137억 년의 역사를 가진 철

철은 자동차나 빌딩, 다리, 다양한 기계에 사용되고 있다. 우리의 문명에서 철이 바꿀 수 없는 존재이다. 철은 저렴하면서도 높은 강도를 갖고 있어 건축물과 기계의 구조를 지지하는 소재로 널리 사용되고 있다. 또한 철은 자성이라는 특수한 성질을 갖기 때문에 수많은 전자제품에서 이용되고 있으며 발전소에서는 이 특성을 이용하여 전기가 만들어지고 있다. 철은 현대 문명을 근간에서 지지하고 있고 미래에도 그 지위는 흔들리지 않을 것이다.

근대에 있어서 철을 확보하는 것은 국가의 전략적으로도 중요한 자리매김에 있었다. '철은 산업의 쌀'이라는 말처럼 경제나 산업의 발전, 문명끼리의 충돌 등에 있어서 철이 중요한 역할을 해 온 것은 잘 알려진 사실이다. 두 번의 세계대전이나 그 후의 역사에서만 적용되는 것은 아니다. 인류의 생활은 산업혁명에 의해 크게 변화했지만 거기에서도 철은 기폭제라고 할 수 있을 정도로 중대한 역할을 했다. 예를 들어 철을 대량으로 공급할 수 있었기 때문에 증기기관으로 대표되는 신형기계가 태어났고 철의 특성이 이해되었기 때문에 전기에너지를 이용할 수 있게 되었다고 할 수 있다. 즉 기계에 의한 효율화와 전기문명의 발전이라는 인류의 생산성과 생활을 크게 변화시킨 산업혁명의 2대 요소는 철의 이용에 근거하고 있다.

이러한 발명은 당시 유럽에서 진행된 과학기술이 있어야만 가능했는데 왜 유럽에서 특히 과학기술이 발달해 왔는가를 살펴보면 훨씬 전부터 문명끼리의 충돌을 반복하여 생존해왔다는 역사의 귀결이라는 견해가 있다. 여기서 총이나 대포, 철제선박의 건축이 완수한 역할은 말할 필요도 없지만 그보다 이전의 고대문명에서도 철기의 이용이 농경의 효율을 현격히 향상시켜 생산성 개선으로 이어졌고 사회를 안정화시켜 과학기술이나 발명을 촉구한 것으로 생각되고 있다. 또한 철을 사용한 무기를 재빨리 이용할 수 있었던 문명은 다른 문명과 대항하는데 우세를 유지할 수 있었다. 즉 산업혁명 이전에도 문명을 유지하고 확대하는데 있어서 철은 본질적인 일을 한 것이다. 따라서 인류사 전반에 있어서 철의 유효적 이용이 인류의 진보에 중요한 역할을 해왔다고 할 수 있다.

우리 인간의 몸에서도 철의 존재는 필수이다. 우리의 혈액이 붉은 이유는 적혈구가 붉기 때문이며 그 안에 포함된 헤모글로빈이 그 원인이다. 헤모글로빈은 철을 중심으로 한 구조를 가지고 있으며 호흡을 통해 흡수한 산소를 몸 구석구석까지 운반하는 중요한 역할을 담당하고 있다. 그리고 운반된 산소를 사용하여 몸의 구석구석에 에너지가 만들어지는데 거기에서도 철이 중요하다. 우리의 활동의 기초가 되는 에너지는 철을 사용하여 만들어진다. 철이 없으면 우리는 살 수 없다. 철은 인간에게 있어서 그만큼 중요한 원소이다.

철의 생물학적 중요성은 인간에게 한정된 이야기가 아니다. 실은 현재 지구의 거의 모든 생물에 있어서 철은 필수적인 원소이다. 호흡, 광합성, DNA 합성, 질소 고정과 같은 생명체에 필수적인 몇 가지 기능에서 철은 중심적이고 필수적인 역할을 한다. 철이 없으면 지구상의 생명체 대부분은 살아갈 수 없다. 생물 전반에 있어서도 철은 바꿀 수 없는 존재인 것이다.

우리 지구생명체가 지표면에서 쾌적하게 생활할 수 있는 이유는 철이 대량으로 지구에 존재하기 때문이다. 생명에게는 우주로부터의 유해한 방사선은 매우 위험한 것이지만 지표면에 위험한 레벨로 도달하지 않는 것은 지구의 자기장 덕분이다. 그리고 이 자기장은 지구 내부에 존재하는 철의 일부가 용융되어 전류가 흐르기 때문에 형성되어 있다. 즉 지구 내부의 대량의 철이 지구의 표층을 생명에게 있어 안전한 환경으로 바꾸고 있다고 말할 수 있다. 그 덕분에 생명체가 지표 부근에서 활동할 수 있게 되었고 이러한 생물에 의한 광합성은 지구 대기의 분자상의 산소량을 증대시켜 표층환경을 현저하게 변화시켰다. 이 지구 규모의 환경변화의 화석이야말로 현대에 있어서 철광상으로서 주로 사용되고 있는 줄무늬상 철광상이다.

철은 얼마나 많을까? 야산을 걷고 있어도 철은 볼 수는 없기 때문에 철이 그렇게 대량으로 지구에 존재하고 있다고 들어도 의아하게 생각될지도 모른다. 그 이유는 지구의 철의 대부분이 지구의 중심부에 집중되어 존재하기 때문에 우리가 평소에는 볼 수 없을 뿐이다. 놀랍게도 지구를 구성하는 원소 중에서 가장 큰 중량비를 갖는 것은 철이다. 지구의 무게의 1/3은 철이다. 유리 가가린의 유명한 말에서 지구는 물의 행성이라고 표현하는데 이것은 지구 표면의 70%를 물이 덮고 있는 사실을 중시한 말로 무게로 보면 지구는 '철의 행성'이다.

그러면 철의 행성은 어떻게 형성되었을까? 최근의 연구에서 태양과 같은 항성이라도 그 주위에 행성이 항상 형성되는 것은 아니라는 것을 알았다. 태양계가 아닌 곳에서 지금까지 많은 행성이 발견되었고 지구와 같은 행성이 형성되기 위해서는 적절한 양의 금속이 필요하다는 것을 알게 되었다. 즉 인류가 살 수 있는 지구와 같은 행성이 형성되기 위해서는 철이 존재하고 있을 필요가 있다고 생각된다.

우주에는 철이 얼마나 존재할까? 우주의 원소 존재도가 자세히 조사되었으므로 이 질문에 대한 대답에는 상당한 확실성이 있다. 놀랍게도 다른 원소의 상대량과 비교하면 철은 특이적으로 많이 존재하고 있다. 우리가 사는 이 우주 전체에서 원래 철은 특이한 존재인 것이다.

이와 같이 우주, 지구, 생명, 인류의 역사를 생각하면 다양한 측면에서 철이 중요한 역할을 해왔다는 것을 알 수 있다. 그리고 그 철이란 우주에서 특수한 지위를 차지하는 것이다. 이것은 단지 우연이 겹쳤을 뿐인가, 아니면 어떤 필연성이 있는가? 이 질문에 대한 열쇠는 철 원자핵의 안정성이라고 추정된다. 철은 모든 원소 중에서 가장 원자핵이 안정되어 있다. 니켈의 특수한 동위체를 제외하고 양성자와 중성자와 같은 핵자간의 연결이 가장 강하다. 따라서 항성 내부에서 원소가 핵융합을 반복하고 원자번호가 큰 무거운 원소가 만들어져도 철보다 무거운 원소는 형성되지 않는다. 즉 항성 내부의 핵융합의 최종 결과물은 철인 것이다. 철보다 무거운 원소는 초신성 폭발 등 다른 요인으로 만들어지지만 그 양은 철을 넘지 않는다. 이것은 우주에서 철의 존재도가 높은 것을 무리없이 설명할 수 있다. 그리고 그 철이 많이 모인 천체가 지구일 것이다. 더욱이 철은 안정된 원자핵을 갖기 위해 26개라는 많은 양성자를 획득했고 균형을 잡기 위해 26개의 전자를 갖게 되었다. 여기서 전자는 마음에 드는 궤도를 취해 원자핵 주위에 존재할 수 있는 것은 아니다. 철이 가지는 26개의 전자의 일부는 M껍질이라고 불리는 곳(특히 3d궤도)에 어중간한 형태로 받아들여진다. 이것이 안정적인 에너지 상태가 여러 개 존재할 수 있는 등 철이 물리화학적으로 중요한 특징을 나타내게 된 원인이다. 그 특징을 최대한 이용한 것이 생명체이고 인류일지도 모른다.

정리하면 철은 가장 안정한 원자핵을 가진 특이한 원소이기 때문에 우주에서의 존재도가 상대적으로 높아졌다. 그 철이 어느 정도 모였기 때문에 지구라는 별이 태어났다. 철은 지구 심부에서 용융하여 자기장을 만들고 그 덕분에 표층의 생명체에게 안전한 환경이 되었다. 생명체 대부분은 철이 그 원자핵에 대응하여 가지는 독특한 물리화학적 성질에 의존하고 있다. 철에 의존한 생명체의 한 종류인 인류는 그 물리화학적 성질을 발전시켜 현대문명을 쌓아 올린 것이다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 鉄―137億年の宇宙誌
https://www.um.u-tokyo.ac.jp/exhibition/2009Fe_description.html