산소, 함께하는 우리 : 호흡, 부식, 오존층

수중에서 호흡 시 필요한 산소

 

 주기율표의 16족에 위치하며 원자번호가 8인 산소는 우리가 익히 알고 있는 원소입니다. 평소에 의식하고 있지는 않지만 우리는 산소의 도움을 받으며 살고 있으며, 때로는 피해를 입기도 합니다. 오늘은 산소를 이용한 반응인 호흡과 부식의 메커니즘, 그리고 우리가 일반적으로 알고 있는 산소와 다른 형태로 존재하고 있는 오존층에 대해서 알아보겠습니다.

 

호흡에 필수적인 산소

 우리는 공기를 들이마시는 것으로 호흡을 시작하는데, 여기서 산소는 세포막으로 들어갑니다. 우리가 숨을 쉴 때 산소가 풍부한 공기는 폐로 들어가 폐 안에 있는 작은 공기 주머니인 폐포의 얇은 막을 가로질러 퍼집니다. 그리고 혈류에서 산소는 적혈구 내의 헤모글로빈 분자와 결합하여 우리 몸 구석구석까지 산소를 운반합니다. 우리는 세포에 지속적인 산소 공급을 보장하는 이런 호흡 및 순환 시스템을 가지고 있습니다. 일단 산소가 우리 세포에 도달하면, 세포 호흡이 시작됩니다. 이 복잡한 과정은 영양소를 에너지로 전환시키는 역할을 하는 미토콘드리아 안에서 펼쳐집니다. 첫 번째 과정은 포도당이 피루브산 분자로 분해되는 세포질에서 일어납니다. 두 번째 과정인 크렙스 순환은 미토콘드리아에서 일어나 피루브산으로부터 고에너지 전자를 추출합니다. 이제, 산소가 주목을 받는 곳이 바로 전자 수송 체인에 있습니다. 미토콘드리아의 내부 막 안에서, 산소는 전자 수용체 역할을 합니다. 해당 과정과 크렙스 순환을 진행하는 동안 추출된 전자는 일련의 단백질 복합체를 이동하며 에너지를 방출합니다. 산소의 역할은 이러한 전자 및 양성자와 결합하여 부산물로 물을 형성하는 것입니다. 이 결과 잠재적으로 유해한 전자의 제거를 보장할 뿐만 아니라 세포의 에너지 통화인 ATP의 생성을 촉진합니다. 산소가 전자 수송 체인에서 전자를 받아들이면서 마지막 남은 대단원인 ATP 생산으로 끝이 납니다. 전자 수송 체인에서 방출되는 에너지는 내부 미토콘드리아 막을 가로질러 양성자를 펌핑하는 힘을 만듭니다. 이것은 양성자 구배를 만들고 양성자가 ATP 합성효소를 통해 미토콘드리아 기질로 다시 유입될 때 생성된 에너지를 활용하여 아데노신 이인산을 ATP로 전환시킵니다. ATP는 다양한 생물학적 활동을 이끄는 세포 연료가 되어 우리 세포의 생존과 기능을 보장합니다. 이 에너지를 생산하는 과정에서, 산소는 대체될 수 없다는 것을 알 수 있습니다.

 

부식을 촉진하는 산소

 겉보기에는 무해한 것처럼 보이는 산소가 금속 표면에 접촉할 때 시작됩니다. 금속, 특히 철은 산소와 반응하여 금속 산화물을 형성하는데, 이는 부식의 첫 번째 모습입니다. 초기의 상호작용은 녹슨 것 이상으로, 미세한 부식의 생성을 유발합니다. 이 부식전지 상황에서 산소 농도와 수분의 국부적인 변화는 금속 표면에 양극과 음극 영역을 형성하는 데 기여합니다. 산소는 양극 영역에서 물과 전자와 결합하여 수산화 이온을 형성하는 두 가지 역할을 수행합니다. 그리고 양극 영역에서 금속 원자는 전자를 잃어 금속 격자로 방출됩니다. 이것은 전위차를 설정하여 전기화학적 부식 반응의 발판을 마련합니다. 부식전지의 전기화학적 매커니즘은 금속 산화에 산소가 끊임없이 반응하는 것입니다. 양극 영역에서는 금속 원자가 전자를 버리고 양전하를 띤 이온으로 전해질에 들어갑니다. 이 과정을 산화라고 하는데, 금속 구조가 약해져 금속 결합이 서서히 붕괴됩니다. 산소는 전자를 받고 싶어 하는 경향이 강해, 금속 산화 과정에서 방출되는 전자를 받아들임으로써 이 부식 메커니즘을 촉진합니다. 동시에 음극 영역에서 산소는 물과 전자와 결합하여 수산화 이온을 형성합니다. 이 반응은 용존 산소의 환원에 좋은 환경을 제공하여 부식 과정을 부채질하기 때문에, 시간이 지남에 따라 금속의 분해가 지속됩니다. 부식의 형태는 몇 가지가 있는데, 균일한 부식은 표면을 가로질러 금속이 지속적으로 손실되는 특징이 있으며, 산소와 충분히 접촉가능한 경우에 종종 발생합니다. 구멍 부식의 경우에는 산소 농도의 국소적인 차이로 발생하며, 틈새 부식은 틈새나 좁은 공간처럼 산소 확산이 제한적인 환경에서 나타날 수 있습니다. 이러한 부식 형태에 영향을 미치는 산소의 역할은 물질의 전체적인 분해에 매우 중요한 요소입니다.

 

오존층

 산소 원자로 구성된, 지구의 성층권에 위치한 오존층은 각각 3개의 산소 원자로 구성된 오존 분자로 구성되어 있습니다. 오존은 태양 에너지가 이원자 산소 분자와 상호 작용하여 반응한 결과입니다. 성층권에서는 태양으로부터 받은 자외선(UV) 복사로 산소를 우선 분해하고, 분해된 하나의 산소 원자가 다른 산소 분자와 반응하여 오존을 형성됩니다. 이 화학 반응의 결과 지구 표면의 약 10~50킬로미터에 보호층이 형성됩니다. 오존층에서 오존의 농도는 지역과 계절에 따라 달라집니다. 오존은 자외선의 유해성으로부터 지구상의 생명체를 보호하는 중요한 역할에 대해 자세히 알아보겠습니다. 자외선은 크게 UVA, UVB, UVC 세 가지로 분류되는데, 성층권에 위치한 오존층에는 고농도의 오존이 존재하여 유해한 UVB와 UVC 방사선의 대부분을 흡수하는 자연 장벽 역할을 합니다. 오존층이 없다면 지구상의 생명체는 자외선에 그대로 노출되게 되어, 생명의 중대한 위협을 받습니다. 자외선은 인간에게 피부암, 백내장 등의 질병을 유발한다고 알려져 있습니다. 또한 생태계에 해로운 영향을 미쳐, 해양 생물과 식물의 다양성을 파괴합니다. 영향을 미칩니다. 지구의 자외선 차단제 역할을 하는 오존층은 생명을 보호하는 중대한 역할을 하고 있습니다. 하지만 지구의 오존층은 인간 활동, 특히 클로로플루오르카본 및 기타 오존을 파괴하는 물질의 방출로 인해 위협에 직면하기도 했습니다. 인류가 만든 화합물은 남극 대륙에 오존 구멍을 형성하는 의도치 않은 결과를 낳았습니다. 오존층 파괴는 더 많은 유해한 자외선이 지구 표면에 도달하도록 하였고 인간의 건강뿐 아니라 환경에 큰 위협을 유발했습니다. 문제의 시급성을 인식한 후 오존층 파괴 물질의 생산과 사용을 억제하는 몬트리올 의정서를 채택하는 등 인류는 이 환경 문제를 개선하기 위해 국제적 노력을 기울였습니다. 그 결과 오존층 회복이 지속되고 있는데, 지구 환경에 대한 지속적인 모니터링과 책임 있는 관리가 필요하겠습니다.