1. 물, 그리고 환경의 적합성

[물, 그리고 환경의 적합성]
지구 표면의 3/4은 물에 잠겨 있다. 지구상의 대부분의 물은 액체 상태로 되어 있지만 얼음이나 수증기 상태로 존재하기도 한다. 물은 우리 주변에서 쉽게 몰 수 있는 물질 중에서 자연적인 상태로 물질의 세 가지 상태, 즉 고체, 액체, 기체의 상태로 존재할 수 있는 유일한 물질이다. 물이 충분하다는 것이 지구가 생명체를 지지할 수 있는 주된 이유이다. 지구상의 생명은 물에서 시작되었으며 육지로 이동하기 전에 물에서 30억 년의 긴 시간 동안 진화했다. 오늘날의 모든 생명은 비록 그것이 육상생물이라고 하더라도 물과 밀접하게 연결되어 있다. 모든 살아있는 생명체를 다른 어떤 물질보다 물을 먼저 필요로 한다. 예를 들어, 사람은 음식을 섭취하지 않고는 수 주일을 견딜 수 있지만 물 없이는 일주일을 견디기 힘들다. 물 분자는 생명현상을 유지하게 하는 많은 화학반응에 관여한다. 대부분의 세포는 물에 둘러싸여 있으며, 세포 그 자체 내에도 약 70~95%의 내용물이 물이다.

[물 분자의 극성이 수소결합을 가능하게 한다]

분리된 상태로 물 분자를 조사해 보면 두 개의 수소 원자가 하나의 산소 원자에 공유결합으로 연결된 아주 간단한 분자임이 틀림없다. 물 분자는 V자와 비슷하게 생긴 모양으로 두 개의 수소 원자가 산소 원자에 공유결합으로 연결되어 있다. 산소가 수소에 비해 좀 더 전기적으로 음성을 띠기 때문에 결합에 참여하는 전자들이 보다 많은 시간을 산소 원자가 가까이에서 보내게 된다. 즉, 물 분자 내의 원자들 간의 결합은 극성공유결합이다. 전자의 불균등한 분포로 인해 물 분자는 극성분자이다. 극성분자는 양쪽 끝이 반대의 전하를 띠는 것을 의미한다. 물 분자의 경우 산소 쪽이 부분적으로 음성 전하를 가지고 수소 원자 쪽이 부분적으로 양성 전하를 가진다.
물 분자의 특별한 성질은 이들 극성분자 간의 친화력에 의해 생긴다. 물 한 분자 내의 약한 양성을 띠는 수소 원자가 인접한 다른 물 분자의 약한 음성인 산소 원자에 끌리게 되고 이러한 결합을 수소결합이라고 한다. 액체 상태의 물에서는 수소결합이 아주 약해서 공유결합의 1/20 정도의 결합력을 가진다. 수소결합은 끊임없이 생기고 끊어지고 다시 생겨난다. 따라서 특정 순간에는 많은 수의 물 분자들이 많은 수의 수소결합을 통해 연결되어 있게 된다. 물이 가지는 특별한 성질들은 물 분자들을 정렬하여 높은 단계의 구조로 조직화하게 해주는 수소결합의 결과로 생기는 창발적 특성이다.

[물의 특성]
응집: 물 분자들은 수소결합 때문에 서로 가까이 붙어 있게 된다. 물이 액상으로 있을 때 수소결합은 그 힘이 아주 약해서 공유결합의 1/20 정도밖에 안 된다. 액체 상태의 물속에서 분자들의 배열은 끊임없이 변하지만 특정 순간의 모든 물 분자들 중에 많은 수가 인접한 분자들과 여러 개의 수소결합으로 연결되어 있다. 이러한 이유로 물은 다른 대부분의 액체보다 잘 구조화되어 있다고 할 수 있다. 전체적으로 볼 때 수소결합이 이 물질을 붙들고 있는 것이 되는데, 이런 현상을 응집이라고 한다. 응집과 연관된 것으로 표면장력이 있는데, 이는 액체의 표면을 허무는 것이 어느 정도 어려운가에 대한 척도이다. 물을 대부분의 액체보다 높은 표면장력을 가지고 있다.

온도 조절 능력: 물은 주변 공기의 온도가 높으면 열을 흡수하고 온도가 낮으면 열을 방출함으로써 공기 중의 온도를 일정하게 유지하게 해준다. 물이 열의 저장소로 효과적인 이유는 물 자체의 온도를 아주 조금 변화시켜도 많은 양의 열을 흡수 또는 방출할 수 있기 때문이다. 물이 온도를 안정화할 수 있는 능력을 갖추는 것은 물의 비열(specific heat)이 높기 때문이다. 어떤 물질의 비열은 그 물질 1g의 온도를 1℃ 변화시키는데 필요한 열의 양이다. (물의 비열은 1cal/g/℃) 물의 비열이 다른 물질에 비해 높기 때문에 적은 온도 변화로 같은 양의 열을 흡수 또는 방출할 수 있다.
얼음이 물에 뜨는 이유: 물은 고체 상태에서의 밀도가 액체 상태보다 낮은 몇 안 되는 경우에 해당한다. 보통 다른 물질은 고체화될 때 부피가 줄어드는데 물의 경우는 그 반대이다. 이러한 현상의 이유는 수소결합 때문이다. 4℃ 이상의 온도에서는 물은 다른 액체와 마찬가지로 행동하는데, 즉 온도가 올라가면 팽창하고 온도가 내려가면 수축한다. 물은 그 분자들이 수소결합을 끊을 만큼 운동할 수 없는 상태에 이르면 얼게 되는데, 0℃가 되면 물 분자들을 결정 상태로 묶이게 되고 이 상태에서 각 물 분자는 인접한 4개의 물 분자와 수소결합을 한 상태가 된다. 이들 수소결합이 각 분자를 일정한 거리에 두게 하는데 이에 따라 얼음은 4℃의 물에 비해 약 10% 정도 부피가 더 나가게 된다. 얼음이 열을 충분히 흡수해서 0℃ 이상의 온도가 되면 분자 간의 수소결합이 끊어지기 시작하고 이에 따라 물 분자들이 서로 더 가까이 갈 수 있게 되며 4℃에서 가장 높은 밀도가 된다. 4℃를 넘어가면 분자운동이 활발해져 다시 부피가 늘어나게 된다.

생명을 위한 용매: 한 잔의 물속에 들어간 설탕 덩어리는 녹게 되어 있다. 그러면 그 잔은 설탕과 물의 균질한 혼합체를 가지게 된다. 용해된 설탕의 농도는 그 용액에서는 어디서나 동일하다. 두 개 이상의 물질이 완전히 균질한 상태로 섞여 있는 것을 용액이라고 한다. 녹는 물질을 용매, 녹는 물질을 용질이라고 한다. 물 분자의 극성 때문에 물을 생명을 위한 다양한 물질을 녹이는 용매로 기능한다. 생물학적 유동체인 혈액, 실물의 수액, 그리고 모든 세포 내의 액체에 있는 물에는 다양한 이온 및 극성물질들이 용해될 수 있다.

친수성 또는 소수성 물질: 물에 대한 친화도가 있는 물질의 성질은 친수성(hydrophilic)이라고 한다. 물에 대해 친화성을 가지지 않은 물질의 성질은 소수성(hydrophobic)이라고 한다.

 

참고문헌: 전상학, 생명과학8판, 바이오사이언스, 2009