왜 대부분의 생명체는 산소를 호흡할까?

『산소의 생물학적 역할과 선택의 이유』

지구 대기의 약 78%는 질소로 이루어져 있음에도 불구하고, 지구상의 거의 모든 진핵생물과 다양한 원핵생물은 산소를 호흡한다.  왜 그럴까? 질소보다 훨씬 적은 비율(약 21%)만을 차지하는 산소가 대부분의 생명체에게 에너지 생성에 필수적인 이유는 무엇일까? 이 질문은 생명의 근원과 진화, 그리고 지구 환경의 특성과 밀접하게 연관되어 있다.

산소의 강한 반응성과 생물학적 효율성
산소는 생명 유지에 필수적인 기체지만, 그 본질은 '매우 반응성이 높은 원소'이다. 이는 목재가 산소와 반응하여 불에 타는 현상처럼, 산소가 다른 물질과 쉽게 결합하여 에너지를 방출한다는 것을 의미한다. 하지만 이 반응성은 양날의 검과도 같다. 세포 내에 과도하게 축적되면 단백질, DNA와 같은 중요한 생체분자를 손상시킬 수 있기 때문. 이러한 이유로, 생명체는 산소의 위험성을 제어하기 위해 항산화 시스템을 갖추고 있다. 

그럼에도 불구하고 대부분의 생명체는 산소를 선택했다. 왜일까? 그 핵심은 에너지 효율성에 있다. 덴마크 남부 대학의 지생물학자 도날드 캔필드는 생명체가 활용할 수 있는 수천 가지의 대사 경로 중, 대부분의 진핵생물과 많은 원핵생물이 산소를 사용하는 이유가 바로 여기에 있다고 설명한다. 산소는 다른 전자 수용체에 비해 훨씬 많은 에너지를 방출할 수 있으며, 유산소 호흡을 통해 얻는 에너지는 무산소 호흡보다 약 18배 이상 높다.


질소가 아닌 산소를 선택한 이유
지구 대기 중 가장 많은 기체인 질소는 왜 호흡용으로 사용되지 않을까? 그 이유는 질소 분자의 특성에 있다. 질소(N₂)는 매우 안정한 삼중 결합을 이루고 있어, 이를 분해하기 위해선 막대한 에너지가 필요하다. 따라서 대부분의 생물은 질소를 에너지 대사용이 아닌 단백질, 핵산 등 생체 분자 구성에만 사용한다. 반면, 산소는 상대적으로 반응이 쉬운 이중 결합 구조이며, 생명체가 직접 활용하기에 효율적이다.

염소와 불소보다 산소가 선택된 이유
과학적으로는 염소나 불소도 에너지 생성에 사용할 수 있지만, 이들은 생명체가 감당하기엔 너무 위험한 원소이다. 예를 들어 불소는 산소보다 더 많은 에너지를 제공할 수 있지만, 유기물과 접촉 시 폭발할 만큼 반응성이 커 생물학적 환경에서는 다루기 어렵다. 염소 역시 독성을 가지고 있어 안전한 호흡 원소로 사용되기에는 부적합하다. 반면, 산소는 비교적 안정적이며 유산소 호흡의 부산물이 물과 이산화탄소라는 점에서 생물에게 독성 위험이 거의 없다.


산소는 생명체에 '쉽게 접근 가능'하다
산소가 생물에게 선택된 또 하나의 이유는 가용성이다. 산소는 기체 상태로 존재하며, 세포막을 쉽게 통과할 수 있어 다양한 생명체가 이용하기에 적합하다. 또한, 광합성 작용을 통해 끊임없이 생성되며, 대기와 수중 환경 모두에 풍부하게 존재한다. 식물은 광합성을 통해 대기 중 산소 농도를 꾸준히 유지시키고 있으며, 이는 다른 생명체가 호흡을 통해 에너지를 얻을 수 있도록 돕는다.

산소는 생명체에 가장 ‘적절한’ 호흡 원소
산소는 그 반응성, 에너지 효율성, 가용성 측면에서 생명체에 최적의 조건을 제공한다. 질소처럼 너무 안정적이지도 않고, 불소나 염소처럼 위험하지도 않다. 실제로, 산소는 전자를 하나씩 받아들이며 점진적으로 에너지를 방출하는 특성을 가지고 있어, 세포는 이 과정을 이용해 효율적으로 ATP(생명 에너지 단위)를 생성할 수 있다.