물질 세계의 자연을 연구 대상으로 하는 과학에 있어서 탐구의 첫걸음은 자연 현상에 대한 관찰에서 시작된다. 삼라만상의 자연계, 시시각각으로 변화하고 생멸(生威)하고 있는 생물계, 지질학적 긴 시간의 척도로 변하고 있는 산천의 변화, 천문학적 광년光年이란 시간 척도로 장구한 세월에 걸쳐 변화하고 있는 우주에 이력까지 변화의 속도는 크게 다르긴 하지만 변화의 와중에 있는 환경 속에서 우리는 살고 있다. 각양각색의 모양을 하고 여러 가지 색다른 성질을 가진 대상들, 크기로 말하자면 1센티미터의 천만 분의 1이하의 작은 단세포 생물로부터 수백만 광년 거리의 공간을 차지한 광대한 우주 시간적으로는 1015초 곧 1초의 경京 분의 1의 짧은 순간에 변하는 광光화학반응으로부터 유구한 수천 억 년 이상의 시간에 걸쳐서 생성 소멸하는 우주전체에 이르기까지 변화의 속도 폭도 대단하다.
자연에 대한 세밀한 실험, 측정을 통해서 얻어진 관찰의 여러 결과들은 분석을 통해 규칙성을 찾아 분류하여 내재하는 공통성을 귀납 추출한다. 이렇게 귀납을 통해서 일반화시킨 개념을 모형(model) 또는 가설假說이라고 과학에서는 부르고 있다. 다음에 이 가설을 여러 가지 다른 곳에 적용시켜 검증해 본다. 이 가설로 설명이 가능한 예가 많아질수록 곧 가설의 적용 폭이 넓어질수록 일반화一般化의 역량이 큰 원리 또는 학설로 발전된다. 이와 같은 절차가 바로 과학적 탐구과정이다. 한편 과학은 인과율因果律과 보존의 법칙, 곧 질량과 에너지의 보존의 틀 안에서 모든 물질의 변화가 일어나고 있다.
녹이 슬고 암석이 풍화되는 자연 현상, 합성 화학공장에서 인위적으로 조종하고 있는 화학 반응은 물론이고 생물이 출생하고 성장하고 활동하는 생명의 영위 과정에 있어서 생물체 내에서 쉴 사이 없이 계속되고 있는 화학변화에 이르기까지 때, 장소, 방법 등에 관계없이 질량보존, 에너지보존의 테두리 안에서 변화가 일어나고 있다. 이 자연의 법칙에는 에누리가 없으며 물론 예외도 있을수 없다. 무無에서 유有를 창조할 수 없고 그렇다고 유有에서 무無를 소멸시킬 수 있는 것은 하나도 없다.
지금 우리의 의복. 주택 재료, 생활용품, 비료, 농약, 의약품 둥 일용품의 풍요를 가져온 석유화학 공업은 석유가 가지고 있는 탄소와, 수소원소를 제품 원료로 이용하고 있는 공업 체계이다. 예전에는 이들 원료로 동식물 등이 주로 이용되었지만 탄소와 수소원소로 이루어진 석유는 물에서 얻는 수소보다 염가이며 석탄에서 얻는 탄소보다 싸다는 이점을 가졌으며 자원이 아직은 풍부하다고 믿고 있다.
그러나 이 석유는 태고 때 태양 에너지를 이용해서 이산화탄소와 물로부터 광합성(光合成)으로 생육 번식된 조류등 식물체가 화석화하면서 변화해서 만들어진 것으로 믿고 있다. 따라서 합성섬유나 합성수지는 수천만 년 내지 수 억년 전에 공기 중의 이산화탄소중의 탄소와 물 중의 수소로부터 만들어진 화석 연료인 탄화수소(석유)가 원료인 것이다. 따라서 이 들을 각각 70퍼센트, 65퍼센트 가깝게 포함한 폴리에스텔 이나 나일론 옷 을 입고 있는 우리는 실로 수천만 년 내지 수억 년 묵은 오래된 골동품 원자에 휘감겨 있는 셈이다. 만일 이 옷의 폐품을 소각시킨다면 이들 골동품 탄소원자와 수소원자는 공기중의 산소와 새롭게 짝지어 각각 이산화탄소와 물로 다시 탄생될 것이다. 아마 이들 가운데 일부는 가까운 장래에 우리가 먹을 쌀이나 배추, 사과 등에 동화되어 우리 육체의 일부분이 될 수도 있다. 일부분은 몇 십 년 뒤에 생명을 거둘 나무에 편입되어 우리가 쓰게 될 목재 가구 속에 또는 읽을 신문종이 속에 나타날 수도 있겠다. 또는 바다에 서식하는 조류에 동화되어 머나먼 행로 수억 년 동안 지중에서 다시 한번 석유로의 변천 과정을 되풀이할 수도 있겠다.
그밖에도 강물이나 바다물에 녹아 들어간 이산화탄소에 일부는 칼슘(석회)과 결합해서 물에 잘 녹지 않는 탄산석회로 변하여 바다에 가라앉은 뒤 오랜 세월 뒤에 수성암(水成岩) 성분으로 화하는 운명을 밟을 수 도 있을 것이다. 이렇게 보존의 원리는 질량과 에너지에만 적용되는 것이 아니다. 위의 예에서 본 바와 같이 탄소와-수소원자는 새로 생기지도 않고 없어지지도 않으며 여러 경로를 거치면서 순환한다. 보존의 원리가 여기에도 적용되며 탄소와 수소에 국한되지 않고 모든 원소에 적용된다. 단 몇 종의 방사성 등위원소가 예외일 따름이다. 이들은 불안전한 원자핵의 구조를 갖기 때문에 방사선을 방사하면서 결국 안정한 원소로 변환되며 이 안정한 원소는 물론 보존된다.
여러 원소는 앞의 석유의 예에서 본바와 같이 원소로서 보존되지만 탄화수소 C П+1(n=1, 2... 등 정수로 석유종이는n의 수가 여러 가지 혼합물이다).
이산화탄소CO₂,물H20, 탄산칼슘 CaCO3 분자와 같은 성질이 각각 다른 분자의 구성원 곧 탄소원자(C), 수소원자(H)로 참여하게 된다.
그러나 이틀은 탄소원자만으로 된 분자인 다이아몬드 또는 흑연이나 수소원자 두 개만으로 된 수소분자의 성질과는 판이한 성질을 가진 분자들이다.
물 18그램에는 수소원자가 2그램 들어있으며, 이산화탄소 44그램 중에는 탄소원자가 12그램 포함된다. 한편 그 수효는 다같이 조(兆) 0.6조 배에 해당되는 6 × lO23수임을 감안하면 우리 체내에 가지고 있는 수소, 탄소 등의 원자 수는 엄청난 수의 것이다.
각각 차이나는 순화 과정의 다양한 역사를 지닌 가지각색의 원자들일 것이며 그 중에는 조상의 몸 속에 또는 원한 맺힌 적의 체내에 한때 머물러 있던 원자들이 없을 것이라고 장담할 수 없을 것이다.