생명현상과 양자역학 (5, 끝) 제5장 양자생물학과 양자의학

[만촌 전석락]

제5장 양자생물학과 양자의학

1. 양자생물학

생체 세포에는 끊임없이 뒤섞이고 요동치는 복잡한 분자가 가득하다. 이 분자들의 운동은 당구공과 같이 사방으로 흩어지는 무작위 운동으로써, 이들 분자 운동은 정교한 양자 결맞음을 방해해서 우리에게 고전물리학의 일상세계를 보여준다. 그러나 이러한 분자의 격랑이 몰아치는 바다인 생체 세포 안에서도 터널링 같은 양자역학의 효과가 지속되고 있다.

불과 10여 년 전까지만 해도 대부분의 과학자는 터널링과 다른 정교한 양자 현상이 생물학에서 일어날 수 있으리라는 생각 자체를 묵살해왔다. 양자 현상이 이런 장소에서 발견된다는 사실은 생명이 세포를 작동시키기 위해 양자세계가 제공하는 장점을 획득하기 위한 특별한 수단이 있음을 암시한다. 그 수단은 어떤 것일까? 생명은 양자 현상을 방해하는 원흉인 결어긋남을 어떻게 방지할까? 양자생물학에서 가장 큰 불가사의 중 하나인 이 수수께끼가 이제 서서히 풀리고 있다.

지질, DNA, 아미노산, 단백질, 당을 비롯해 생명을 이루는 모든 생체분자는 다양한 효소에 의해 만들어지고 분해된다. 이를테면 개구리가 파리를 보고 있을 때, 개구리의 눈에서 뇌로 이 신호의 전달을 매개하는 것은 신경세포를 가득 채우고 있는 신경전달물질 효소군이다. 개구리가 혀로 파리를 낚아챌 때에는 근육 세포 속에 많이 들어 있는 미오신ATP가수분해효소에 의해 근육 수축을 일으킨다. 개구리의 위 속에 파리가 들어오면 온갖 효소가 분비되어 파리를 소화시켜 양분을 배출한다. 이렇게 배출된 양분은 개구리에 흡수되고, 다른 효소에 의해 개구리의 조직으로 바뀌거나 미토콘드리아 내의 호흡 효소를 거쳐서 에너지로 쓰인다.

살아 있는 유기체의 모든 생명활동, 우리 인간을 포함한 생명체를 살아 있게 하는 모든 과정은 효소에 의해 촉진된다. 진정한 생명의 엔진인 효소의 비범한 촉매 능력은 잘 짜인 안무처럼 기본 입자의 움직임을 조절하는 기량에서 나오기 때문에, 양자세계의 기이한 법칙을 다룰 수 있어야만 한다. 그러나 양자역학이 생명에 제공하는 것이 터널링만 있는 게 아니다. 이에 대하여 중요한 몇 가지 더 알아보자.

1) 양자 유전자

(1) DNA

소련은 1958년에 남극 보스토크에 기지를 건설하였다. 이 연구 기지의 주 목적 중 하나는 빙하에 구멍을 뚫어서 과거 기후에 관한 기록을 얻는 것이다.  1998년에 시추가 3,623미터에 이르렀다. 깊이 3킬로미터가 넘는 구멍 속에는 42만 년 전의 얼음이 깔려 있었다. 그러나 그 후에는 시추가 중단되었다. 시추공 아래쪽에 호수가 감지되었기 때문이다. 보스토크 기지 아래에 예사롭지 않은 뭔가 있다는 사실은 이미 20여 년 전인 1974년에 발견되었으며, 1996년 이 지역에 대한 위성 측정을 통해 빙하 아래 호수가 있음을 이미 알고 있었다.

2013년 보스토크 빙하에 관한 최초의 상세 연구 결과가 발표되었다. 이 연구의 결론은 얼음에 갇혀 있는 호수 속에는 복잡한 유기체 망이 형성되어 있다는 것이었다. 세균, 균류, 원생동물을 포함하는 이 유기체 망에는 조개와 지렁이류 및 말미잘 같은 더 복잡한 생물들과 심지어 절지동물까지 있었다.

태초의 지구 자체도 태양의 광자 외에는 외부로부터의 유입이 40억 년 동안 거의 차단되어 있었지만, 대규모 화산 폭발과 운석 충돌 및 기후 변화라는 어려움을 이기고 풍성하며 다양한 생태계를 유지해왔다. 어떻게 생명은 수십억 년 동안 극단적 환경 변화를 극복하고 다양성을 꽃피우며 번성해왔을까?

그 단서는 보스토크 생물학 연구팀이 연구한 어떤 물질에서 찾을 수 있다. 호수의 얼음 속에서 불과 수 마이크로그램 추출된 이 물질은 지구상 모든 생명의 연속성과 다양성에서 결정적인 물질이며, 알려진 우주에서 가장 특별한 분자를 포함하고 있다. 우리는 이 물질을 DNA라고 부른다. 연구진은 보스토크 DNA가 지상에 살고 있는 세균과 균류와 절지동물과 그 외 생명체의 DNA와 일치하거나 대단히 비슷하다는 것을 발견했다.

유전 정보가 한 세대에서 다음 세대로 스스로를 충실하게 복제할 수 있는 이런 능력을 우리는 유전이라고 부르며, 유전은 당연히 생명의 중심이다. DNA라는 문자로 쓰인 유전자에 암호화되는 단백질과 효소는 물질대사를 거쳐 살아 있는 모든 세포의 모든 생체분자를 만든다. 이런 생체분자에는 식물과 미생물의 광합성 색소에서부터 동물의 후각 수용체, 철새들의 신비로운 자기나침반 등 사실상 모든 생명체의 모든 특징이 포함된다. 그러나 생명체는 먼저 스스로를 만들라는 명령을 복제하지 않으면 스스로를 복제할 수 없다. 유전 정보가 어떻게 그처럼 충실하게 한 세대에서 다음 세대로 전달되는지와 관련된 유전의 신비에서 에르빈 슈뢰딩거는 유전자가 양자역학적 존재임을 확신하였다. 유전을 설명하기 위해 양자역학이 정말로 필요할까? 이 문제를 알아보자.

(2) DNA 구조와 복제 충실도

DNA는 당-인산의 뼈대에 실질적인 정보 메시지를 전달하는 구아닌(G), 시토신(C), 티민(T), 아데닌(A)이라는 4종류의 염기로 구성된 핵산 두 가닥이 나선형으로 꼬인 이중나선 모양이다. 이중나선형의 결정적 특징은 두 개의 가닥 중 한 가닥에 들어 있는 정보, 즉 염기 서열이 다른 가닥의 것과 상보적이라는 점이다. 즉, 한쪽 가닥에 있는 A는 항상  다른 쪽 가닥의 T와 결합하고, G는 항상C와 결합한다.

두 가닥의 염기들 사이의 이런 특별한 상보적 결합(A:T, G:C)은 수소결합이라고 하는 약한 화학결합에 의해 일어난다. 두 개의 분자, 즉 A에는 T, G에는 C가 수소결합 하는 바로 그 위치에 양성자가 있다. 다시 말하면 두 분자를 서로 붙여주는 이 수소결합이라는 ‘접착제’는 본질적으로 공유된 양성자다. 수소결합은 약한 결합이기 때문에 두 가닥은 쉽게 분리되어 저마다 주형으로 작용할 수 있고, 각각의 주형은 상보적인 짝과 결합해서 원래의 이중나선과 똑 같은 복사 본을 두 개 만드는 것이다. 염기 A는 염기 G나 C와는 짝을 이룰 수 없다. 수소결합을 할 수 있는 정확한 위치에 양성자가 없기 때문이다.

                                                      

       

바로 DNA는 양성자로 연결되어 있기 때문에 정확하게 복제가 이루어지는 것이다. 유전체가 정확히 복제되는 능력은 생명의 중요한 특성 중 하나다. DNA 복제에서 우리가 돌연변이라고 부르는 실수가 일어날 비율은 일반적으로 10억 분의 1도 되지 않을 정도로 정확하다.

(3) 양성자를 이용한 암호
 
아래 그림 1에서와 같이 짝을 이루는 두 염기에서 양성자를 공유하는 수소결합이 두 원자(산소 O와 질소 N) 사이에 점선으로 표시한 것은  양성자가 입자성과 파동성을 둘 다 지닌 양자적 존재임을 나타낸다. 그리고 H의 위치는 양성자가 가장 있을 법한 위치를 나타내는데, 두 염기의 중간이 아니라 한쪽에 치우쳐 있다.

이런 비대칭성은 대단히 중요한 DNA의 특징을 만들며, A-T염기쌍의 경우 그림 1과 같은 양성자 위치가 표준(일반) 형태다.

                               그림 1

그러나 그림 2와 같이 쌍을 이룬 양성자가 이중나선 건너편으로 도약해서 양성자 위치가 뒤바뀌어진 희귀한(호변이성체)의 형태를 취할 수도 있다. 이렇게 되면 DNA가 복제될 때 정상적 상보적 결합(A:T, G-C)이 되지 못하고 비정상적인 A:G, T:C 결합이 되는 돌연변이가 생길 수가 있다.

                                 그림 2

그러나 아직까지 양자역학이 돌연변이에서 어떤 역할을 한다는 사실을 나타내는 조짐은 없다. 만약 양자 터널링이 DNA 염기에서 호변이성체의 형성과 연관 있다는 것이 증명된다면, 이는 엄청나게 짜릿한 발견이 될 것이다.

2) 폭풍의 경계에 선 생명

‘기이하다’는 말은 양자역학에서 가장 자주 사용되는 형용사다. 양자역학은 기이하다. 물체가 투과할 수 없는 장벽을 통과하고, 두 장소에 동시에 존재하며, ‘유령 같은 연결’이 일어난다고 하는 코펜하겐 해석인 하이젠베르크의 불확정성 원리는 예사롭다고 표현하긴 어렵다. 그러나 양자역학의 수학적 체계는 완전히 논리적이고 일관성 있으며, 기본 입자 수준에서 세상이 존재하는 방식과 힘을 정확하게 묘사한다.

불연속적인 에너지 준위, 파동-입자 이중성, 결맞음, 얽힘, 터널링 등의 양자역학은 물리적 실재이며, 인간의 삶의 중요한 일부분으로 응용되고 있다. 그러나 이러한 양자 규모에서 일어나는 양자 현상은 큰 사물의 내부에서 일어나는 소란스런 열역학적 과정에 의해 사라진다. 결어긋남이라고 부르는 이 과정에 의해 우리 주위에는 친숙한 고전물리학만 남는다.

따라서 생명의 물리적 실재는 세 단계로 구성되어 있다고 볼 수 있다.

표면에는 축구공, 기차, 비행기 같은 거시적이고 일상적인 사물이 있다. 이런 사물의 움직임은 뉴턴의 운동법칙을 따르며, 뉴턴의 운동법칙은 속도, 가속도, 운동량,  힘 같은 친숙한 개념과 연관이 있다. 중간에는 액체와 기체의 움직임을 묘사하는 열역학 층이 있다. 열역학 층에도 동일한 고전적인 뉴턴의 운동법칙이 적용된다. 세 번째이자 가장 깊은 곳에는 실재의 기반이 되는 양자세계가 있다. 양자세계는 원자와 분자가 움직이는 곳이며, 이 입자들을 지배하고 정확하고 질서정연한 법칙은 고전역학이 아니라 양자역학이다. 그러나 기이한 양자 현상은 대부분 우리 눈에 잘 보이지 않는다. 이중 슬릿 실험 같은 것을 통해서나 개개의 분자를 면밀히 관찰할 때에만 우리는 양자법칙을 더 심도 있게 관찰할 수 있다.

생명은 거센 폭풍이 부는 바다 위를 항해하는 배와 비슷하다. 이 배에는 거의 40억 년의 진화로 다듬어진 유전 프로그램이라는 노련한 선장이 타고 있어서 다양한 깊이의 양자 영역과 고전 영역을 항해할 수 있다. 생명은 폭풍우를 피하기보다는 끌어안는다. 분자의 돌풍과 강풍을 모아서 돛을 부풀리는 것이다. 그렇게 생명이라는 배는 좁은 열역학의 바닷물을 지나서 양자세계와 닿아 생 열역학의 폭풍을 솜씨 있게 다루는 생명의 놀라운 능력에 의해 유지된다.

하지만 만약 열역학의 폭풍이 너무 거세게 불어서 돛대가 부러지면 어떻게 될까? 더 이상 열역학의 바람을 이용해서 안정을 유지할 수 없을 것이다. 돛이 없는 세포는 세포 내의 파도와 너울에 떠밀려 요동치다가 결국에는 양자 영역과 끊어진다. 이 연결이 끊어지면, 결맞음이나 얽힘이나 터널링이나 중첩의 양자역학은 더 이상 세포의 거시적 행동에 영향을 줄 수 없다. 그러므로 양자세계와 단절된 세포는 열역학이 소용돌이치는 물속에 침몰해서 영원히 고전세계의 대상이 된다.

2. 양자의학
             
데이비드 J. 봄(1917~1992)은 가장 대담하고 독창적인 20세기 양자역학의 세계적인 권위자다. 캘리포니아대학교 버클리에서 오펜하이머의 지도를 받고 수학했으나 공산주의 관련단체에 연루되어 맨해튼계획(원자탄 개발)에는 참여하지 못하였다. 브라질과 이스라엘 등에서 연구생활을 하다가 결국 영국 브리스틀대학교에서 안정을 얻어 양자역학에 관한 중요한 이론들을 발견하고 증명하였다. 그는 두 번에 걸쳐 노벨상 최종 후보에 오르기는 하였지만 상을 받지 못했다.
  
양자물리학의 주류인 코펜하겐 해석에서는 전자 자체는 본래부터 불확정적 존재이므로 독일 이론물리학자 하이젠베르크가 제시한 ‘불확정성 원리’ 를 지지하여 왔다. 그러나 데이비드 봄은 이에 정면으로 반대하고, 양자세계에는 관측 불가능한 ‘숨은 변수’가 있어야 한다는 믿음을 가지고 실험한 결과 ‘양자포텐셜(quantum potential)’의 존재를 발견하였다. 그는 이에 더 나아가 양자포텐셜 내부에는 ‘초양자포텐셜(superquantum potential)’이 숨어 있을 수 있다는 가설도 제안했으며, 1990년에는 초양자포텐셜 내부에는 ‘활성정보’가 숨어 있다는 가설도 제안했다. 인간을 포함한 생명체들을 구성하는 분자, 세포, 조직, 장기 및 개체는 봄의 양자이론에 따르면 각각 입자적 구조와 파동적 구조라는 이중구조로 되어 있으며, 인체를 구성하는 파동적 구조가 ‘양자포텐셜’이라는 것이다.

‘양자생물학의 이론을 의학에 응용하여 새로운 의학으로 탄생한 것이 ‘양자의학’이다. 봄은 심신론에서 인체를 구성하는 분자, 세포, 조직, 장기 및 개체는 각각 고유의 양자포텐셜(양자파동장)을 지니고 있다고 했다. 그리고 마음 또한 양자에너지이므로 몸과 마음은 공명(共鳴)함으로써 서로 연결이 가능하게 된다고 했다. 그러므로 양자의학에서는 몸을 다루는 생의학, 양자파동장을 다루는 에너지의학, 마음을 다루는 심성의학을 통합적으로 다룬다.

데이비드 봄은 물리학자로서 세계적 명성을 얻은 뒤에도 많은 과학자들이 논의하기 꺼려하는 인간의 마음에 대하여서도 언급했다. 즉, 사람은 몸과 마음으로 구성되어 있으며 몸과 마음은 서로 별개의 존재하는 실체로서, 마음은 뇌에 위치하는 것이 아니라 몸과 비슷한 크기의 공간을 차지하며 몸과 마음은 겹쳐 존재한다고 주장한다. 그리고 마음은 입자와 파동의 이중 구조로 되어 있어 마음입자는 일정한 공간을 차지하며 이것이 파동성으로 변하면 시공간을 초월하여 전파될 수 있다고 했다. 또 인간의 마음(의식계)은 표면의식, 개인무의식, 집합무의식으로 구성되어 있는 양자에너지로서 집합무의식은 활성정보에서 기원하는 것이라고 한다.

위의 글(1~5회)은 아래의 참고자료에서 발췌 요약하였다.

지금까지 생명현상과 생물의 세계를 분자생물학이 전부라고 생각해왔던 필자에게 『생명, 경계에 서다』 는 생명에 대한 새로운 지적 충격이었다. 덕분에 난해한 양자역학을 이해하기 위해 관련 서적을 찾아보는 큰 보람을 얻었다.
그리고 경목카페의 열린 마당, 독서광장이 있었기에 이렇게라도 정리할 수 있었다고 생각하며, 그간 어렵고 재미없는 내용을 인내심으로 지켜봐 주신 회우님들께 감사드린다. 

참고자료
1. 생명, 경계에 서다 / 짐 알칼릴리, 존조 맥 패든 / 글항아리 사이언스
2. 김상욱의 양자 공부 / 김상욱 / 사이언스 북스
3. 양자론 / Newton Highlight / 뉴턴사이언스
4. 개념 잡는 비주얼 양자역학책 / 필립 볼 외 7인 / 궁리
5  양자의학 / 강길전, 홍달수 / 돋을 새김
6. DNA / Newton Highlight / 뉴턴사이언스
7. 인터넷 포털 사이트(다음, 네이버) 정보검색 자료

[해평]

인내와 뚝심으로 양자역학을 압축해준 만촌에게 큰박수 보냅니다.!

[낙솔]

만촌의 역작에 갈채를 보내면서
양자역학을 이끌어온 열 분을 소개하고 싶네요.

1. 플랑크 - 양자역학의 상징인 플랑크 상수 h, "모든 양자의 작용량(단위는 쥴초)은 일정하다"는 것을 발견했다.
2. 보어 - 수소 원자를 고전역학 방법으로 4가지(발표 당시는 3가지) 양자도약의 상태 모델로 설명했다.
3. 파울리 - 페르미온(물질구성 양자)은 4가지 양자상태에서 오직 한 개만 들어간다는 배타율을 찾아내었다.
4. 하이젠베르크 - 행렬역학을 구성, "물체의 위치와 운동량 사이에 불확정성이 상존한다"는 원리를 깨달았다.
5. 슈뢰딩거 - 파동역학 미분방정식을 구성하여 고유값을 계산했다. 나중에 입자의 발견확률로 이해되었다.

[낙솔]

6. 디랙 - 거시 상대성 이론과 미시 양자이론을 통합하여 단수로서의 양자개념을 '입자-반입자' 쌍대로 파악했다.
7. 페르미 - 최초로 원자로를 개발하여 에너지와 폭탄을 개발하는 초석을 다진 이론과 실험을 겸비한 학자였다.
8. 파인만 - QED로 약칭되는 역동적 체계를 설정하여 다수의 양자 상호작용을 그래프로 설명해서 놀라게 만들었다.
9. 겔만 - 쿼크를 발견 소립자 동물원을 불교의 팔정도로 배치하였고, 이후 산타페연구소에서 복잡계를 연구했다.
10. 봄 - 양자의 비결정론(코펜하겐 해석)에 반기를 들고 입자-파동이 공존하는 장으로 양자현상을 설명했다.

이상 양자역학의 발자취를 인물중심으로 요약해봤어요.

[만촌 전석락]

해평의 言施德談
낙솔의 畵龍點睛
감사! 또 감사!