물리학자의 눈으로 본 생명

안녕하세요?

제가 전공이 생명과학 이기는 하지만, 그래도 아직까지 생명이 무엇이다 라고 정확하게 이야기 하기는 어렵다는 생각이 듭니다. 그런데 한국 스켑틱(Skeptic) 2018년도 vol13에 있는 '생명의 화학'이라는 기사를 읽어 보니, 이전까지는 크게 생각해 보지는 않았지만, 물리학자가 본 생명현상이라는 주제로 평소와는 많이 다른 관점을 엿볼 수 있었습니다. 그래서 이번 포스팅에서는 이 기사를 리뷰해 보고자 합니다.

먼저 기사의 저자인 김상욱 경희대 교수는 물리학자이며, 첫 머리에서 부터 '생물과 무생물'의 구분이 '과학적 분류'는 아니라는 것을 언급하면서 시작을 합니다. 그러면서 기사는 우리 몸을 구성하는 원자와 공기 중을 떠도는 원자는 '같은 것'인데, 어째서 우리몸은 다르냐는 의문을 제시하면서, 물리학자의 시각으로 원자에서 생명으로 가는 길을 탐색해 보자고 합니다.

그러면서 이어지는 글에서, 생명과학 전공인 저 조차도 크게 보지 않았던 '에너지'에 대한 것을 이야기하고 있습니다. 한마디로 '진화를 하려고 해도 일단 자기를 유지하는 능력이 필요하다'면서 정말 참신한 다음의 관점을 소개하고 있습니다. '나는 진화보다 보존, 유전자 보다 에너지가 더 중요하다고 생각한다.' 확실히 생명과학에서는 그동안 유전자를 중요하게 보았지, 에너지는 크게 생각하지 않기는 했습니다.

그러면서 기사는 에너지라는 관점에서 위에 제시가 된 공식을 보여주면서, '염록체와 미토콘드리아' 그리고 '광합성과 호흡'에 대해서 이야기를 합니다. 한마디로 설명을 하자면, 위 반응이 오른쪽으로 진행되면 '호흡'이고, 왼쪽으로 진행되면 '광합성'이라고 합니다. 그러면서 다음으로는 호흡에 관해서 들어가고 있습니다.

먼저 저자는 등불이나 촛불이 타는 것과 '호흡'이 모든 면에서 흡사하기 때문에 '숨을 쉬고 있는 동물은 살아 있는 연소체'라는 관점을 제시하고 있습니다. 그러면서 정확히는 사람이 하는 폐호흡이 아니라 '세포호흡'이며, 더 작은 세계로 들어 간다고 해야 할까요? 화학에서 나오는 '산화와 환원'을 설명하면서, 포도당에 있는 C-H가 C-O로 바뀌면서 '에너지'가 나온다고 설명을 하고 있습니다.

그러면서 자칫 이해하기 어려운 장황한 설명을 다음과 같이 '탄소 주위에 있던 수소를 싹 걷어내서 산소원자에게 던져 준 것이다' 라는 말로 정의하면서, '산소가 탄소의 전자쌍을 빼앗아 에너지가 낮아진다.' 라는 것을 알려주는데, 이 몇줄의 문장이 그간 그렇게 생화학을 배우면서도 이해가 되지 않았던 것을 알려 주었습니다.

기사는 이어서 화학에서 나오는 '에너지 장벽'과 '촉매'에 대해서 언급하면서, 그냥은 호흡반응이 일어나지 않고, 촉매가 되는 '효소'들의 도움을 거친 복잡한 과정을 거친다고 언급을 하면서, '해당과정'이라는 것을 언급하기 시작합니다. 그러면서 기사는 생명과학 전공자인 저도 놓치고 있는 사실을 하나 언급하고 있습니다.

위 그림과는 다르게 세포 안에서는 0.01~0.1 밀리미터 정도의 크기 안에서, 공간적으로 여기저기 분포하고 있으며, 대사산물도 적절한 효소를 얼마나 빨리 만나느냐-한마디로 가지런히 정렬되 있는 것이 아니라, 그냥 떠 다니다가 자기와 맞는 효소를 만나면 반응이 일어나는 식으로 세포호흡이 이루어 진다는 것을 언급하고 있습니다. 제 경우에도 생화학 책등에서 순서대로 언급하고 있기에 보통 이렇게 가지런히 차례대로 움직이는 컨베이어 벨트를 생각하기 쉽지만, 실제로는 무질서하게 섞여 있다가 우연히 만나서 반응이 일어난다고 합니다.

그러면서 기사는 이제 미토콘드리아에 대한 이야기로 넘어가서, 생화학 시간에 지겹게 봤지만 몰랐는 'NADH와 FADH2'에 대해서 나옵니다. 이 두개의 분자는 '전자를 내놓고 양이온'이 되며, 여기서 나온 전자가 어떻게 에너지가 되는지가 오랫동안 난제 였는데, 10년 가까이 무시당한 이론이 '노벨상'을 받는 이야기를 언급합니다.

바로 120도씩 3번 회전을 해서 360도 회전을 할 때마다 에너지를 생산하는 ATP합성효소에 관한 이야기 입니다. 여기서 수소이온인 H+가 미토콘드리아의 외막과 내막 사이에 쌓이다가 내막 안으로 들어올 때 에너지를 발생시키는데, 학부에서 배울 적에는 잘 몰랐지만, 따지고 들면, '미토콘드리아는 산/염기를 통제하는 기계'라는 것을 제시하고 있습니다. 이렇게 공기 중의 원자가 어떻게 우리 몸의 원자가 되는지를 설명한 저자는 바로 핵심이 되는 이 한마디를 위해서 장황한 기사를 쓴 듯 합니다. [생명은 원자로 만들어진 화학기계다] 실제로 기사는 어느 정도 지루할 수 있는 생화학적인 내용을 지루하지 않으면서도 이해하기 쉽게 풀어나가는 편이며, 물리학자-양자역학을 전공한 사람의 눈으로 기존의 생명과학 전공자가 보지 못했던 것을 보여 주었다는 점에서 높은 점수를 줄만한 기사였습니다. 하지만 그러고도 생명과학을 전혀 모르는 사람이 보이게는 '부담스러운'기사라는 생각도 들었습니다.