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21세기에 우리의 일상생활을 보면 언제 어디서나 먹고 싶은 만큼 먹을 수 있는 여건이 갖춰져 있고, 이에 따른 비만은 전 세계적으로 급격하게 늘어나고 있습니다. 하지만 1970년대만 하더라도 우리나라에서 비만한 체형은 부를 과시하는 상징물처럼 여겨지기도 했습니다.

선사시대 인류는 거의 대부분의 시간과 장소에서 먹을 것이 부족했습니다. 따라서 기근에 대비해 지방세포에 에너지를 잘 저장하는 능력을 가진 조상들은 식량이 부족한 시기에 살아남기 쉬웠을 것이고, 그렇지 못한 자는 자손을 남기지 못해 서서히 도태되었을 것입니다. 그런데 이렇게 잉여 에너지를 비축하는 인간의 기전은 과거와 같은 기근이 오지 않는 현대 사회에는 맞지 않습니다. 인류의 역사를 통틀어 유례 없이 먹을 것이 풍부한 현대 사회는 먹을 것이 부족한 상태에서 수십 만 년을 살아온 인류에게는 도전적인 환경을 제공하는 셈입니다.

질소는 공기의 78%를 차지하지만 멍청하다고 느껴질 만큼 평소에 존재감이 없습니다. 질소는 반응성이 없어 우리가 호흡할 때에도 질소는 그냥 폐까지 들어갔다 나오기만 합니다. 질소는 단백질을 이루는 아미노산과 핵산의 성분이므로, 생명체를 유지하기 위한 필수적인 원소입니다. 하지만 동식물은 공기 중의 질소를 직접 사용할 수 없습니다. 이들 질소가 동식물에 사용되기 위해서는 질소 화합물로 고정되어야 합니다. 동물은 다른 동물의 단백질을 섭취하여 질소를 얻습니다.

3년전 크리스마스날 뉴스 중에는 신고리 원전 3호기 건설 현장에서 인부 3명이 가스에 질식해서 사망했다는 기사가 있었습니다. 사망의 원인은 질소중독으로 밝혀졌습니다. (아래 링크 참조)

http://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LSD&mid=sec&sid1=102&oid=079&aid=0002666494

이런 질소중독 사고는 세계 곳곳에서 이전부터 있었습니다. 1981 우주왕복선 콜럼비아호의 발사 준비를 담당했던 기술자들 5명이 질소중독으로 희생되었고, 그 이후에도 갱 속의 광부들과 땅 속의 입자가속기에서 일하던 기술자들도 질소중독으로 사망하는 사고를 당했습니다. 질소중독사에서 가장 섬뜩한 것은 희생자들이 아무 이유 없이 픽 쓰러지는 점입니다.

인간이 보통 산소 부족으로 질식할 때는 엄청난 공포와 고통이 뒤따르지만, 질소에 중독되는 경우엔 어느 누구도 공포에 사로잡히거나 발버둥 치는 일 없이 조용히 죽어갑니다. 그 이유는 진화과정에서 우리의 심장과 폐와 뇌는 기체를 들이마시고 있는가 하는 것 그리고 혹시나 이산화탄소를 들이마시고 있는 것이 아닌가만 판단할 뿐 산소를 감지하는 측정계를 갖추지 않았기 때문입니다. 우리가 정말 필요한 것은 산소이므로 산소의 농도를 감시하는 게 더 적절할 것 같지만, 세포로서는 탄산 농도가 0에 가까운지 아닌지 확인하는 게 훨씬 쉽고 대부분 그걸로 충분하므로 최소한의 에너지를 사용하는 길을 선택했습니다. 질소는 그러한 체내의 보안 시스템을 무사통과해 돌아다니며 우리를 자비롭게 죽일 수 있습니다.

실제로 질소(窒素)는 그 어원이 동서양을 막론하고 질식(窒息)에서 유래합니다. 그날 신고리 원전3호의 인부들은 몇 시간 동안 아무 이상도 못 느끼고 질소를 들이마셨기에 산소부족으로 의식을 잃고 뇌가 작동을 멈추기 전까지 정신적으로 다른 것을 느끼지 못했을 겁니다.

산업혁명을 거치며 인구가 급격히 팽창하기 시작했고, 1798년 로버트 맬서스는 토지의 생산력은 유한하기 때문에 식량 공급이 인구 증가를 따라올 수 없을 것이라고 예측했습니다. 그 이후 맬서스의 예측은 맞아 들어가고 있었고, 100년 후인 1898년 윌리엄 크룩스는 영국 화학협회장 취임식에서 ‘밀 문제’라는 제목의 연설을 통해 “모든 문명은 식량 부족이라는 치명적 재앙을 맞이하고 있고, 특히 밀로 만든 빵을 주식으로 삼는 백인종은 멸종의 위기에 있다.”고 토로했습니다. 실제로 19세기 말 세계 인구는 약 16억 명이었고, 농업 생산량은 더 이상 증가하지 못하고 있었습니다. 식량 증산이 어려운 이유는 식량을 구성하는 주된 성분이 탄소, 산소, 수소 그리고 질소 등인데, 식물은 단백질의 주요 성분인 질소를 직접 흡수하지 못하기 때문입니다. 질소는 대기 78%나 포함되어 있지만 다른 물질과 거의 반응하지 않아 땅속에 잘 고정되지 않습니다.

놀랍게도 크룩스의 걱정은 불과 15년이 지나지 않아 해결되었습니다. 이것을 해결한 사람은 이 글의 주인공인 독일의 과학자 프리츠 하버(Fritz Haber, 1868~1934)입니다.

하버는 역사상 가장 위대한 화학자 중 한명이고, 그의 업적은 20세기를 통틀어 인류에게 가장 중요하게 기여했습니다. 하지만 20세기 후반 이후 서방의 과학자와 언론들은 하버에 대해 언급하는 것을 꺼려했고, 그런 이유로 하버는 그의 업적에 비해 가장 낮고 나쁜 평가를 받는 과학자로 남아 있습니다. 하버는 1904년에 기체 반응의 물리법칙을 근거로 기체 상태의 질소와 수소를 직접 반응시켜 암모니아를 만드는데 성공했습니다. 그 과정은 많은 단계로 이루어져 있지만 기본 과정은 질소를 수백도로 가열하면서 수소 기체를 약간 집어넣고, 압력을 수백 기압으로 올린 뒤 오스뮴을 촉매로 약간 첨가하는 것입니다. 이 과정을 거치면 보통 공기가 인공비료의 선구자인 암모니아로 변하게 됩니다.

하버가 암모니아를 만드는데 성공하기는 했지만 그의 공정은 실험실 수준에 지나지 않았고, 특히 오스뮴을 구하기도 어려워 대량생산에는 미치지 못했습니다. 그런 이유로 1909년에 하버는 화학회사 바스프(BASF)에 암모니아 합성을 공정화 하는 일을 의뢰했고, 이때 그 임무를 맡은 과학자가 바로 칼 보슈(Carl Bosch)였습니다. 보슈는 하버의 방법을 발전시켜 메탄올을 합성하고 공기 중의 질소를 수소와 화합시켜 암모니아를 만들어 산업화하는 ‘하버-보슈 공정’을 완성했습니다. 하버와 보슈의 암모니아 합성법은 낮은 생산성의 퇴비와 천연 비료에만 의존하던 농업을 개선해 식량 생산량을 향상시키는 데 절대적으로 기여함으로써 인류를 굶주림의 공포에서 해방시켰습니다. 현재까지도 식물에게 질소를 제공하는 질소 비료를 비롯한 대부분의 질소 화합물은 하버-보슈 공정으로 합성된 암모니아를 출발 물질로 하여 만들어집니다. 하버의 암모니아 합성은 인류를 기근으로부터 구제한 1등공신입니다.

하버는 1868년에 독일 브레슬라우의 부유한 유대계 가정에서 태어났으며, 1898년 카를스루에 대학의 교수가 되었고, 1901년 고향의 유대계 화학자인 클라라 임머바르와 결혼했습니다. 클라라는 독일에서 최초로 화학박사학위를 받은 여성 과학자로 마리 퀴리를 능가하는 천재성을 타고 났다고 전해집니다. 마리가 가장 훌륭한 남편인 피에르를 만난 데 반해 클라라는 결과론적인 이야기지만 역사상 가장 나쁜 남편으로 꼽히는 하버와 결혼했습니다. 피에르가 자기 몫으로 주어진 노벨상을 아내와 나눈데 반해, 하버는 아내 클라라의 도움을 받았지만 연구자 명단에서 클라라의 이름을 지웠습니다.

유대인으로 태어났지만 일찌감치 개신교로 개종한 하버는 진심으로 독일에 충성하는 과학자였으며, 독일의 화학산업이 영국이나 프랑스보다 앞서 있다는 우월감에 빠져있었습니다. 클라라는 결혼생활에서 자신만을 우선시하는 하버의 방식을 거부하지 않고 그를 도와주는 역할에 충실했으며, 결국 하버가 큰 업적을 이루게 되었습니다. 하지만 세상은 하버를 그냥 놔두지 않았습니다.

1914년 1차 대전이 발발했을 때 하버와 보슈의 암모니아 합성법은 영국의 해상 봉쇄에도 불구하고 독일의 식량문제를 해결 했습니다. 1차 대전이 일어나기 15년 전인 1899년에 미국을 제외한 모든 나라는 화학무기를 전쟁에서 사용하는 것을 금지하는 헤이그 조약에 서명했습니다. 하지만 1914년에 전쟁이 일어나자 프랑스군은 진격해오는 독일군에게 최루가스인 브롬 폭탄을 퍼부어댔습니다. 프랑스가 화학무기를 사용했다는 소문이 들리자 독일은 자국의 화학 무기 개발을 위해 소문을 더 부추겼습니다. 얼마 지나지 않아 독일의 독가스 개발은 세계 모든 나라들보다 앞서게 되었는데, 독가스 개발의 총 책임을 맡은 사람이 바로 하버였습니다.

 ‘하버 연구소’라고 불리는 독가스 개발부서는 전시 내각체제와 유사했습니다. 하버의 과학 지식은 모두 즉각적으로 전쟁을 위해 투입되었고, 독일군 최고 사령부는 새로운 무기의 개발을 그에게 맡겼습니다. 하버는 참호 속에 숨어 있는 적군을 자극하여 밖으로 나오게 하는 염소가스를 1915년에 이프르(Ypres) 전투에서 사용했는데, 그로 인해 5000명 이상의 프랑스 병사가 진흙탕 참호 속에서 비참하게 죽었습니다. 독가스의 효과는 기대 이상이었습니다. 하버의 연구를 도와주던 아내 클라라는 평화주의자로 하버의 독가스 개발에 절대 반대했지만, 하버는 일말의 주저나 양심의 가책도 느끼지 않은 채 모든 지식과 열정을 독일군을 위해 쏟아 부었습니다.

이프르 전투가 끝나고 하버가 잠시 집에 들렀을 때 클라라는 더 이상의 독가스 개발을 결사적으로 만류했지만 하버는 흔들림 없이 내일 동부전선으로 떠나겠다고 말했습니다. 절망한 클라라는 하버의 권총을 꺼내어 자신의 가슴을 쏴 죽음을 택했습니다. 하버는 큰 충격을 받았지만 그 때문에 자신이 하는 일에 지장을 받아서는 안 된다고 생각하고 아내의 장례식도 치르지 않고 이튿날 아침 전선으로 떠났습니다. 

다음해인 1916년에 하버는 화학전의 최고 지휘관으로 임명되었고, 더욱 강력한 독가스를 개발해 수십만 명 연합군 보병의 목숨을 빼앗았습니다. 연합군 측에게 하버의 독가스는 그 어떤 것보다도 더 무섭고 혐오스러운 공포 그 자체였습니다. 하지만 하버의 헌신적은 노력에도 불구하고 독일은 전쟁에서 패했으며 하버는 큰 충격을 받았습니다. 승리한 연합군 측에서는 하버를 독가스전을 발명해낸 전범자자로 비난했습니다. 하버는 이에 맞서 기관총으로 18세 소년들을 대량 살상하고, 어뢰로 해군 전함을 격침해 장병들을 깜깜한 바다에 수장시키는 일을 버젓이 자행하는 짓도 야만적이라는 비난을 면치 못하는 것이라며 자신을 변호했습니다.

이때 연합군 측을 깜짝 놀라게 할 사건이 있었습니다. 스웨덴 왕립과학원이 하버에게 질소와 수소로부터 암모니아를 합성하는 방법을 개발한 공로로 독일이 패전한 바로 그 해인 1918 노벨 화학상을 단독으로 수여한 것입니다. 노벨상 위원회는 하버의 업적을 그의 조국과 인류 전체를 위한 값진 승리라며 찬사를 보냈습니다. 결국 하버는 아무 처벌도 받지 않았으며, 패전 조국이 겪고 있는 난관을 자신의 과학 지식으로 해결하려고 할 수 있는 일은 다했습니다. 1920년대에도 하버는 독일 화학의 아이콘이었고, 최고의 국제적 화학 연구소인 달렘의 카이저 빌헬름 연구소를 이끌었습니다. 하버는 이 기간 동안 살충제 연구에 전념해 차세대 가스 살충제인 치클론 B를 만드는데 성공했습니다. 하버와 함께 암모니아 합성법을 산업화 한 보슈는 1931년에 노벨 화학상을 수상했고 세계적인 기업가로 이름을 날렸습니다.

하버의 세상은 히틀러가 권력을 잡기 시작한 1933 막을 내렸고, 그의 연구소에 있던 유대인들은 모두 제명당했습니다. 하버 역시 나치 당원들에게 수모를 겪은 후 평생 충성을 다했던 조국을 억지로 떠나야 했습니다. 하버는 자신을 선뜻 받아주겠다는 나라를 찾지 못해 유럽을 전전했는데, 아이러니하게도 전쟁 당시 적이었던 영국의 케임브리지 대학에서 그를 위해 머물 자리를 마련해 줬습니다. 하버는 1934년에 영국으로 건너가던 도중에 사망했습니다. 하버의 유언에 따라 그는 먼저 세상을 떠난 아내 클라라의 묘에 합장되었습니다.

나치는 하버가 개발한 치클론 B를 사용하여 하버의 가까운 친척들을 포함해 수백만 명의 유대인을 학살했습니다. 한 평생을 국가를 위해 헌신한 과학자 하버는 이렇게 자신이 헌신했던 국가로부터 버림받았고, 후대에는 ‘독가스의 아버지’로 불리게 되었습니다. 아래 사진은 하버와 그의 아래 클라라가 합장된 묘입니다.