생명의 진화, 그리고 노화와 죽음, 이 모든 것은 산소로부터 왔다! 12년 만의 한국어판 재출간! “지난 15년간을 매우 잘 버텨준 『산소』가 자랑스럽다.”- 닉 레인, 한국어판 서문에서 『산소』가 12년 만에 한국어판으로 다시 나왔다. 2002년에 첫 출간된 닉 레인의 『산소』는 지금까지도 여전히 전 세계 독자들의 많은 사랑을 받고 있지만, 국내에서는 2004년에 소개되었다가 절판되어 국내 독자들에게 아쉬움을 주는 책이었다. 2016년 4월에는 옥스퍼드 대학교 출판사의 현대 과학 고전 시리즈인 [옥스퍼드 랜드마크 사이언스]의 여섯 번째 책으로 선정되어 21세기 과학고전으로서의 권위를 다시 입증해 주었다. 이 책의 여러 가설과 이론들이 지금도 여전히 통용되며 갈수록 많은 지지를 얻고 있는 걸 생각하면 당연한 일이다. 영국 왕립학회 과학도서상을 수상한 저명한 생화학자 닉 레인은 이 책에서 산소가 지구상 생명의 진화와 노화와 죽음에 어떻게 영향을 미쳤는지에 대해 이야기한다. 산소는 모든 것을 송두리째 바꿔놓았다. 산소가 없었다면, 지구상의 생물은 영영 단세포에만 머물렀을 것이고, 지구는 아마 화성이나 금성처럼 바다가 증발해버린 황량한 행성으로 남았을 것이다. 산소는 또한 생명에게 노화와 죽음을 가져다주었다. O₂라는 저 단순한 분자가 어떻게 해서 우리가 오늘날 알고 사랑하는 세계를 존재할 수 있도록 하면서도 궁극적으로는 우리를 이 세계에서 떠나게 하는지에 대해 이보다 더 잘 알려줄 수 있는 책은 아마 없을 것이다. 생명의 기원에서 동물의 발생, 노화와 죽음에 이르기까지, 산소가 진화를, 세상을 만들었다! 지구상의 거의 모든 생명은 산소 없이 살아갈 수 없다. 그러나 바로 그 산소 때문에 우리는 늙고 병든다. 산소는 우리 몸속에서 미토콘드리아로 빨려들어가 ‘자유라디칼’로 바뀌는데, 이 자유라디칼이 독성을 지니고 있다. 대부분의 자유라디칼은 제거되지만, 일부가 미토콘드리아를 빠져나가 DNA나 단백질을 망가뜨린다. 방사선에 피폭되어도 물 분자가 쪼개지면서 자유라디칼이 만들어지는데, 역시 DNA나 단백질을 마구 공격한다. 따라서 산소 호흡과 방사선 피폭은 본질적으로 같은 위험을 안고 있다. 그러나 진화적 관점에서 산소는 진화의 흐름을 결정하는 결정적 역할을 하였다. 산소 때문에 생물이 늙고 병든다는 걸 보여주는 화석기록은 어디에도 없다. 오히려 지구 역사에서 대기 중의 산소가 늘어날 때마다 생물은 크게 다양해졌고, 점점 퍼져나가 생태계의 빈틈을 메웠다. 최초의 다세포 생물은 광합성에 의해 생산된 산소가 대기 중에서 점점 증가하자 살아남기 위해 떼 지어 모인 세포들이 진화해서 생겨났다. 석탄기에 산소가 늘어났을 때에는 거대 곤충들이 등장했다. 그때에는 날개폭이 무려 75센티미터에 이르는 거대 잠자리가 하늘을 날아다녔다. 이는 산소 농도가 높아지면 몸집과 날개를 움직이는 근육이 커져도 산소가 충분히 공급될 수 있기에 가능한 일이다. 반대로 몇몇 대멸종은 산소가 줄어든 시기와 연관되어 있다. 페름기 말에 일어났던 대멸종도 마찬가지였다. 산소, 자유라디칼―삶과 죽음에 대한 새로운 통찰을 담은 21세기 과학 고전 산소가 질병과 노화를 촉진하는 데에는 다 이유가 있다. 사실 산소가 변형된 자유라디칼은 우리가 감염에 대응할 수 있도록 해주는 필수 신호인 동시에 공격 수단이다. 다시 말해 감염에 맞서 싸우는 유전자를 활성화하면서 침입자를 공격하는 무기가 되어준다. 비극은 나이가 들어 미토콘드리아에서 자유라디칼이 많이 새어나올 때 일어난다. 우리 몸이 이를 감염으로 착각하고 자유라디칼을 계속 퍼붓기 때문이다. 망가진 미토콘드리아를 고칠 방법은 없기에 자유라디칼은 점점 쌓여만 가고, 결국 우리는 늙고 병들어 죽음에 이른다. 즉 자유라디칼은 어릴 적에는 감염에 대응하는 중요한 수단이지만 세월이 흐르면 노화를 일으키는 것이다. 이것이 닉 레인이 제시하는 ‘노화의 이중인자 이론’이다. 이 이론에 따르면 우리가 해야 할 일은 최대한 미토콘드리아가 망가지지 않도록 하는 것이다. 가능한 일이긴 할까? 닉 레인에 따르면 그렇다. 미토콘드리아를 만드는 유전자에 그 해답이 있다. 1998년 의학 전문 학술지『란셋』에 실린 연구에 따르면, 일본의 장수 노인들 수백 명 중에서 무려 62퍼센트가 변형된 미토콘드리아를 만드는 유전자를 가지고 있었다. 이 유전자는 원래의 미토콘드리아를 만드는 유전자에서 염기 한 개가 바뀌어 생긴 것이다. 미토콘드리아 의학이 앞으로 더 발전하면 유전자를 조절해 미토콘드리아가 잘 망가지지 않도록 할 수 있을 것이다. 뿐만 아니라 미토콘드리아는 식생활, 운동, 호르몬에 의해서도 조절된다. 골고루 먹고 과식은 피하고 스트레스를 줄이는 것만으로도 미토콘드리아가 손상되는 걸 제법 늦출 수 있다. 그러니까 우리는 비록 쉽게 노화를 미루지는 못하더라도 얼마든지 희망을 품을 수 있다. 『산소』는 진화라는 거대한 캔버스에 그린 그림이다. 삶과 죽음을 바라보는 새로운 시각을 제시하는 동시에 현대의 치명적인 질병과 우리 몸이 노화하는 이유, 그리고 대처방안에 대해 설명하고 있다. 이 책은 환경과학부터 분자의학에 이르기까지 많은 분야를 포괄하며 일련의 증거들을 통해 지금까지 우리가 생각지 못했던 새로운 개념들을 제시한다. 자연에서 우리 인간이 만들어가는 우리 자신의 위치와 현대 과학에 대한 저자의 매력적인 통찰을 보여주는 이 비범한 책으로 인해 우리는 세상을 바라보는 시야를 재정립할 수 있을 것이다.

한국어판 서문 1. 들어가며― 삶과 죽음의 영약 2. 태초에― 산소의 기원과 중요성 3. 침묵의 시기― 미생물 진화의 30억 년 4. 캄브리아기 대폭발의 도화선― 눈덩이 지구와 최초의 동물들 5. 볼소버 잠자리― 거대 생물들의 등장과 산소 6. 공기의 배신― 산소 독성과 엑스레이 피폭의 공통 메커니즘 7. 초록색 별― 광합성의 진화와 방사선 8. LUCA를 찾아서― 산소 이전 시대의 마지막 조상 9. 패러독스의 초상― 항산화제의 여러 측면과 비타민 C 10. 항산화 장치― 산소와 더불어 살아가는 101가지 방법 11. 성과 신체 유지― 노화의 진화에 존재하는 균형 12. 음식과 성, 그리고 장수의 삼각관계― 먹지 않으면 영원히 살 것이다 13. 암수의 존재 이유― 살아가는 속도와 성별의 필요성 14. 유전자와 운명― 노화의 이중인자 이론과 질병 15. 삶과 죽음, 그리고 산소― 노화의 미래에 대해 진화에서 얻는 교훈 감사의 말 옮기고 나서 더 읽어보기 용어풀이 찾아보기

발작을 일으키든 돌연사를 일으키든, 허파를 점진적으로 손상하든 노화를 유발하든, 어쨌거나 산소가 작용하는 방법은 항상 똑같다. 모든 형태의 산소 독성은 산소에서 자유라디칼이 형성되어 일어난다. 16세기의 위대한 연금술사 파라셀수스도 말한 바 있듯이, 모든 약에는 독성이 있다. 발작은 뇌에 작용하는 자유라디칼이 대량으로 넘쳐서 생기며, 허파 손상은 허파에 작용하는 자유라디칼이 그보다 좀 덜한 수준으로 과다해져 일어난다. 그러나 자유라디칼이 단순히 독성만 갖고 있는 건 아니다. 자유라디칼이 없으면 연소가 일어나지 않는다. 광합성이나 호흡도 할 수 없다. 우리가 산소를 이용해 음식에서 에너지를 얻으려면 중간 생성물로 자유라디칼을 생산해야만 한다. (29쪽) 화성이나 금성처럼 불모의 땅이 될 운명에서 지구를 구해낸 것은 생물이었다. 생물이 광합성으로 산소를 더 만들어냈기 때문에 육지와 바다를 통틀어 산소와 반응할 것이 모자라게 되었고, 결국 대기 중에 자유 산소가 축적된 것이다. 자유 산소가 존재하게 되면 물의 손실은 중단된다. 이 산소가 물에서 쪼개져 나온 수소 대부분과 반응하여 다시 물을 만들기 때문이다. 그렇게 해서 지구에 바다가 보존된 것이다. 가이아 이론의 창시자인 제임스 러브록이 오늘날 공기 중의 산소량을 이용해 추정한 바에 따르면, 수소는 1년에 약 30만 톤씩 우주로 날아간다. 지구가 매년 약 300만 톤의 물을 잃는다는 이야기다. 이렇게 양만 놓고 보면 뭔가 불안하게 들릴 수도 있겠지만, 러브록의 계산에 따르면 이런 속도로 지구의 바다가 딱 1퍼센트 손실되는 데에만도 45억 년이나 걸린다. 바로 광합성 덕분이다. (48~49쪽) 산소 농도가 높아지면서 세포들은 서로 뭉치는 방향으로 나아갔고, 거기서 가장 효율적인 에너지 시스템이 발달했다. 한 세포 안에 무수히 많은 미토콘드리아가 살면서 생물에게 에너지를 제공하게 된 것이다. 그리고 최초의 다세포 생물이 등장하게 되었다. 그렇다면, 세포들이 산소의 독성을 피하기 위해 떼 지어 모인 것이 다세포 생물의 진화를 촉진했다고 할 수 있다. 확실히 다세포 생물은 모두 미토콘드리아를 가지고 있다. 미토콘드리아가 없는 단순한 진핵생물이 1000종 정도 되는데, 이 중 다세포 생물은 하나도 없다. 따라서 인간은 세포들끼리 모이고 또 그 세포 안에 작은 세포들이 모인 공동체인 셈이다. (82쪽) 산소를 이용하는 호흡은 에너지 대사효율이 40퍼센트나 된다. 그래서 먹이사슬이 여섯 단계를 지나야 에너지 한계치 1퍼센트에 도달한다. 육식 먹이사슬이 이득이 되고 따라서 포식자가 등장한다. 현대 생태계에서는 포식자가 지배적인 위치를 차지하고 있지만 이는 산소 없이는 불가능한 일이다. 캄브리아기 동물들이 지구 최초의 진짜 포식자였다는 사실은 그저 우연이 아니었던 것이다. 일단 포식이라는 행동이 일어나게 되면 잡아먹는 쪽이나 잡아먹히는 쪽이나 몸이 더 커지게 된다. 포식자는 더 큰 먹이를 구하기 위해서이고, 먹이는 잡아먹히는 것을 피하기 위해서다. 몸 크기가 커지려면 그 몸을 구조적으로 지탱할 것이 필요하다. 식물과 동물의 몸을 지탱하는 가장 중요한 요소는 각각 리그닌과 콜라겐인데, 이 물질들을 합성하려면 산소가 필요하다. (108~109쪽) 미국 텍사스 대학의 생리학자 로버트 더들리에 따르면, 공기 중 산소 함유량이 35퍼센트로 늘어나면 산소의 확산속도는 대략 67퍼센트 빨라진다. 이렇게 되면 산소가 더 긴 거리를 확산해갈 수 있다. 달리 말하자면, 산소를 더 많이 포함한 공기에서는 곤충이 호흡을 덜해도 산소가 기관을 따라 더 깊이 들어갈 수 있다는 이야기다. 이렇게 되면 비행에 사용하는 근육이 산소를 많이 얻어 조직이 두꺼워지고, 곤충의 몸집은 더 커진다. 포식 같은 다른 선택압력은 실제 경향을 몸이 더 커지는 쪽으로 이끄는 반면, 산소 농도가 높아지면 몸이 커질 수 있는 한계가 생리적으로 높아지는 것이다. (141~142쪽) 방사성이 생물에게 영향을 미치는 메커니즘은 산소 중독의 효과와 매우 비슷하다. 산소와 물 사이에는 눈에 보이지 않는 여러 반응이 차례로 일어나는데, 그 메커니즘은 바로 이 반응에 따른 것이다. 이 반응에서 방사선 중독이나 산소 중독 양쪽 모두, 아주 똑같은 중간 생성물을 거친다. 이 중간 생성물들은 산소에서도 생길 수 있고 물에서도 생길 수 있다 ([그림 7]). 방사선 중독에서는 중간 생성물이 물에서 생기고 산소 중독에서는 산소에서 생긴다. 그러나 정상적인 호흡 과정에서도 똑같이 반응성이 높은 중간 생성물이 산소에서 생긴다. 따라서 호흡은 아주 느린 형태의 산소 중독이라고 볼 수 있다. 잠시 후에 이야기하겠지만, 노화와 노인병 양쪽 모두 본질적으로는 느린 산소 중독으로 인해 일어난다. (159쪽) 산화성 스트레스는 감염에 대한 우리 몸의 저항을