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다는 생명의 비밀을 안고 있는 곳이다. 인류의 발자국이 달 표면에 닿고 천체망원경으로 은하계 밖까지 볼 수 있는 세상이 되었지만 여전히, 우리가 살고있는 지구의 저 깊은 곳 바다 속은 미지의 세계다. 바닷물 아 래 쌓인 수억 년의 퇴적층은 지구 탄생의 비밀을 말해주고, 그곳에서 일어나는 경이로운 생명현상
은 인류에게 환경의 중요성을 일깨워준다.
따라서 해양 연구의 중요성은 바다에 국한되지 않고 전 지구와 인류의 미래를 좌우하는 당면과제와 같다. 한국해양연구원에서 만난 원자력의 또 다른 쓰임. 해양연구의 다양한 분야에 이용되는 방사성동위원소를 만나보자. 에 걸린 사람들에게나 사용되는 것으로 알 정도이지, 방사성동위원소의 산업적 가치를 이해하는 국민들이 과연 얼마나 있을지 의문이다.
방사선 기술(Radiation Technology)은 질병진단과, 암 치료 등 의료분야 뿐만 아니라 종자개량, 식품보존, 비파괴검사 등 그 사용범위가 날로 확대되는 추세에 있다.
일차생산력이란 무기물에서 에너지를 함유한 유기물로 합성하는 '광합성 능력'을 말한다. 일차생산력의 측정은 전 지구 규모에 얼마만큼의 광합성이 필요한지를 알 수 있게 하고, 실제로 어디에서 얼마만큼의 광합성이 일어나는지를 알아 생명과학에 응용할 수 있도록 도와준다.
수산 자원에서 일차생산력의 측정법으로는 해수를 광조건(light bottle)과 암조건(dark bottle) 하에서 배양시켜 일정시간 후 식물의 광합성 작용에 의해 발생된 산소량의 차를 용존산소측정법으로 측정하는 '탄소량의 변환산소측정법'과 '방사능탄소측정법'이 있다.
특히 탄소-14(C-14) 측정법이라고 불리는 방사능탄소측정법의 경우, 방사성동위원소인 C-14(β-ray)를 이용하여 일정시간 배양 후 식물의 탄소 흡수율을 측정하여 단위 시간당, 단위 면적당 축적된 탄소량을 계산하는 방법으로 해양과학에서 가장 일반적으로 사용되는 측정법이다.


보통 조석이 잘 발달되어 있는 지역은 초여름을 제외한 시기에 온도의 수직적 차이가 거의 없고 초여름이 되면 표층이 따뜻해져 온도는 수직적인 차이가 난다. 이 시기에 조류가 육지 쪽으로 흐르게 되면 수심에 따라 그 온도를 유지하며 흐르던 조류가 어느 지점에 와서는 수직 상태가 깨지며 위아래로 혼합이 일어난다. 혼합이 일어나는 지역에서는 저층의 차가운 영양염류가 많은 물이 상승하게 되어 일차생산력이 높아지게 되며 따뜻한 물과 차가운 물이 만나므로 다양한 생물이 분포하게 된다.
해양지질학적 면에서 본다면 육지 쪽으로 실려 내려오던 침식물들이 이 지역에서 유속의 감소로 퇴적 거리에 따른 수평적 분포보다는 수직적 분포의 퇴적층이 형성될 것이다.
바로 이 연안 퇴적물을 다시 탄소-14를 이용해 분석하면 그 지층의 나이는 물론 기후변화, 해저 생성물의 퇴적, 해수의 변화 시간 등에 대한 추적이 가능해진다. 즉 4개 층 정도의 퇴적물을 조사하면 2만 년 정도의 스케일에서 일어난 생태계 환경을 추측할 수 있게 되는 것이다.
그렇다면 도대체 어떤 원리로 이런 추측이 가능한 것일까? 지구상에는 우주선이라 부르는 고(高)에너지 방사선이 끊임없이 내리쬐고 있는데, 그 우주선이 공기 중에 포함되어 있는 질소 원자핵에 충돌하여 탄소-14라는 방사성동위원소를 만든다. 이 때문에 공기 중의 탄산가스 속에는 본래 얼마 안 되지만 방사성탄소가 언제나 포함되어 있다.

이 탄소-14는 화학적으로 보통의 탄소와 똑같이 움직이기 때문에 살아있는 식물이 호흡작용에 의해 탄산가스를 내부에 받아들일 때, 이 탄소-14도 일정 비율로 세포 속으로 들어간다. 따라서 이 식물을 먹는 동물의 체내에도 탄소-14가 일정 비율로 들어가는 것. 육상에서와 마찬가지로 해양생물에서도 동일하게 일어나는 현상이다.
그런데 동식물이 죽으면 신진대사 역시 멎게 된다. 이 때문에 몸 속에 존재하던 탄소-14는 이때부터 방사선을 내면서 파괴되어 그 양이 차츰 줄어들게 된다. 이렇게 줄어든 탄소량이 원래의 절반이 되는 동안 걸린 시간을 반감기(방사성동위원소의 양이 반으로 줄어드는데 걸리는 기간)라 하는데, 탄소-14의 경우 이 반감기가 약 5천7백 년에 이른다. 따라서 이 생물 속에 남아있는 탄소-14의 양을 측정함으로써 그 동식물이 죽고 나서 몇 년 정도 되었는지를 알 수 있게 되는 것이다. 이 방법은 고고학과 지층의 연대측정에 중요한 역할을 하고 있으며 해양지층과 해양생물의 연대를 추적하는 데도 중요한 단서가 되고 있다.
탄소-14를 이용하는 연대측정기술이 처음 고안된 것은 시카고 대학의 윌리엄 프랭크 리비에 의해 1945년 'Physical Review'(유명한 물리 학술지 중 하나)에 게재되면서부터였다. 이러한 방사성 연대 측정법은 그 유효성을 인정받으면서, 여러 가지 동위원소들을 이용한 현대의 연대측정법의 근간이 되었으며 인류가 이루어낸 가장 훌륭한 업적의 하나로 인정받아 1960년 리비에는 이 탄소-14 연대측정법에 대한 업적으로 노벨상을 수상하기도 했다.
한편 방사성동위원소의 반감기를 이용한 또 다른 연대측정 방법 중에는 우라늄을 이용하는 것이 있다. 지구 나이가 45억5천 년이라는 추측은 바로 이 우라늄-238(U-238)을 이용한 것.

방사성동위원소는 내부적으로 불안정한 원자핵 구조를 가지고 있어서 핵이 붕괴하면서 입자들이 튀어 나가는 성질을 지니고 있다. 따라서 원소들은 붕괴고리를 통해 불안한 상태에서 안정된 상태로 변화하게 되는데, 동위원소 우라늄-238은 붕괴를 시작하여 안정된 납-206(Pb-206)이 된다. 우라늄 1 그램이 0.5 그램으로 줄어드는데 걸리는 반감기는 4억 5천만 년. 즉 해양 퇴적물 속에 남아있는 납-206의 양을 조사하면 몇 번의 반감기를 거쳤는지가 측정되고, 만약 열 번의 반감기를 거쳤다면 그 지층의 나이는 45억 년이라는 추측이 가능해지는 것이다.

지구상의 모든 생명들은 생명활동을 통해 살아간다. 산소 호흡을 통한 생명활동이 대부분이고, 그렇지 못한 환경에서는 무산소호흡 등의 방법으로 나름의 생명활동을 연장해간다. 황산염환원력이란 무산소호흡의 대표적인 방법인데, 산소가 희박하거나, 없는 해양 환경에서는 흔히 볼 수 있는 생명활동이기도 하다.
보통의 해양생물은 해수의 순환을 통해 산소를 공급받아 살아가는데, 새만금 방조제와 같은 방조제가 조성되게 되면 이러한 해수의 순환이 방해를 받게 된다.
따라서 이 지역의 산소호흡 생명체에게는 치명적인 환경이 조성되는 것.
환경에 의해 진화되는 일부 생명체들은 스스로의 생명활동을 산소호흡에서 무산소호흡인 황산염환원력 체제로 변화시키게 되거나 혹은 멸종되는 운명을 겪게 된다.
한국해양연구원에서는 새만금 일대의 황산염환원력 측정을 통해 유기물의 분해가 어느 정도 일어나는지를 측정하고 인근 해양의 오염 정도와 환경의 변화를 측정하고 있다. 이때 황(S) 성분의 방사성동위원소 황-35가 사용되는데, 자연상에서 없어진 양을 측정하는 것은 어려우므로 인공적으로 황산염을 만들어 변화의 양을 측정한다.

예를 들어 해수 1리터에 방사성동위원소 황-35를 0.01만큼 넣어주었는데 추출된 양은 0.001이라면 10%정도가 황산염환원에 사용된 것으로 추측되는 것이다. 즉 황산염환원에 사용된 동위원소의 양이 많을수록 산소호흡에 부적합한 환경으로 변해가고 있다는 증거가 된다.

글 : 박선영 자유기고가 / 사진 : 최항영 사진가




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