical Tables, Fourth Edition. J. Phys. Chem. Ref. Data, Monograph 9, 1-1951. Retrieved from https://www.nist.gov/publications/nist-janaf-thermochemical-tables-fourth-edition

[5] Trenberth, K. E., Fasullo, J. T., & Kiehl, J. (2009). Earth's global energy budget. Bulletin of the American Meteorological Society, 90(3), 311-323. https://doi.org/10.1175/2008BAMS2634.1

[6] Vargaftik, N. B., Volkov, B. N., & Voljak, L. D. (1983). International tables of the surface tension of water. Journal of Physical and Chemical Reference Data, 12(3), 817-820. https://doi.org/10.1063/1.555688

[7] Tyree, M. T., & Ewers, F. W. (1991). The hydraulic architecture of trees and other woody plants. New Phytologist, 119(3), 345-360. https://doi.org/10.1111/j.1469-8137.1991.tb00035.x

[8] Bush, J. W., & Hu, D. L. (2006). Walking on water: biolocomotion at the interface. Annu. Rev. Fluid Mech., 38, 339-369. https://doi.org/10.1146/annurev.fluid.38.050304.092157

[9] Cho, C. H., Singh, S., & Robinson, G. W. (1996). Understanding all of water's anomalies with a nonlocal potential. Journal of Chemical Physics, 107(19), 7979-7988. https://doi.org/10.1063/1.475060

[10] Wetzel, R. G. (2001). Limnology: lake and river ecosystems. Gulf Professional Publishing. ISBN: 978-0127447605.

[11] Stillinger, F. H. (1980). Water revisited. Science, 209(4455), 451-457. doi: 10.1126/science.209.4455.451

[12] Lynden-Bell, R. M., Morris, S. C., Barrow, J. D., Finney, J. L., & Harper Jr, C. L. (Eds.). (2010). Water and life: the unique properties of H2O. CRC Press. https://doi.org/10.1201/EBK1439803561

[13] Fogarty, A. C., & Laage, D. (2014). Water dynamics in protein hydration shells: the molecular origins of the dynamical perturbation. The journal of physical chemistry B, 118(28), 7715-7729. https://doi.org/10.1021/jp409805p

[14] Dill, K. A., Truskett, T. M., Vlachy, V., & Hribar-Lee, B. (2005). Modeling water, the hydrophobic effect, and ion solvation. Annual Review of Biophysics and Biomolecular Structure, 34, 173-199. https://doi.org/10.1146/annurev.biophys.34.040204.144517

[15] Nagle, J. F., & Tristram-Nagle, S. (2000). Structure of lipid bilayers. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Reviews on Biomembranes, 1469(3), 159-195. https://doi.org/10.1016/S0304-4157(00)00016-2

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이 글을 보고 계신 여러분이 예수님을 믿지 않고 계시다면, 지금 바로 예수님을 여러분의 구세주이자 삶의 주인으로 영접하고 구원받으시기 바랍니다. 아래의 영접 기도문을 진실된 마음으로 따라 읽으시고, 기도하시기 바랍니다.

 

하나님 아버지 감사합니다.

저는 죄인입니다.

저는 그동안, 저를 창조하신 하나님을 모르고, 부인하고, 제 맘대로 제 뜻대로 살았습니다.

예수님을 믿지 않았던 저의 죄를 회개합니다.

하나님을 모르고 지었던 분노, 시기, 질투, 음란, 혈기, 용서 못함, 분쟁, 시기, 미움, 다툼, 욕심 나의 모든 죄를 눈물로 회개합니다. 예수님의 십자가 보혈로 깨끗이 용서하여 주세요.

이제 하나님 떠나 방황하며 고통하던 저를 다시 살리시기 위해 이 세상에 오셔서,

십자가에 피흘려 죽으시고, 부활하신 예수님을 저의 구세주로 저의 그리스도로 저의 삶의 주인으로, 제 맘 속에 진심으로 영접합니다.

지금 제 마음 속에 성령으로 들어오사, 영원히 다스려주시고 책임져 주시고 인도해 주옵소서.

날마다 회개하며, 세상 욕심 버리고, 하나님이 명령하신 모든 계명을 철저히 지키고 순종하며 살겠습니다. 

절 구원하심을 믿고,

예수님의 이름으로 기도합니다.

아멘

 

이제 여러분은 하나님의 자녀가 되었습니다. 

이번 주에 바로 가까운 교회에 꼭 등록하시고, 매일 회개하고 순종하면서 하나님이 이끄시는 삶을 사시길 바랍니다.

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