에너지와 진화

목차
프롤로그
1.생명과 에너지 전환의 역사
2.생존 요건과 진화
3.진화와 자유 에너지
4.상대성 이론과 존재적 위험
5.질소와 화석 연료
6.녹색 혁명과 기계화
7.전기와 생산성
참고문헌






프롤로그

빅뱅 이론은 우주가 믿을 수 없을 만큼 밀도가 높은 지점에서 엄청난 속도로 형성되었다고 주장한다. 그렇다면 우주가 형성될 때 정확히 무슨 일이 일어났을까? 빅뱅 이론은 우주가 특이점이라 불리는 무(無)의 단일점에서 시작되었다고 주장한다. 이 지점은 너무 컴팩트해서 차원이 없었다. 우주의 모든 구성 요소는 이 하나의 무한히 밀도가 높은 지점에 국한되어 있었다. 갑자기, 아무도 그 이유를 모르지만, 이 특이점이 폭발했다. 단 한순간, 우주의 모든 미래 내용물이 공허 속으로 던져졌다. 이 폭발의 규모와 속도는 가늠하기 어렵다. 과학자들은 빅뱅 직후 우주의 크기가 10의 -34초마다 두 배로 커졌다고 믿고 있다. 이것이 얼마나 빠른지 이해하기 어려울 수 있으니, 다른 방식으로 설명해 보겠다. 단 3분 만에 우주는 가장 작은 점에서 직경 1,000억 광년이 넘는 크기로 커졌다. 모든 물질의 98%와 우주를 지배하는 기본적인 힘은 샌드위치를 ​​만드는 데 걸리는 시간 안에 만들어졌다. 그러면 아르노 펜지아스와 로버트 윌슨과 그들의 HISS(Hertzsprung-Russell Diagram Isochrone Synthesis. HISS는 천문학에서 사용하는 방법으로, 별의 색깔과 밝기를 이용하여 별의 나이와 거리를 추정하는 데 사용된다)로 돌아가서, 그들이 정확히 무엇을 발견했을까? 빅뱅 중에 방출된 강렬한 에너지는 결국 식어서 마이크로파로 변형되었다. 펜지아스와 윌슨이 HISS로 채택한 것은 바로 이 마이크로파였다. 그리고 이 증거를 보려면 거대한 통신 안테나도 필요하지 않다. TV가 있는 사람이라면 누구나 관리할 수 있다. TV의 튜닝을 낮추고 채널과 채널 사이에 들리는 이상한 잡음에 귀를 기울여 보라. 이 정적인 물질의 약 1%는 빅뱅의 잔재, 즉 우리 우주의 초기 순간의 유물이다.


1.생명과 에너지 전환의 역사

우리 지구상의 생명의 역사는 에너지 전환의 역사이다. 맨 처음 약 35억 년 전, 지구 표면의 대부분이 원시수프에 불과했을 때 새로운 형태의 생명체가 등장했다. 간단한 단세포 미생물인 박테리아는 의식도 없고 이동성도 없었으며, 그저 지구의 바다를 목적 없이 표류할 뿐이었다. 하지만 그들은 신진대사를 가지고 있었다. 즉, 한 형태의 에너지를 다른 형태로 전환하는 능력이 있었다. 그것이 바로 그들이 생존하고 번식하는 데 필요한 영양소를 얻는 방법이었다. 생명은 스스로를 복제하는 방법을 찾은 유전 물질의 묶음으로 자연스럽게 시작되었다. 아미노산이 결합해 만들어지는 단백질은 생명의 구성 요소이다. 그들이 마치 스스로 굽는 케이크처럼 거의 무작위로 나타나는 것이 이상하게 보일 수도 있지만, 그렇지 않다. 눈송이의 대칭성부터 토성의 고리까지, 자체 조립 과정은 끊임없이 발생한다. 얼음이나 돌과 같은 무기적 재료에서도 그런 일이 일어날 수 있다면, 유기적 재료에서도 왜 그런 일이 일어날 수 없을까? 결국, 유기물질과 무기물질의 유일한 차이점은 탄소, 수소, 산소, 질소라는 필수 성분뿐이다. 이 모든 것은 자연스러운 삶이 가능하다는 것을 의미한다. 하지만 이것으로 설명할 수 없는 것은 그 일이 어떻게 일어났는가, 그리고 왜 지구에서 일어났는가 하는 것이다. 우리가 아는 생명체는 여러 세대에 걸쳐 전해져 내려온 단일 유전적 기술의 결과이다. 이 창조의 순간은 40억 년 전, 아주 작은 화학물질 덩어리가 스스로 분열에 성공했을 때 일어났다. 분열을 통해 유전 코드를 전달하는 방법을 배웠다. 이 단일 사건으로 인해 지구상의 모든 생명이 시작되었다. 생물학자들은 이를 '대출산'이라고 부른다. 빅 버스로 시작된 이 과정은 결국 박테리아를 만들어냈다. 그들은 20억 년 동안 지구상에서 유일한 생명체로 남았다. 그러자 박테리아가 물 분자를 이용하는 방법을 배우기 시작했다. 그렇게 하여 그들은 광합성 과정을 창조했고, 그로 인해 세상이 산소로 가득 찼다. 산소 수치가 현대 수준에 도달하자 복잡한 생명체가 등장했다. 그들은 크게 두 그룹으로 진화했다. 식물처럼 산소를 배출하는 그룹과 우리처럼 산소를 소비하는 그룹이다. 물론, 수억 년 전 이 순간부터 생명체는 계속해서 진화해 왔다. 최초의 에너지 형태는 태양으로부터 나오는 태양복사선이었다. 그들은 그 에너지를 이용해 이산화탄소와 물을 새로운 유기 화합물로 전환했다. 그렇게 하면서 그들은 부산물인 산소를 만들어냈다. 광합성이라고 불리는 이 과정은 지구의 대기를 변화시켰다. 이 미생물들이 광합성을 시작하기 전에는 산소가 부족했다. 하지만 수억 년이 지나자 대기에는 우리가 아는 생명체가 살 수 있을 만큼 충분한 산소가 축적되었다. 말하자면 생명은 에너지 전환으로 시작되었다. 그리고 그것은 계속 그렇게 이어졌다. 우리 지구의 역사 전체는 에너지 전환의 역사이다. 예를 들어, 수십만 년 전에도 또 다른 획기적인 전환이 있었다. 이는 신체 외부에서 에너지를 사용하는 최초의 사례였으며, 즉 에너지를 신체 밖으로 변환한 것이다. 이전에는 모든 에너지 전환이 생물의 세포 내부에서 일어났다. 간단히 말해 신진대사였다. 세포가 한 형태의 에너지를 다른 형태로 전환하여 영양소를 방출한다. 그때, 비정상적으로 똑똑한 원숭이들, 우리의 조상들이 식물체의 조절된 연소를 발견했다. 불은 나무, 이탄, 석탄 등 식물성 물질의 화학 에너지를 열 에너지와 빛으로 전환한다. 물론 호모 사피엔스는 나무를 사용하면서 시작했다. 석탄은 훨씬 나중에 등장했다. 하지만 그 정도면 소화되지 않는 음식을 먹을 수 있고, 보금자리를 따뜻하게 유지하고, 위험한 동물을 겁주어 쫓아낼 수 있었다. 불을 이용한 것은 인류가 환경을 재편하고 통제하기 위한 긴 여정의 첫 걸음이었다. 약 1만 년 전 동물의 가축화는 에너지 전환 역사에서 또 다른 이정표이다. 인간이 소와 같은 동물을 일하게 하기 전에는, 인간은 자신의 근육에 의존하여 화학 에너지를 운동 에너지와 기계적 에너지로 전환했고, 이를 통해 짐을 끌고, 밭을 갈고, 우물에서 물을 긷는 등의 작업을 했다. 가축화로 인해 그 역할이 짐을 싣는 가축에게 아웃소싱되었다. 그 후의 돛과 물레방아와 같은 혁신적 기술이 등장하면서 그 일은 바람과 흐르는 강에 위임되었다. 그 다음 이정표는 화석 연료의 사용으로, 이를 통해 우리는 현대에 접어들게 된다. 1600년경 이후로 사람들은 석탄을 태우기 시작했다. 석탄은 수백만 년에 걸쳐 열과 압력으로 식물체가 화석화되면서 만들어진 연료이다. 석탄은 우리에게 증기 기관을 선사했는데, 증기 기관은 초기 산업화의 동력이 된 철제 동력 장치였다. 1850년대 이후, 에너지 전환의 역사가 가속화되면서 더욱 많은 새로운 에너지원이 생겨났다. 원유, 수력과 풍력 터빈을 이용한 전기 생산, 지열 발전, 그리고 원자력과 태양광 발전 등, 유용한 에너지의 풍부함은 인간 존재의 모든 측면을 변화시켰다. 이를 통해 우리는 덜 일하고, 더 건강하게 먹고, 더 많이 여행하고, 더 효율적으로 소통할 수 있다. 다르게 말하면, 현대 생활의 기적을 이해하려면 먼저 에너지를 어떻게 전환하는지부터 살펴봐야 한다.


2.생존 요건과 진화

지구상에서 생명이 존재할 수 있게 하는 네 가지 고유한 기준이 있다. 지구상에는 놀라울 정도로 다양한 생명체가 살고 있음에도 불구하고, 우리 지구는 거주하기에 적합한 곳과는 거리가 멀다. 인간이라는 존재는 지구상에서 비교적 작은 부분에만 살아가야 한다. 우리는 사막이나 남극에서는 살아남을 수 없다. 우리는 바다 위나 바다 속에서 살 수 없다. 한 추정에 따르면, 지구에서 거주 가능한 공간의 99.5%는 인간이 전혀 접근할 수 없다. 지구 대부분 지역에서 살아가는 게 얼마나 힘든지 생각해보면, 우리가 이곳에 살고 있다는 것 자체가 놀라운 일이다. 사실, 우리가 살아갈 수 있는 땅이 조금이라도 있다는 것은 정말 행운이다. 행성이 거주 가능한 곳이 되려면 네 가지 기준을 충족해야 한다. 첫째, 별과의 거리가 딱 적당해야 한다. 별에 너무 가까운 행성은 생명체가 살기에는 너무 뜨거울 것이다. 하지만 너무 멀리 떨어져 있으면 생명체가 살기에는 너무 춥다. 사실, 지구가 태양에 5%만 더 가까웠다면, 또는 15%만 더 멀었다면, 생명체는 진화하지 못했을 것이다. 두 번째로, 행성에는 생명을 우주 방사선으로부터 보호할 수 있는 대기가 있어야 한다. 지구에서는 지구의 용융된 핵이 우리에게 보호 분위기를 제공해 주는 데 감사해야 한다. 셋째, 완벽한 크기의 달이 필요하다. 바위투성이의 움푹 들어간 동반자가 없다면 지구는 훨씬 더 빨리 회전할 것이다. 어지러운 회전으로 인해 기후와 날씨가 엉망이 될 것이다. 넷째, 타이밍이 중요하다. 우리의 존재로 이어진 복잡한 사건의 순서는 특정한 방식으로, 특정한 시간에 진행되어야만 생명을 만들어낼 수 있었다. 예를 들어, 우리의 달은 약 44억 년 전 화성 크기의 행성이 지구에 충돌한 후 형성되었다. 이 충돌 덕분에 우리는 완벽한 크기의 달을 얻을 수 있었다. 또한 우리는 그 일이 수십억 년 전, 즉 생명이 발달하기 전에 일어났다는 사실에 감사해야 한다. 만약 그 일이 나중에 일어났다면, 지구상의 생명체는 모두 멸종했을지도 모른다.

지구가 셀 수 없이 많은 종을 지탱하고 있지만, 모든 생명은 하나로 볼 수 있다. 1859년에 찰스 다윈은 《종의 기원》을 출판했다. 다윈은 그의 획기적인 연구를 통해 모든 생명체는 서로 연결되어 있다는 사실을 입증했다. 다윈은 다양한 생명체가 환경에 따라 서로 다른 진화 경로를 따라 진화했다는 것을 설명했다. 주변 환경에 가장 적합하도록 진화한 생명체는 번성하고 번식하게 된다. 적응하지 못하는 생명체는 멸망할 것이다. 자연선택에 의한 이러한 진화 과정을 통해 생명체는 다양해졌다. 하지만, 이 모든 진화 과정을 추적해 보면 결국 모든 종이 공유하는 공통 조상을 발견하게 될 것이다. DNA에 대한 현대 연구는 모든 생명체가 얼마나 서로 연결되어 있는지를 보여준다. 예를 들어, 자신의 DNA를 다른 사람의 DNA와 비교해보면 코드의 99.9%가 정확히 동일하다는 것을 알 수 있다. 그리고 이런 유사점은 종 내에서만 존재하는 것은 아니다. 믿기 ​​어려울지 모르지만, 여러분의 DNA 중 약 절반이 바나나의 DNA와 완벽하게 일치한다. 당신의 유전자 중 60%는 초파리에서 발견되는 유전자와 정확히 동일하며, 그중 최소 90%는 쥐에서 발견되는 유전자와 어느 정도 상관 관계가 있다. 더욱 이상한 것은 과학자들이 우리 DNA의 일부가 종 사이에서 교환 가능하다는 사실을 발견했다는 것이다. 예를 들어, 우리가 인간의 DNA를 파리의 특정 세포에 삽입하면, 파리는 그 DNA를 마치 자기 DNA인 것처럼 받아들일 것이다. 지구상의 모든 생명체가 서로 밀접하게 연결되어 있다는 것은 매우 분명한 사실이며, 대부분의 사람들이 생각하는 것보다 훨씬 더 긴밀하게 연결되어 있다. 그리고 생명의 풍부한 다양성을 보는 것은 마치 기적에 다름 아닌 듯하다.


3.진화와 자유 에너지

에너지는 일을 할 수 있는 능력이다. 간단히 말해 에너지 전환은 모든 생명의 기초이다. 그것은 인간의 진화를 촉진했고 우리 종이 지구를 지배할 수 있게 해주었다. 이를 물리학자보다 더 잘 아는 사람은 없다. 1886년, 열역학의 창시자 중 한 명인 루트비히 볼츠만은 에너지가 모든 것의 핵심이라는 결론을 내렸다. 모든 생명은 무료 에너지, 즉 전환에 사용할 수 있는 에너지를 얻기 위한 투쟁이라고 그는 말했다. 1933년 노벨 물리학상을 수상한 에르빈 슈뢰딩거도 동의했다. 모든 유기체는 무료 에너지를 섭취하며, 그 에너지를 가장 잘 활용하는 유기체가 진화적 이점을 갖는다고 그는 썼다. 이 주제로 다시 돌아가겠지만, 먼저 잠깐 멈춰서 근본적인 질문을 던져보겠다. 에너지란 무엇일까? 고대 그리스에서 유래한 이 단어의 어원은 좋은 시작이 될 수 있다. 이는 일을 의미하는 명사 에네르게이아에서 유래되었으며, 이는 표준 과학적 정의에 가깝다. 에너지는 일을 할 수 있는 능력이다. 물리학에서 일이란 변화에 저항하는 두 번째 힘에 반대되는 시스템의 구성 변화를 일으키는 물리적 행위를 말한다. 이는 일이란 물체를 움직이는 힘이라는 것을 기술적으로 표현한 것이다. 다시 말해 에너지는 운동에 관한 것이다. 예를 들어 2층 창문 밖으로 테니스 공을 던지면 그 공에는 위치 에너지, 즉 운동을 만들어낼 수 있는 잠재력이 있다. 만약 당신이 그것을 떨어뜨리면, 그 위치 에너지는 운동 에너지로 변환된다. 모든 에너지는 전환될 수 있다. 당신이 먹는 음식은 화학 에너지의 저장소이다. 달리거나 정리할 때 운동 에너지로 전환된다. 석탄의 화학 에너지는 기계적 에너지로 전환될 수 있으며, 이 힘은 증기 엔진에 부착된 피스톤을 움직이는 힘이 된다. 그리고 그것은 우리를 다시 에너지의 본질로 되돌려 놓는다. 변환, 그것은 창조되거나 파괴될 수 없고, 단지 형태만 바뀔 수 있기 때문이다. 이는 에너지 보존 법칙으로 알려져 있으며 열역학의 제1법칙이다. 골판지 상자가 적재대 경사로를 따라 미끄러지는 것을 상상해 보면 이것이 어떻게 작동하는지 알 수 있다. 경사로의 꼭대기에 놓여 있을 때, 상자는 잠재적인 에너지를 가지고 있었다. 하지만 우연히 밀려 경사로를 따라 빠르게 떨어지면서 위치 에너지가 운동 에너지로 전환되었다. 하지만 상자는 경사로를 따라 내려오면서 속도가 느려진다. 마찰은 그 움직임을 방해한다. 하지만 상자의 운동 에너지는 손실되지 않는다. 이는 열 에너지로 변환되어 상자와 경사로를 모두 가열한다. 여기서 사라진 것은 이 운동 에너지가 유용한 일을 수행할 수 있는 능력이다. 더 이상 상자를 움직일 수 없다. 이것이 바로 에너지 물리학의 요약이다. 하지만 좀 더 추상적이지 않게 설명해 보겠다. 우리는 방금 슈뢰딩거의 견해를 인용했다. 즉, 유용한 전환에 사용할 수 있는 에너지인 자유 에너지를 가장 잘 포착하는 유기체가 진화적 이점을 가진다는 것이다.


4.상대성 이론과 존재적 위험

아인슈타인의 특수 상대성 이론에 따르면 시간은 상대적이라는 것이다. 아인슈타인은 1905년 논문에서 처음으로 특수 상대성 이론을 설명했다. 아주 간단히 말해서, 이 이론은 시간의 개념이 상대적이라고 말한다. 이는 이해하기 어려운 개념일 수 있다. 결국, 시간은 끊임없이 느껴진다. 매 초, 매 분, 매 시간이 정확히 같은 속도로 흐른다. 속도가 빨라지거나 느려지지 않고, 이를 바꾸기 위해 할 수 있는 일이 아무것도 없는 것처럼 느껴진다. 하지만 시간은 상대적이다. 시간은 상황에 따라 다른 속도로 흐를 수 있다. 이는 다른 사람이나 다른 것과 비교한 당신의 상대적인 위치 및 속도와 관련이 있다. 이에 덧붙여, E는 mc2(엠씨의제곱)과 같다는 것은 질량과 에너지가 사실상 동일한 것임을 설명한다. 질량은 방출될 준비가 된 잠재적 에너지일 뿐이다. 1917년에 발표된 아인슈타인의 일반 상대성 이론은 공간-시간이라는 혁신적인 개념을 제시했다. 이름에서 알 수 있듯이, 시공간은 3차원의 공간과 4차원인 시간을 결합한 것이다. 즉, 공간과 시간은 동일한 개체의 요소이다. 이런 이상한 공간-시간의 개념을 상상하는 건 매우 어려울 수 있다. 유용한 비유 중 하나는 그것을 늘어난 고무 시트로 생각하는 것이다. 이 시트는 평평하지만, 가공이 가능하다. 휘거나 구부러질 수도 있다. 무엇보다도, 공간-시간의 개념은 중력에 대한 우리의 생각을 완전히 바꾸어 놓았다. 중력은 실제로 공간-시간이 휘어지는 현상이다. 작동 원리는 다음과 같다. 질량이 있는 물체는 시공간을 구부린다. 질량이 큰 물체일수록 휘는 정도가 더 크다. 더 작은 물체가 시공간을 통과하면서 결국 이러한 곡선을 따르게 된다. 기본적으로 이것을 중력이라고 한다. 다시 고무판으로 돌아가 봅시다. 볼링공과 같은 커다랗고 둥근 물체를 시트 중앙에 놓으면 시트가 늘어나고 처지게 된다. 이것이 태양과 같은 거대한 물체가 시공간을 늘리고 휘게 만드는 방식이다. 이제, 구슬을 시트 위로 굴린다고 상상해보라. 직선으로 이동하려고 최선을 다할 것이다. 그러나 구슬이 볼링공에 가까워질수록 진로에서 벗어나기 시작할 것이다. 더 무거운 물체가 만든 경사면을 따라가기 시작할 것이다. 곧 구슬은 마치 행성이 태양을 공전하는 것처럼 고무 시트의 곡선을 따라 계속 돌게 될 것이다. 아인슈타인은 한 가지 우아한 이론을 통해 세상에 중력이 어떻게 작동하는지 설명했다.
 
한편, 물리학자들이 원자핵 주위를 회전하는 전자를 처음으로 측정했을 때, 그들은 이상한 것을 목격했다. 때로는 전자가 파동처럼 행동하기도 하고, 때로는 전자가 입자처럼 행동하기도 했다. 물리학자들은 혼란스러워했다. 어떻게 두 가지가 동시에 가능할 수 있을까? 그것은 파동일 수도 있고 입자일 수도 있다. 둘 다일 수는 없겠죠? 하이젠베르크의 불확정성 원리는 이 수수께끼를 해결했다. 간단히 말해서, 불확정성 원리는 전자가 입자이지만, 파동과 같은 방식으로 설명할 수 있다고 가정한다.
이 원리는 또한 전자가 현재 어디에 있는지 아는 것과 전자의 경로와 속도를 아는 것이 둘 중 하나만 가능하다는 것을 설명한다. 위치와 경로를 모두 아는 것은 불가능하다. 이 모든 것은 전자가 어디에 있을지 정확히 예측할 수 없다는 것을 의미한다. 어딘가에 있을 확률은 추측만 할 수 있을 뿐이다. 양자 이론은 이해하기 어렵지만, 매우 작은 개체를 설명하는 데 도움이 된다. 그것은 중력이나 시간과 같은 우주의 큰 현상을 설명하는 데 사용될 수 없다. 반면에 상대성 이론은 우주의 더 큰 힘을 이해하는 데 매우 유용하다. 하지만 그것으로는 아원자 세계를 설명하는 데는 실패한다. 따라서 과학에는 양자 물리학과 상대성 이론이라는 두 가지 이론이 남게 되었다. 아직까지 모든 것을 설명할 수 있는 이론을 발견한 사람은 없다.

사실, 우리 태양계는 살기에 위험한 곳이다. 지구는 종종 소행성과 충돌할 위험에 처해 있다. 우주를 가로지르는 이런 바위와 비슷한 물체는 적어도 10억 개는 있다. 각 소행성은 태양계 내의 특정 궤도를 따르며, 그 중 다수는 지구 근처를 정기적으로 지나간다. 더욱 무서운 사실은 지름이 10m가 넘는 소행성이 약 1억 개나 지구 대기를 정기적으로 통과한다는 것이다. 과학자들은 이런 소행성이 2,000개 정도 있으면 충돌 시 문명을 위험에 빠뜨릴 수 있을 것으로 추정한다. 그런 일이 일어나지 않을 거라고 생각하시나요? 일주일에 두세 번 정도 치명적인 소행성과의 충돌이 전혀 예상치 못한 방식으로 일어날 것으로 예측된다. 지구는 태양계 내부, 심지어 우리 행성에서도 존재적 위험에 항상 노출되어 있다. 우주에서 일어나는 일이 충분히 무섭지 않다면, 우리 집 근처에서도 걱정해야 할 일들이 있다. 지구에는 그 자체로 수많은 위험이 도사리고 있다. 예를 들어 지진은 언제든지 일어날 수 있다. 지진은 두 개의 지각판이 충돌할 때 발생한다. 압력이 점점 높아지다가 결국 한쪽이 무너지면서 지진이 발생한다. 이러한 문제는 세 개의 지각판이 만나는 지점에 위치한 도쿄와 같은 지역에서 특히 심각하다. 지진은 파괴적일 수 있다. 1755년, 포르투갈의 번영했던 도시 리스본은 믿을 수 없을 정도로 강력한 일련의 지진과 그에 따른 쓰나미로 파괴되었다. 6만 명이 사망했다. 그리고 화산도 있죠. 화산은 현대 과학에도 불구하고 여전히 위협적인 존재이다. 예를 들어, 1980년에 미국 워싱턴주에서 세인트헬렌스산이 분화하여 57명이 사망했다. 정부의 화산학자 대부분이 화산의 행동을 적극적으로 감시하고 예측하고 있었지만 실제 분화는 예상하지 못했다. 하지만 화산은 폭발했다. 세인트 헬렌스 산의 분화는 미국 내 다른 화산에 비하면 사소한 일이다. 옐로스톤 국립공원 바로 아래에는 거대한 화산 지대가 있다. 이 초거대 화산은 약 60만 년마다 분화할 것으로 예측된다. 이는 1,600km 반경 내의 모든 것에 3m 두께의 화산재를 남긴다. 그리고 우리에게 불행하게도, 이 화산이 마지막으로 활동했던 때는 63만 년 전이다. 지구에서 살아가는 데는 본질적으로 위험이 따르지만, 모든 것의 역사를 살펴보면 우리가 이곳에 살 수 있다는 것이 얼마나 큰 행운인지 알 수 있다.


5.질소와 화석 연료

화석연료는 농업에 혁명을 일으켰다. 1950년부터 2019년까지 지구 인구는 25억 명에서 77억 명으로 증가했다. 하지만 먹여 살려야 할 사람의 수가 늘어났다고 해서 배고픈 사람이 늘어나는 것은 아니었다. 실제로 전 세계적으로 영양실조에 걸린 사람의 비율은 1950년 65%에서 2019년 8.9%로 감소했다. 그렇다면 영양실조가 극적으로 감소한 이유는 무엇일까? 한 가지 답은 우리의 농작물이 예전보다 더 많은 식량을 생산한다는 것이다. 이는 결국 작물 품종 개량, 비료 개선, 관개 개선, 그리고 농업의 기계화에 달려 있다. 하지만 그 모든 것들은 입력이다. 무엇이 그들을 가능하게 했을까? 답은 화석 연료이다. 현대 식품 생산은 혼합형이다. 이는 두 가지 다른 종류의 에너지 변환에 의존한다. 첫 번째 유형은 이 지구상의 생명체가 생겨난 이래로 오래되었다. 식물부터 동물까지 우리가 먹는 모든 것은 광합성의 결과이다. 태양 복사열은 10,000년 전 농업 문명이 시작된 이래로 식량 생산에 동력을 제공해 왔다. 태양이 없다면 수확할 수 있는 것이 아무것도 없을 것이다. 하지만 태양 복사선만으로는 오늘날의 고수확 작물을 설명할 수 없다. 그들은 또한 가스와 석유와 같은 화석 에너지에 의존한다. 콤바인 같은 노동력 절감형 기계는 작물을 수확하기 위해 디젤이 필요하다. 농작물을 시장으로 운반하는 기차, 트럭, 바지선도 마찬가지이다. 관개 펌프, 작물 가공 및 건조 장비는 가솔린으로 작동한다. 그리고 트랙터, 콤바인, 트럭, 사일로, 온실에 들어가는 강철, 고무, 플라스틱, 유리, 전자제품을 생산하는 공장도 화석 연료로 운영된다. 하지만 그것은 이야기의 절반일 뿐이다. 고수확 작물은 집중적으로 관리되는 작물이다. 손실을 최소화하려면 살균제, 살충제, 제초제가 필요하고, 성장을 촉진하려면 비료가 필요하다. 이것 역시 연료를 많이 소모한다. 질소 비료를 뿌려주라. 평균적으로 농장에서는 헥타르당 100~200kg의 낟알을 사용하는데, 이는 농업에서 가장 중요한 간접 에너지 투입이다. 질소가 없으면 식물 생명은 불가능하다. 그것은 모든 살아있는 세포 속에 존재한다. 이것은 광합성을 촉진하는 엽록소에 들어 있으며, 식물의 DNA와 RNA에도 들어 있다. 또한 조직의 성장과 복구에 필요한 단백질의 구성 요소인 아미노산에도 함유되어 있다. 질소는 어디에나 있다. 지구 대기의 80% 이상은 이 무색, 무취의 화합물로 구성되어 있다. 하지만 문제는 대부분 비반응성 형태로, 즉 식물이 사용할 수 없는 형태로 만난다는 것이다. 식물이 질소를 이용할 수 있도록 하려면 두 질소 원자 사이의 결합을 분리하고 자유 질소를 방출해야 한다. 이 상태에서는 다른 원소와 화학적으로 결합해 암모니아, 질산염, 아질산염과 같이 식물이 이용할 수 있는 반응성 질소 화합물을 형성한다. 번개와 같은 일부 자연적 과정은 자유 질소를 방출한다. 실제로 번개를 농업에 활용할 수는 없다. 대조적으로 알팔파와 같은 질소 고정 작물을 심는 것이 가능하다. 이 식물의 뿌리에는 질소를 암모니아로 전환하여 토양의 질소를 고정하는 박테리아가 서식한다. 부연하자면, 당신이 가는 곳마다 수많은 박테리아가 당신과 함께 이동한다. 일부 박테리아는 대기 중의 질소를 식물이 이용할 수 있는 형태(암모니아, NH₃)로 전환하는 질소 고정이라는 놀라운 능력을 가지고 있다. 이러한 박테리아를 질소 고정 세균이라고 부른다. 질소 고정 세균은 질소 순환 과정에서 중요한 역할을 한다. 질소 고정 세균에 의해 생성된 암모니아는 식물에 흡수되어 단백질과 핵산 합성에 사용된다. 식물이 죽거나 동물이 배설물을 통해 질소를 배출하면, 다른 미생물들이 이를 분해하여 다시 질소 형태로 되돌린다. 박테리아는 지구상에서 가장 풍부한 생명체이며, 우리가 존재하는 이유는 박테리아가 우리를 존재하게 해주기 때문이다. 하지만 모든 박테리아가 나쁜 것은 아니다. 사실 지금 여러분의 피부에는 약 1조 개의 박테리아가 살고 있다. 물론 당신이 건강하다면 말이죠. 지구상에는 박테리아가 너무 많아서 지구상에 존재하는 모든 생명체의 질량을 합치면 아주 작은 박테리아만 해도 80%가 된다. 여러분은 한 생명체가 어떻게 이토록 풍부하게 되었을까 하고 궁금해하고 있을 것이다. 우선, 박테리아는 번식에 능숙하다. 그들은 다작이다. 박테리아는 10분 이내에 새로운 세대를 생산할 수 있다. 이러한 번식 능력은 외부 영향이 없다면 단 하나의 박테리아가 이론적으로 우주의 양성자 수보다 많은 새끼를 이틀 만에 낳을 수 있다는 것을 의미한다. 또 다른 이유는 박테리아의 놀라운 힘과 회복력이다. 박테리아는 거의 모든 것에서 살 수 있고 번성할 수 있다. 약간의 수분만 있다면 가장 혹독한 환경에서도 살아남을 수 있다. 사실, 박테리아는 우리의 생존에 엄청나게 중요하다. 박테리아의 중요한 역할 중에는 폐기물을 재활용하고, 물을 정화하고, 토양을 생산적으로 유지하는 것이 있다. 그들은 우리가 먹는 음식을 유용한 비타민과 당으로 전환하고, 공기 중의 질소를 처리하여 활용할 수 있게 해준다. 결론적으로, 대부분의 박테리아는 인간에게 중립적이거나 유익하다. 하지만 박테리아를 이용하여 농사를 지으면 시간이 걸린다. 예를 들어 밀 재배를 중단하고 알팔파를 심어야 한다. 20세기 초, 독일 과학자들은 합성 질소 비료를 생산하는 방법을 개발했다. 간단히 말해서, 공기 중의 질소와 천연가스를 결합해 천연가스를 업그레이드하는 것이다. 갑자기 인류에게 필요한 만큼의 비료가 생겼다. 결과는 농작물 수확량이 급증하여 우리는 거의 80억 명을 먹여 살릴 수 있는 수준에 도달했다. 하지만 그로 인해 화석 연료에 대한 의존도가 점점 더 높아지는 결과가 초래되었다. 오늘날 비료 생산은 전 세계 에너지 공급의 약 1.5%를 차지하고, 매년 우리가 소비하는 천연가스 중에서도 엄청난 비중을 차지한다.


6.녹색 혁명과 기계화

농업 혁명은 도시화를 촉진했다. 화석 연료는 녹색 혁명이라고 불리는 혁명을 주도했다. 20세기 동안 전 세계적으로 작물 수확량이 엄청나게 증가했다. 하지만 농업 발전은 우리가 무엇을 얼마나 먹는지에만 변화를 가져온 것이 아니다. 또한 이로 인해 우리의 작업 방식과 장소도 바뀌었다. 이러한 큰 그림의 변화를 더 잘 이해하기 위해 혁명이 일어난 여러 장소 중 한 곳을 확대해 보겠다. 1801년 미국, 우리는 뉴욕 서부에 있다. 더 정확히 말하면, 우리는 제네시 강변에 서 있다. 이 강은 빵용 밀을 재배하는 작은 농장이 여기저기 있는 비옥한 계곡을 가로질러 흐른다. 이곳의 농부들은 미국인이지만, 그들은 유럽의 조상들이 했던 것과 같은 방식으로 밀을 재배한다. 사실, 그들은 2,000년 전 고대 이집트인들이 했던 것과 거의 똑같은 방법으로 식물을 재배한다. 그들은 먼저 철판이 깔린 날이 달린 나무 쟁기를 두 마리의 소에 달아 밭을 가로질러 몰고 간다. 그러면 그들은 작년에 간직해 두었던 씨앗을 뿌린다. 다음으로 낫으로 밀을 수확한 후 잘라서 묶는다. 말린 후 헛간으로 끌고 가서 타작한다. 짚을 쌓고 곡물을 까는 과정, 즉 밀 씨앗을 딱딱한 껍질인 겨에서 분리하는 과정을 말한다. 마지막으로 밀을 측정하여 자루에 담는다. 모든 작업은 손으로 이루어진다. 아무것도 기계화되지 않았고 모든 것이 태양 복사선으로 구동되었다. 전체적으로 헥타르 당 120시간의 인력과 70시간의 소 노동이 필요하다. 이는 밀 1kg당 약 10분의 노동이 필요한데, 이는 빵 두 개를 굽는 데 필요한 노동량이다. 1세기가 빨리 지나갔다. 우리는 지금 다코타 동부의 레드리버 밸리에 있다. 농업은 크게 발전했다. 밀 농부들은 4마리의 강력한 말로 이루어진 팀을 구성하여 여러 대의 강철 쟁기를 끈다. 그들은 또한 기계식 종자 파종기와 수확기를 보유하고 있다. 화석 연료도 등장했다. 예를 들어, 탈곡기는 이제 석탄을 연료로 하는 증기 엔진으로 구동된다. 헥타르당 1,000kg의 빵밀 수확량은 여전히 ​​비교적 낮지만, 밀 작물을 확보하는 데 필요한 인력은 훨씬 적다. 지금은 헥타르당 22시간으로, 1801년의 7분의 1 정도에 불과하다. 말하자면 농부들은 밀 1kg을 수확하는 데 1~5분의 노동력을 투자하는 셈이다. 마지막으로 빨리 감기 버튼을 눌러 2021년으로 넘어가 보겠다. 이번에는 미국 밀 생산지의 중심지인 캔자스에 와 있다. 불과 100년 전의 세상은 완전히 사라졌다. 미국 농무부는 1961년부터 미국 농장의 짐마차 수를 세는 것을 중단했는데, 이는 디젤을 많이 소모하는 트랙터가 널리 보급된 시기와 맞물려 있다. 무기 비료의 시용을 포함한 모든 과정이 이제 기계화되었다. 콤바인은 곡물을 트럭에 직접 적재하기 전에 수확과 탈곡을 담당한다. 현재 1헥타르에서 3,500kg의 수확이 가능하며, 인력으로 2시간만 필요하다. 이는 밀 1kg당 단 2초에 해당한다. 이런 놀라운 개선의 결과로 농사에 필요한 인력이 줄어들고 식량 생산량이 늘어났다. 미국에서는 1801년에 약 83%의 미국인이 농업에 종사했다. 2021년에는 그 비율이 1%로 떨어졌다. 이와 같은 이야기는 덴마크에서 중국, 아르헨티나에서 인도에 이르기까지 전 세계적으로 나타났다. 그러다가 화석 연료가 모든 것을 바꾸어 놓았다. 그들은 농업의 기계화와 수확량 증가를 주도했다. 그러나 이러한 발전으로 인해 인간과 땅 사이의 오랜 유대감이 끊어졌고, 수십억 명의 사람들이 혁신적 산업에서 새로운 일자리를 찾아 도시로 이주하게 되었다. 이 산업은 현대 세계를 형성했다. 


7.전기와 생산성

전기는 현대 세계를 움직인다. 석탄 덩어리와 가솔린 통은 화학 에너지의 실질적인 저장소이다. 이것들이 연소하면 열에너지를 방출하는데, 이 열이 기관차나 자동차에 동력을 공급한다. 물이 떨어지는 것도 마찬가지이다. 우리는 강의 중력에너지를 맷돌을 돌리는 기계적 에너지로 변환하는 물레방아를 쉽게 상상해 볼 수 있다. 전기는 다르다. 덜 직관적이다. 물리학자조차도 전기가 정확히 무엇인지에 대한 질문에 답할 수 없다. 그들은 세상과 어떻게 상호작용하는지만 설명할 수 있다. 하지만 그 정도면 삶을 바꿀 수 있는 힘을 활용하기에 충분하며, 그 효과는 어디서나 볼 수 있다. 전기는 에너지원으로서 많은 장점을 가지고 있다. 예를 들어, 항상 깨끗하고 대부분 매우 효율적이다.간단히 스위치를 켜거나 버튼을 누르기만 하면 온도 조절 장치, 모터, 히터, 조명이 작동한다. 부피가 큰 연료 저장 공간도 필요 없고, 가지고 다닐 것도 없다. 그리고 석탄이나 가스와 달리 불완전 연소의 위험이 없고, 불완전 연소로 인한 치명적인 일산화탄소의 발생원도 없다. 그 사용은 우리의 세계를 변화시켰다. 조명이라는 하나의 응용 프로그램만 살펴보겠다. 전기 조명이 발명되기 전에는 낮과 밤의 차이를 없애기 위해 왁스 양초, 석유 램프, 등유 실린더를 사용했다. 모든 방법이 비용이 많이 들고 비효율적이며 종종 위험했다. 그들은 또한 허약했다. 예를 들어, 초기 산업 도시의 가스등은 촛불보다 10배나 더 효율적이었다. 반면에 오늘날의 형광등은 그 효율성이 500배 더 높다. 그리고 밤에 도시를 밝히는 데 사용하는 나트륨 램프도 있는데, 효율성이 1000배 더 높다. 그러나 현대 생활에 정말로 변화를 가져온 에너지 변환은 전기 모터를 사용하여 전기를 운동 에너지로 변환하는 것이다. 다양한 제품을 들어올리고, 압착하고, 자르고, 짜는 데 사용되는 기계의 전기화로 인해 공장은 더욱 깨끗하고, 운영 비용이 저렴하며, 작업 속도가 빨라졌다. 한편, 전차는 광대한 도시를 통과해 이동할 수 있게 했고, 노동자들을 공장 문 앞까지 데려다주었다. 1900년부터 1930년 사이에 전기화로 인해 미국의 제조업 생산성이 두 배로 증가했다. 1960년에는 4배로 늘어났다. 우리가 전기에 얼마나 의존하게 되었는지 과장하기는 어렵다. 오늘날 선진국의 경제는 서비스 부문이 주도하고 있으며, 서비스 부문은 전적으로 전기에 의존한다. 엘리베이터부터 에스컬레이터, 쓰레기 압축기, 창고의 컨베이어 벨트, 에어컨까지 모든 것이 전기로 작동한다. 현재 자동차에는 20~40개의 전기 모터가 장착되어 있다. 그리고 가정에서는 난방, 냉장, 조명을 비롯해 셀 수 없이 많은 소규모 작업에 전기를 사용한다. 전기는 주요 자원을 이동시키기도 한다. 강력한 전기 펌프가 없다면 도시에서는 도시 파이프라인에 물을 공급할 수 없다. 이러한 펌프는 또한 화석 연료, 특히 액체 가스를 채취 지점에서 사용되는 장소(공장, 가정)로 옮긴다. 인구가 밀집된 어떤 지역에서 며칠 동안 전기 공급이 심각하게 감소하면, 그 지역은 혼란에 빠지게 될 것이다. 만약 한 나라 전체가 이런 부족을 겪는다면, 우리는 전례 없는 재앙에 직면하게 될 것이다. 그러나 그 엄청난 중요성에도 불구하고 전기는 여전히 최종 글로벌 에너지 소비량에서 비교적 작은 비중, 즉 18%만을 공급한다. 하지만 역사를 살펴보면 에너지 변환 방식은 미래에도 계속해서 변화할 것이다.




참고문헌

How the World Really Works
Vaclav Smil

A Short History of Nearly Everything
Bill Bryson