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. --- p.29

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. --- pp.48-49

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. --- p.82

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. --- pp.108-109

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. --- pp.141-142

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. --- p.159

산화성 스트레스는 감염에 대한 우리 몸의 저항을 이끈다. 이 저항은 적극적인 염증 공격으로 나타나며(침입자를 제거한다) 스트레스 반응을 동반한다 (공격에 대항해 우리 세포들을 지킨다). 이런 메커니즘은 어린 시절에 감염병에 걸리더라도 회복해 살아남을 가능성을 높인다는 점에서 생식이 성공할 가능성을 매우 높이며, 불리한 점이 존재하지만 그 작용은 늙을 때까지 뒤로 미뤄지기 때문에 생식에는 거의 영향이 없다. 나이가 들면 미토콘드리아에서 세포로 자유라디칼이 새어나오면서 산화성 스트레스가 높아진다. 우리 몸은 이를 위협으로 감지하고 그에 따라 반응한다. 하지만 감염의 경우와는 달리 이 새로운 위협은 끝날 수가 없다. 망가진 미토콘드리아를 고칠 방법이 없기 때문이다. 만성적인 염증반응은 끝없이 계속되고 결국 우리의 신체적·정신적 죽음의 원인이 된다. --- p.443

생물은 무수한 적응을 통해 산소에 대항하는 법을 익혔다. 행동부터 몸 크기와 생식까지 전부 적응의 결과다. 어떻게 해서 두 가지 성별이 진화하게 되었는지, 또 왜 난포 안에서 난자가 발생하는지 생각하다 보면 예상치 못한 부분에서 진화적 시각의 타당성을 증명하게 된다. 복제 실험의 실패나 노인병에 대한 말라리아의 영향에 대해서도 마찬가지다. 이런 점에서 볼 때, 산소는 진화와 생명의 엔진일 뿐 아니라 노화와 노인병의 가장 중요하고도 유일한 원인이 된다. 이러한 시각은 자연에서 우리 인간의 자리를 돌아보는 데에 도움이 된다. 노화가 미리 정해진 것도 아니고 피할 수 없는 것도 아니라는 점을 생각하면, 비록 쉽게 노화를 미루지는 못하더라도 희망을 가질 수는 있다.

<b>생명의 기원에서 동물의 발생, 노화와 죽음에 이르기까지, <br/>산소가 진화를, 세상을 만들었다!</b><br/><br/>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.<br/>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. <br/><br/><b>산소, 자유라디칼―삶과 죽음에 대한 새로운 통찰을 담은 21세기 과학 고전</b><br/><br/>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. <br/>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. <br/>『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.<br/><br/><b>* 이 책에 쏟아진 찬사들</b><br/><br/>“『산소』는 지구상에 생명체가 존재하게 된 사연에 관한 이야기다. 각 장마다 지구와 생명의 역사에 관한 연구의 최전선에서 날아오는 특보가 실려 있다. 끝까지 손에서 놓지 못하게 하는 힘과 더불어 독자의 끈기에 보답할 큰 재미를 지닌 책이다.”― [가디언]<br/><br/>“산소가 어떻게 폭발적인 진화의 초석이 되었는지, 그리고 어떤 식으로 산소가 노화에 관련되어 있는지에 대한 이론을 기본 수준의 과학 지식만 있다면 누구든 이해할 수 있도록 명확하게 제시하고 있다. 학술적이면서도 동시에 읽기 쉬운 입문서 역할까지 하는 훌륭한 책이다.”― [굿 북 가이드]<br/><br/>“우리가 사는 지구에 산소가 존재하게 된 역사에 관한 책이다. 저자가 상세하게 짚어가며 풀어내는 이야기를 따라가다 보면, 생명에 꼭 필요한 산소가 동시에 죽음의 요인이 되기도 한다는 대단히 흥미로운 자가당착에 빠지게 된다.”- [내추럴 히스토리 매거진]<br/><br/>“고대 지구의 대기에 실제로 산소가 풍부했을 것이라는 주장에 대해, 닉 레인은 곤충의 비행역학부터 암석 내의 탄소 동위원소 수준에 이르기까지 여러 가지 인상 깊은 증거를 효과적으로 펼쳐 보이고 있다. 석탄기에 거대한 숲과 동물들이 어떻게 존재할 수 있었는지를 설명할 뿐 아니라, 약 35억 년 전부터 5억 4300만 년 전 사이에 생명이 어떻게 진화했는지, 그리고 그 진화의 양상이 오늘날 우리가 시달리는 질병과 어떤 관련이 있는지에 대해 독자로 하여금 완전히 다시 생각하게 한다. 이 책 자체가 대단히 의욕적이고도 급진적인 과학적 논쟁이라 할 수 있다. 최고의 과학저술서다.”- [파이낸셜 타임스]<br/><br/>“노화에 대한 세간의 인식이 빠르게 퍼지고 있는 가운데, 산화성 스트레스가 노화에 끼치는 영향을 재미있고 설득력 있게 설명하고 있다. 우리 생활에서 중요한 자리를 차지하는 산소라는 요소에 대한 이야기를 멋지게 빚어냈다. 널리 읽힐 가치가 있으며 재미있고 유익한 책이다.”- [네이처]<br/><br/>“생명의 기원부터 동물의 발생을 지나 그 죽음에 이르기까지, 산소라는 하나의 기체가 차지하는 역할에 대해 놀랍도록 폭넓은 통찰력으로 풀어나간 훌륭한 책이다. 삶과 죽음에 대한 흥미로운 이야기로 가득하다.”- 피터 앳킨스(『원소의 왕국』 지은이)<br/><br/>“삶과 죽음에서 산소가 행하는 이중 역할에 관한 놀라운 저서. 닉 레인은 그 어떤 창조신화와 비교해도 좋을 만큼 흥미진진한 과학판 영웅전설을 특유의 열정으로 독자에게 들려준다.”- [타임스 하이어 서플리먼트]<br/><br/>“산소의 역사에 대해 이 정도로 잘 다룬 책은 지금까지 없었다.”- [포커스 매거진]<br/><br/>“지금까지 읽은 것 중에서 생각할 거리를 많이 던져주는 책으로 손꼽을 수 있다.”- 존 엠즐리(『화학의 변명』 지은이)<br/><br/>“지은이 닉 레인은 풍부한 학식과 역사에 관한 넓은 시야로, 진화의 흐름을 결정하는 산소의 역할에 대해 생생하게 묘사하고 있다. 광범위하면서도 밀도 있는 주장이 돋보이는 섬세하고 야심적인 저술이다.”- [타임스 리터러리 서플리먼트]<br/><br/>“서로 전혀 다른 과학 분야들을 훌륭하게 통합한 책. 지구상 생명의 기원을 인간의 질병과 노화, 그리고 죽음과 연결해 풀어냈으며, 책 말미에는 항산화제와 식이요법에 대해 우리가 알아야만 하는 많은 것들을 알려주고 있다.”- [선데이 타임스]<br/><br/>“노화에서 자유라디칼이 차지하는 역할에 대해 면밀하게 분석한 책. 최신 논문을 포함해 다방면에 걸친 참고문헌으로 뒷받침되는 흥미로운 정보가 가득하다. 뚜렷한 메시지와 더불어 상세한 정보와 재미를 함께 선사하는 역작이다.”- [아메리칸 사이언티스트]<br/><br/>“유익하면서도 재미있는 책이다.”- [사이언스]<br/><br/>“독자들에게 새로운 사실을 보여주는 의욕적인 연구 저서.”- [인디펜던트]<br/><br/>“진화생물학과 노인병, 그리고 인간의 삶과 죽음에 이르기까지 산소가 차지하는 역할에 대해 고정된 틀을 벗어나 도발적인 논의를 펼치고 있다. 철저한 연구를 바탕으로 거대하고도 현실적인 문제들을 단호하고 날카롭게 다룬 책이다.”- [오타와 시티즌]<br/><br/>“진화와 산소 생화학을 대중적으로 다루고 있지만 시사하는 바가 매우 많은 책이다. 다양한 정보와 지식을 제공하면서도 동시에 가볍고 이해하기 쉽다. 강력 추천한다.”- [뉴잉글랜드 의학 저널]<br/><br/>“대중 과학서로서 감히 최고라고 말할 수 있다. 알기 쉬우면서도 도전적이고, 추측에 근거하면서도 엄밀하다. 서로 다른 여러 과학 분야에서 오래된 개념과 극히 최근에 발견된 사실 양쪽 모두를 아우르며 막힘없이 이야기를 풀어나간 역작이다.”- 버나드 딕슨(『미생물의 힘』 지은이)<br/><br/>“마음을 사로잡는 탁월한 책. 7시간의 비행 내내 넋을 놓고 빠져들었다. 전적으로 추천한다.”- [프리라디칼 리서치]