산소 대폭발과 천연 원자로

산소 대폭발

약 35억 년 전 남세균과 함께 생명체가 지구에 나타났을 때 지구 대기의 구성은 오늘날 우리가 호흡하는 대기와는 매우 달랐다.

오늘날 금성과 화성의 대기처럼 원시 지구의 대기는 약간의 질소와 많은 양의 이산화탄소로 이루어져 있다. '탄산 가스'라고도 하는 이산화 탄소의 화학식은 CO로 탄소 원자 하나와 산소 원자 둘이 결합된 것이다. 남세균은 햇빛을 받아 이 분자를 깨뜨림으로써 대기 중에 점점 더 많은 양의 산소를 방출하고 탄소를 고정한다. 그런데 10억 년 동안 대기의 구성은 언제나 같다고 한다.

 

산소는 반응성이 크므로 생산되자마자 지구의 지각을 구성하는 수 많은 광물, 그중에서도 철과 결합한다. 마침내 지구에서 이용 가능한 모든 광물이 이미 산화되어버린 시기가 온다. 이제 산소는 대기 중이 퍼지기 시작한다. 이 시기의 대기는 상당량의 메탄을 함유하고 있어 온실효과를 통해 더운 기후의 이득을 보지만 이전에는 탄산 가스를 통 한 온실효과로 더운 기후가 유지되었다고 한다. 이 시기는 기온도 때 높아서 산소 없이 살 수 있는 온갖 생물이 급증한다. 산소는 흩어지면서 메탄과 상호작용하고 메탄은 10만 년에 걸쳐 온실효과와 함께 사라져 갔다고 한다. 이후 기온이 떨어지고 지표면은 두꺼운 얼음으로 덮인다고 한다. 이 시기가 바로 휴로니안 빙하기이며 지구 역사상 가장 긴 ‘눈덩이' 형 빙하기라고 한다. 이 빙하기로 인해 수억 년 동안 생명체 대부분 이 파멸되었다.

 

이 생태적 대재앙에서 살아남은 종들은 새로운 환경에 적응하여 마침내 산소로 대사 작용을 하는 데 성공한다. 휴로니안 빙하기가 끝 나자 대륙이 정화된다. 그 결과 대양에 영양분이 많아지고 빛을 에너지원으로 사용하는 남세균이 증가했다. 남세균이 생산하는 산소의 양 이 점점 늘어나면서 그 비율이 다세포 생명체의 출현에 적합한 한계선에 도달한다. 이것은 진화의 쾌거이자 생물다양성 폭발의 전주곡 인 것이다. 또한 산소 분자에 태양의 자외선이 작용하자 오존이 만들어진다. 이때 오존은 지구의 높은 대기층에 자외선을 차단할 수 있는 층을 형성하는 데 이것 또한 생물다양성에 필수적인 조건이라고 한다.

 

천연 원자로

태양계 성운 부근에서 초신성 폭발이 일어난 후 2개의 우라늄 방사성 동위원소인 우라늄-235와 우라늄-238이 형성 과정의 지구에서 발견됐다. 전자가 후자보다 6배 빨리 붕괴하므로 우라늄-235의 존재비는 원시 지구에서는 17%였으나 기원전 20억 년에는 3.8%가 된다. 경수로에서 필요로 하는 것이 바로 이 우라늄-235의 존재라고 한다. 수 억 년 전 최초의 남세균이 방출한 산소가 가득한 물은 우라늄을 산화시켜 그것을 퇴적층에 고정한다. 산화우라늄이 풍부한 동시에 물을 가득 머금은 다공질 퇴적층이 오늘날의 아프리카 가봉(Gabon) 아래 지하 심층부에서 발견되었다. 바로 그곳에서 약 20억 년 전 천연 핵분열 원자로가 가동되기 시작한다고 한다.

1950년대 중반 프랑스 원자력청(CEA)의 광산 시굴자들은 가봉 동부에서 우라늄이 풍부한 광상을 발견한다. 1972년 프랑스 드롬 지방 피에를라트에 위치한 CEA의 공장 엔지니어들은 가봉 오클로광상에서 나온 천연 우라늄을 분석한다. 그 결과 우라늄-235가 조금 부족한 것으로 밝혀졌다. 조사 후 CEA의 전 고등판무관이었던 물리학자 프랑시스 페랭은 이런 이상 현상은 천연 원자로의 과거 활동 때문이라고 주장했다. 이런 류의 연 원자 로는 일본계 미국인 핵물리학자 폴 가즈오 구로다가 예측한 바 있다.

 

우라늄-235의 첫 번째 핵의 자발적 핵분열로 생성된 고속중성자는 오클로의 우라늄 광상을 둘러싼 지하수에 의해 감속되어 나머지 핵 들을 더 쉽게 분열시키는데 이것이 바로 연쇄 반응 원리이다. 약한 강 도로 작동한 오클로의 천연 원자로는 수십만 년간 가동된다고 한다.

 

이 원자로에서 핵분열 생성물이 꽤 많이 생산되었다. 따라서 1972 년 프랑시스 페랭과 연구팀은 오클로 광산에서 채취한 암석에서 핵분 열 부산물을 확인하고 이곳에서 정말로 원자로가 작동되었음을 증명했다. 여기서 강조할 점은 핵분열 원자로(천연 원자로라 해도) 작동의 핵심 요소는 미세구조상수리는 점이다. 오클로 원자로 연구는 20억 년 전의 미세구조상수 값이 오늘날 실험실에서 측정된 값과 1천만 분의 1까지 도 같다는 점을 입증한다. 기본상수는 변한다고 단언한 자들에게 던질돌이 늘어난 것이다.