과학 독서 토론 모임 : 지구이야기

지구와 인류의 빅히스토리적 관점 찾기

서론 : 고3 과학사 수업을 하면서 드는 의문과 고민이 있다. 과학사 목차를 보면 과학철학을 통한 과학의 개념을 설명하고 고대 그리스 철학부터 중세, 근대 과학 및 현대 과학 그리고 동양 과학 등으로 구성되어 있다. 하지만 이런 인문학적 역사관에 근거한 설명 말고 순수 과학적 입장에서 설명한 것은 없을까? 하는 과학교사로서 갈증이 있었다. 그때 알게 된 것이 바로 빅히스토리였다. 빅히스토리는 우주와 지구의 기원에서 시작해서 생명을 넘어 인간과 문명의 역사에 이르는 거대한 역사, ‘빅 히스토리’ 이야기다. 즉 빅히스토리는 우주, 지구, 생명, 인류의 역사를 통합 학문을 통해 하나의 일관된 이야기로 이해하려는 노력이다. 빅히스토리를 만든 데이비드 크리스천은 폴 고갱의 작품처럼 "우리는 어디에서 왔는가? 우리는 무엇인가? 우리는 어디로 가는가? 를 과학적으로 설명한다고 볼 수 있다. 빅뱅으로 시작한 우주의 진화, 지구의 탄생, 생물의 진화, 문명의 역사로 이어지는 스토리 형식으로 다루고 있다. 그런 흐름 속에서 책 지구이야기는 빅히스토리를 잘 이해할 수 있는 내용이 담겨있다.

폴 고갱 : 우리는 어디서 왔고 무엇이며 어디로 가는가?

빅히스토리 전체 개관 내용

본론 :  목차를 먼저 살펴보면,

1. 탄생: 지구의 형성

2. 대충돌: 달의 형성

3. 검은 지구: 최초의 현무암 지각

4. 파란 지구: 대양의 형성

5. 잿빛 지구: 최초의 화강암 지각

6. 살아 있는 지구: 생명의 기원

7. 붉은 지구: 광합성과 산소급증사건

8. ‘지루한’ 10억 년: 광물 혁명

9. 하얀 지구: 눈덩이 지구와 온실 지구의 순환

10. 푸른 지구: 육상 생물권의 탄생

11. 미래: 변화하는 행성의 각본들

<학생들과 함께 토론한 각 단원의 질문거리>

<각 질문에 대한 토론 내용>

질문1. 우주는 원자인가?

학생1: 우주는 원자라고 생각한다. 다중유니버스적 관점으로 우리의 우주가 원자로 구성되는 더 큰 우주라고 생각하기 때문이다. 아니면 시뮬레이션이라던가 그런 것도 가능할 것 같고 그 우주들의 나누는 것은 동영상 찍듯이 시간으로 딱딱 캡처되는 시간? 혹은 시뮬레이션을 돌리기 전 USB가 아닐까? 생각한다.

학생2 : 우주가 처음 만들어졌다는 시점(빅뱅)에서 원자가 만들어지고 현재 그 원자로 이루어진 세계에 살아가고 있기 때문에 빅뱅 이전의 모습을 알지 못한다는 점에서 우주는 원자라고 생각한다.

학생3 : 우주는 원자가 아닌 이야기 같다. 그 이유는 우주는 많은 별들로 채워져 있기에 어디서 시작됐는지 어디로 가고 있는지 계속 생각하기 때문에 이야기라고 생각했다.     

질문2. 빅뱅이전의 세계는 어떻게 생겼을까?

학생4 : 플랑크 시간은 우주가 캡처되는 시간?? 혹은 시뮬레이션을 돌리기 전 USB가 아닐까?  학생5 : 스티븐 호킹의 강연 중 우주 이전의 세계가 무엇인가 라는 질문에 호킹은 나는 잘 모른다라고 이야기한 적이 있다. 과학은 과학적으로 검증된 내용에 대해 그 원리를 분석하고 탐구하는 학문으로써 빅뱅 이전의 모습에는 어떠한 과학적 데이터가 없기에 이 부분은 종교적인 측면에 가깝다고 생각한다. 또한 점에서부터 시작되었다고 알려진 빅뱅 우주론 이전의 모습은 점보다 낮은 차원의 무(無)인 상태에서 존재하지 않았을까 생각한다       

학생6 : 빅뱅 이전의 우주의 모습은 암흑일 것 같다. 그 이유는 빅뱅으로 시작되었기에 빅뱅 이전에는 빛이 없는 것 같다고 생각했기 때문이다.

질문3. 달이 지구와 점차 멀어지고 있는데 달과 지구가 서로 엄청나게 멀어졌을 때, 과연 지구에 어떤 일들이 발생할까?

학생1 : 만조시간이 의미가 사라지며 달의 존재가 사라짐으로 인한 방향감각의 상실로 조류의 개체수 특히 철새의 개체수가 줄어들 것 같다, 물론 아주 천천히 멀어진다면  생명체의 적응과 진화로 개체수 감소가 일어나지 않을 수도 있다. 또한 해류의 전환 달라지고 달을 기원으로 하는 설화와 전통이 사라질 것이다.  달이 사라짐으로 지구에 전해지는 태양풍 등으로 인해 전자제품의 내구성이 떨어질 것이다.

학생2 : 밀물 썰물이 없어져서 갯벌 등의 생태계가 변할 것 같다

학생3 : 지구는 기울어 진체 공전함으로 계절이 생긴다. 하지만 달이 없다면 끌어당기는 힘이 없어 자전축이 달라지고 기후변화가 심할 것이다. 또한 인력이 발생하지 않아 자전 속도 또한 빨라질 것이다. 또 밤에 달빛이 사라져 야행성 동물도 다 없어질 것이다.     

질문4. 대충돌이 지구와 달을 형성한 것처럼 또 다른 대충돌이 다른 행성에 미친 영향에는 어떤 것들이 있을까?

학생4 : 지구의 자전축이 23.5.도 기울어진 것 그 밖에도 천왕성이 누워서 자전하는 것 또한 대충돌의 영향으로 자전축이 완전히 기울어진 사례라고 생각한다.  

학생5 : 근처의 지구의 예만 들어보더라도 이미 꽤나 많은 소행성 충돌의 흔적이 남아 있기도 하고, 옛날 지구의 최고 포식자로 군림하던 공룡 이 멸망하게 된 이유로도 소행성 충돌이 거론되는 만큼 소행성 충돌이 행성에게 끼치는 영향으로는 원래 행성에 살던 생태계를 파괴하는 영향이 있지 않을까 싶다.

학생6 : 행성 지위에서 박탈된 명왕성과 그 위성들에게도 충돌 가설을 설정한다. 이 충돌 가설에서는 명왕성과 카이퍼 벨트 천체가 충돌하면서 분출된 파편들로 명왕성의 위성들이 형성되었다고 설명한다. 이로 인해 명왕성과 카론이 서로의 공전 주기에 영향을 주게 되었다는 것이다.

질문5. 실험암석학자들이 요더 장치 등을 통해 당시 환경을 재현했듯, 당시 환경을 재현한 실험 또는 연구는 어떤 것들이 있을까?

학생1 : 첫 번째 질문에 대한 대답은 검색결과에 나오질 않아 찾길 못하였기 때문에 확실한 답변은 하지 못하나 내 생각에는 지금까지 여러 가지 다양한 시도들이 있었을 것이고 분명 그와 관련된 실험의 시행 또한 있었을 것이라 생각한다

학생2 : 밀러 실험은 초기 지구의 가상적인 환경을 실험실에서 만들어, 그 조건에서 화학진화가 일어나는지 여부를 알아보는 실험이다.  이 실험은 생명의 기원에 관한 고전적인 실험으로 여겨지며, 1953년 시카고 대학의 스탠리 밀러와 해럴드 클레이턴 유리가 처음 실행했다.

학생3 : 빙하코어의 산소의 동위원소비율을 측정해 당시의 환경을 분석할 수 있다. 산소에는 산소 16과 산소 18이 있는데 질량수가 큰 산소 18이 기후가 온난한 경우, 증발하여 지표면에 많이 남아 있지 않고 한랭한 기후일 경우, 지표면에 많이 남아 있다. 또한, 나무의 나이테나 산호의 생장선을 이용하여 당시의 기후를 추정해 볼 수 있다.     
 

질문6. 지르콘으로 인해 등장한 ‘지구 바다행성설’에 대해 신빙성이 있다고 생각하나?

학생4 : 지구가 바다행성이었다는 설은 타임머신을 타고 돌아가서 직접 확인할 수는 없지만, 다양한 경우를 열어두고 생각해야 할뿐더러, 여태까지의 학설과 다른 주장이기 때문에 더욱 내 흥미를 끄는 주장이었다. 나는 개인적으로 바다행성이었을 거라고 생각되지는 않지만 지구가 바다행성이라면 조금은 신기하고 멋지게 와닿을 것 같다.

학생5 : 실제로 지구는 표면적의 대부분이 물로 뒤덮여 있고 태초의 생명체 또한 바다에서 생겨나 이후 육지로 올라온 것이기 때문에,  나는 충분히 신빙성이 있다고 생각한다

학생6 : 나는 지구바다행성설보다는 최근학설이 더 신빙성이 있다고 생각한다. 최근 수십 년 동안 얻어진 자료에 의하면, 우주 공간은 희박한 상태이지만 물질들이 흩어져 있고, 이들은 약 99%의 가스와 1%의 분진으로 되어 있음이 확인되었다. 가스는 대부분 수소와 헬륨으로 구성되었고, 분진물질은 규소화합물, 산화철, 얼음의 결정 및 유기물질을 포함하는 여러 종류의 분자들로 이루어졌다는 사실도 밝혀졌다.라는 말 때문이다

질문7. 지구는 지후변화와 특히 물부족으로 인한 어려움에 직면해 있다. 물부족을 해결하기 위한 방안은 무엇일까?

학생1 : 물부족을 해결하기 위한 방안으로는 식수 해결을 위한 오수 정화 시설의 강화가 필요하다고 생각하고 식수 외의 물 부족 문제로는 평소의 쓸데없이 낭비되는 물의 양을 줄이고 바다를 오염시키는 등의 행동을 줄이는 것의 비율이 크다고 생각한다.

학생2 : 물부족을 해결하기 위한 첨단 기술 중 가장 눈에 띄는 것이 공기에서 물을 뽑아내는 풍력 터빈이었다 터빈을 통과한 공기가 냉각되어 물방울의 형태로 저장되는데 하루에 약 7000리터의 물을 생상 할 수 있다고 한다

학생3 : 대기 중 수증기를 과포화 상태로 만든 뒤, 응결을 활용해 물을 수집할 수 있으며 나미브 사막에 서식하고 있는 딱정벌레의 껍질을 생태 모방하면 조금 더 다량의 물을 수집할 수 있다고 생각한다. 또한,  해양의 해수를 추출한 뒤 태양광을 활용해 순수한 물을 뽑을 수 있는 해수 담수화 기술도 현재 각광받고 있는 물 수집 방법 중 하나이다.     

질문8. 대량농경지와 도시화 등이 지구의 물 순환에 어떤 영향을 미치고 있고 지구 물 순환을 지키는 방안은 무엇일까?

학생4 : 도시 물순환의 문제 해결은 빗물을 이용하는 방법이 가장 대표적이고 범용성이 넓을 것 같다 간단하게 빗물을 수거해 여과시켜 식수로 사용하거나, 도심 아래에 비를 저장하고 있다가 필요한 일이 생겼을 때 꺼내 사용하는 듯한 방안을 사용하여서 도심 속의 물순환 문제를 약소하게나마 해결할 수 있을 것이라고 생각한다.

학생5 : 대량농경지와 도시화가 물부족에 영향을 끼치고 있다 농경지의 증가는 사용할 수 있는 막대한 양의 물을 농경에 사용하고 도시화는 지하수 등이 음용수가 오염된다 하짐나 지구의 물순환은 물의 증발과 응결이라는 기본 성질에 의해 이뤄지므로 순환의 문제가 크게 생길지는 사실 의문이다

학생6 : 환경오염의 원인에 있어서 도시를 중점적으로 생각해면, 도시화는 이미 막을 수 없다고 생각한다. 따라서 도시 안에서 환경을 보전할 수 있는 공학기술을 장려하는 정책을 지지해야 하고 과학자와 공학자들은 정책 안에서 최대한 아이디어를 짜내야 한다. 아이디어로는 도시 인구 집중을 이용해 볼 수 있다. 도시의  수많은 사람들의 소변을 물로 바꾸는 기술을 이용하는 것이다. 물론 언제나 기술에는 자본과 효율성의 문제가 따라온다.

질문9. 화강암이 현무암 위로 위치하게 하는 힘은 무엇일까?

학생1 : 대류/화강암 판들 서로 뭉치면서 거대한 판이 생성되고 그 후 더 밀도가 큰 용융 상태의 암석들의 위로 올라오며 식고 그 후 해가 비치지 않는 부분부터 식는 부분이 커지며 늘어났을 것이다.

학생2 : 대류일 것이다.      

질문10. 화강암 섬들이 지각으로 변한 이유는 소행성 충돌설 말고 어떤 이유들이 있을까?

학생3 : 굳이 소행성이 아니더라도, 화강암이 기존에 대륙을 이루었던 현무암보다 밀도가 더 낮고 가볍기 때문에, 기존 감람암 지각을 대체한 현무암 지각처럼 화산 활동 등으로 화강암질 마그마가 튀어나고 굳어 화강암 섬이 형성되었을 것이다. 다만 현무암이 약간 가라앉는 형태를 띠기는 하지만 감람암과는 달리 침전이 느리게 일어나므로 완전한 교체가 아닌, 현무암과 화강암의 공존이라는 형태로 되었을 것이다.

결론 : 학생들과 함께 책을 읽고 발표하고 토론하는 과정에서 풍성한 내용을 공유하고 우주의 탄생부터 지구와 생명체에 대한 내용까지 깊이 있게 과학적으로 다룰 수 있어서 유익했다. 특히 학생들이 토론 질문거리를 스스로 던지고 함께 토론하여 답을 찾는 과정이 지도교사로서 참 흥미로웠다. 챗GPT가 나오면서 이제는 어떤 지식을 찾는지보다 어떤 질문을 해야 하는지가 더욱 중요한 시대에 아이들에게 질문의 필요성과 중요성을 알게 하는 시간이었다. 또한 이과생들에게 부족한 것이 독서, 토론, 글쓰기 등인데 이런 수업을 통해 학생들의 역량을 키울 수 있다는 점에서 즐거운 시간이었다.