생명의 화학: 석유가 나오는 곳, 석유는 어떻게 만들어질까?

오늘날 미국 교통의 생명선인 석유는 수백만 년 전에 살았던 작은 유기체의 잔재에서 시작되는 것으로 생각되지만, 정확한 화학적 변형은 다소 신비스럽습니다. 새로운 연구에서는 지구의 깊고 어두운 창자에 사는 미생물의 역할을 조사하고 있습니다. 소수의 과학자들은 그렇지 않다고 말하지만, 대부분의 지질학자들은 우리가 땅에서 퍼내는 석유(나중에 휘발유와 기타 연료로 정제하는 석유)는 주로 조류와 플랑크톤과 같은 해양 생물의 화석에서 나온다고 생각합니다. 애리조나 주립대학교의 생지구화학자인 에버렛 쇼크는 "생물학적 기원을 뒷받침하는 많은 증거가 있다"라며, "예를 들어 석유 분자 중 일부는 박테리아 세포막에서 발견되는 지질과 유사하다"라고 주장했습니다.

 

쇼크는 바다에 있는 대부분의 죽은 물질은 박테리아에 의해 재활용되는 반면, 지질은 질기고 지방과 유사한 분자이므로 "먹기에 가장 적합하지 않은 경향이 있다"라고 말했습니다. 그들은 일반적으로 지나가고 해저로 떨어지며, 그곳에서 퇴적층 아래에 묻혀 결국 석유로 변합니다. 유기물 잔해가 암석에 묻히면 대부분의 과학자들은 생물학이 끝나고 지질학이 이어받는다고 가정해 왔습니다. 그러나 지난 수십 년 동안 심해 시추 탐험을 통해 석유가 형성되는 것과 같은 깊이인 지표면 아래 수천 피트 아래에 살고 있는 박테리아가 발견되었습니다. 이에 대해 쇼크는 "이러한 미생물은 유기물질을 석유로 바꾸는 반응에 직접적으로 관여하는 걸까?"라고 질문은 던졌습니다. 그는 이러한 깊은 곳에 서식하는 미생물이 무엇을 먹고살며, 석유화학에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 알아내는 것을 목표로 하는 국립과학재단의 자금 지원을 받는 연구 그룹을 이끌고 있습니다.

 

오일 배터리

석유가 만들어지는 정확한 화학적 경로에 대해 약간의 불확실성이 남아 있더라도 출발점은 의심할 여지가 없습니다. 세브론의 연구원인 배리 카츠는 "에너지의 궁극적인 원천은 태양이고 석유는 단지 '배터리'일 뿐이다"라고 말했습니다. 식물과 특정 박테리아는 햇빛을 사용하여 이산화탄소를 설탕으로 전환합니다. 이렇게 저장된 화학 에너지는 먹이 사슬을 따라 전달되고, 몇 개의 '부스러기'가 지하에 묻히게 됩니다. 일단 그곳에서 유기 물질은 열과 압력에 의해 케로겐이라는 복잡한 혼합물로 변형됩니다. 초기 성분과 지질학적 조건에 따라 케로겐은 석탄(주로 목본 식물에서 추출되는 탄소가 풍부한 고체 연료) 또는 탄화수소(조류 및 다양한 지질 함유 식물 부분에서 추출되는 상대적으로 수소가 풍부한 물질)를 생산할 수 있습니다. 탄화수소는 일반적으로 탄소와 수소 원자의 긴 사슬입니다. 더 작은 탄화수소 분자(예: 메탄, 프로판, 부탄)는 천연가스에서 발견되며, 더 큰 탄화수소(예: 헥산 및 옥탄)가 석유를 구성합니다.

 

앞서 언급했듯이 특정 유형의 케로겐은 일반적으로 온도가 화씨 212도(섭씨 100도) 이상으로 올라갈 때 탄화수소를 형성하고 방출합니다. 카츠는 "이는 매우 비효율적인 과정이다"라며, "바다에서 자라는 유기 물질 중 탄화수소가 되는 비율은 1% 미만이다"라고 말했습니다. 다만, 기름이 형성되더라도 항상 지속되는 것은 아니며, 그중 일부는 표면으로 이동하여 기름을 먹는 미생물이 더 좋은 부분을 소비합니다.(소위 타르 샌드 생성) 이런 일이 발생하는 것을 방지하려면 석유를 저장소에 가둘 수 있는 지질 구조가 필요합니다. 이 석유 배터리를 '충전'하는 데는 100만 년에서 10억 년이 걸릴 수 있으며, 우리가 사용하는 대부분의 석유는 약 1억 년 정도 된 것입니다.

 

에너지 소모

화학적으로 저장된 태양 에너지는 길고 복잡한 석유 형성 과정을 통해 깎여 나갑니다. 쇼크는 과학 학술지에 "지상에 있는 석유는 에너지가 낮은 상태다"라고 말했습니다. 이어 "우리가 그것을 표면으로 끌어올려 산소 대기에 도입할 때만 에너지가 생긴다"라고 덧붙였습니다. 그렇다면, 매장된 유기 물질의 감소된 에너지 잠재력은 "깊은 곳에 서식하는 미생물은 무엇으로 살아남을까?"와 같은 질문을 던집니다. 쇼크는 "우리는 그들이 무엇을 하는지 모른다"라고 말하며, "한 가지 가능성은 탄화수소와 동시에 케로겐에서 배출되는 작은 유기 부산물을 먹고 있다는 것"이라고 주장했습니다. 또 다른 가능성은 이 왕성한 벌레들이 석유를 생성하는 반응을 촉매하는 데 적극적으로 도움을 주고 나머지 에너지 중 일부를 스스로 빨아들이는 것입니다.

 

고속으로 시뮬레이션

쇼크의 연구팀은 박테리아를 지원할 수 있는 프로세스 측면이 있는지 확인하기 위해 실험실에서 석유를 생성할 계획입니다. 과학자들이 천연 석유 형성을 시뮬레이션한 것은 이번이 처음이 아닙니다. 요리 과정의 속도를 높이기 위해 연구자들은 일반적으로 온도를 섭씨 수 백도까지 높입니다. 쇼크는 "아무도 실험이 완료될 때까지 약 1천만 년을 기다리고 싶어 하지 않는다"라고 말했습니다. 고온과 저온 모두에서 동일한 반응이 일어난다고 가정하지만, 이것이 사실이라고 확실히 말할 수 있는 사람은 아무도 없습니다. 쇼크는 "우리가 석유에 너무 의존하고 있으면서도 석유가 어떻게 만들어지는지 그 세세한 부분까지 이해하지 못한다는 사실이 오히려 놀랍다"라고 말했습니다. 이는 아마도 이 지하 미생물이 부족한 부분을 채우는 데 도움이 될 것입니다.