물질에서 생명으로 '물리학자 김상욱 교수' 강연

[문형철]

beyond reason

원자로부터 생명까지로 가는 변신

물리학자가 생리학을 이야기하는 이유. 슈뢰딩거 '생명이란 무엇인가?"

양자물리학자가 1948년 생명에 대한 책을 기술. 

만물은 원자로 되어 있음. 눈에 보이는 모든 것은 다 원자로 되어 있음. 생명도 원자로 되어있음. 

주기율표

세상을 이해하는데 주기율표보다 중요한 것은 없음. 

생명은  99%가 C, H, O, N 네가지 물질로 구성. 

생명체는 원자들의 조합으로 이루어짐. 

수소는 우주에 가장 많은 물질이고 생명에도 가장 많은 물질

단순함이 수소의 특징. 양성자와 전자로 되어 있어서 쉽게 분해되고 인체에서 수많은 작용을 함

수소(水素, 영어: Hydrogen 하이드러전^[*])는 주기율표의 가장 첫 번째(1족 1주기) 화학 원소로, 원소 기호는 H(←라틴어: Hydrogenium 히드로게니움^[*]), 원자 번호는 1이다. 표준 원자량은 1.008로, 질량 기준으로 우주의 75%를 구성하고 있는 우주에서 가장 흔한 원소이기도 하다^[6]. 순물질은 실온에서 기체상태의 H₂로 존재하며, 1족 원소중에서 유일한 비금속 원소이다. 동위원소로는 중수소(²H)와 삼중수소(³H)가 있다.

생명체는 원자들의 조합으로 되어 있음. 원자들이 모여야 함. 원자가 팔을 가지고 있다고 표현함. 

탄소는 4개의 손을 가짐. 4개의 손을 이용해 지구상 모든 생명체의 뼈대가 됨. 

탄소(炭素 영어: Carbon)는 비금속인 화학 원소로, 기호는 C 이고 원자번호는 6이다. 원자가 전자는 4개이다. 존재하는 동위 원소는 총 3개로, ¹²C와 ¹³C는 안정적인 동위 원소지만 ¹⁴C는 반감기가 약 5730년인 방사성 동위 원소이다.^[3] 탄소는 아주 오래 전에 존재가 밝혀진 원소들 중 하나이다.^[4]

탄소는 지각을 구성하는 원소들 중에 15번째로 풍부하며, 우주에서 수소, 헬륨, 산소 다음인 4번째로 풍부한 원소이다. 이렇게 탄소는 풍부하며, 탄소 화합물로서 다양한 유기 화합물을 구성할 수도 있고, 상온 상태에서 중합체를 형성할 수도 있기 때문에 우리 삶은 탄소와 밀접한 관련이 있다. 예로서 탄소는 우리 몸에서 산소 다음인 두 번째로 풍부한 원소(18.5%)이다.^[5]

CO₂(이산화탄소), CO(일산화탄소), CH₄(메테인), C₆H₁₂O₆(포도당), C₂H₆(에테인), 탄화수소 등과 같은 상당수의 유기물이 탄소 화합물에 해당한다. 그러나 오늘날에는 탄소가 있다고 해서 무조건 유기물이 될 수 있는 것은 아니다. 이것은 일산화탄소는 무기물에 해당되기 때문이다. 따라서 오늘날에는 홑원소물질인 탄소, 산화탄소, 금속의 탄산염, 시안화물·탄화물 등을 제외한 탄소화합물을 총칭한 분자를 유기물로 본다.

질소에는 팔이 3개. 공기의 80%가 질소임. 

생명이 번성하기 위해서 병목현상을 일으키는 물질이 질소임. 

질소(窒素←일본어: 窒素 짓소^[*], 영어: Nitrogen 나이트러전^[*])는 비금속 화학 원소로, 기호는 N(←라틴어: Nitrogenium 니트로게니움^[*])이고 원자 번호는 7이다. 일반적으로 질소원자 두 개가 결합하여 무색, 무미, 무취인 기체 상태로 존재한다. 질소는 지구 대기에서 가장 많은 비중을 차지하며, 또한 지구상의 모든 생명체의 구성물이다. 또한 질소는 아미노산, 암모니아, 질산 그리고 시안화물과 같은 화합물을 구성하는 성분이기도 하다.

산소 O

생명이야기에서 가장 중요한 것은 산소임. 지구상에서 가장 많은 물질

산소가 생명현상에서 중요한 역할. 산소는 전자를 사랑함. 전자를 사랑해서 전자가 혼자있는 꼴을 못봄. 항상 전자를 뺏어옴. 물리적으로 중요한 역할. 

산소가 전자를 가져올때 에너지가 낮아진다는 뜻임. 남은 에너지를 밖으로 내놓게 되고 에너지가 생명현상을 유지하는 근원임. 

세포호흡

생명체는 세포 호흡 과정에서 산소를 사용한다. 전체 과정을 하나의 반응식으로 요약하면 다음과 같다.^[10]

${\displaystyle \mathrm {C_{6}H_{12}O_{6}\ +\ 6O_{2}\ \longrightarrow \ 6CO_{2}\ +\ 6H_{2}O\ +\ E} }$

세포호흡은 크게 해당과정, TCA회로, 산화적 인산화 과정으로 나뉘는데, 이 중 산소가 관여하는 과정은 산화적 인산화과정이다. 해당과정과 TCA회로에서 NAD⁺는 고에너지 전자를 받아 NADH가 된다. 생성된 NADH는 미토콘드리아의 내막에 존재하는 단백질 복합체로 전자를 전달한다. 단백질 복합체에서 전자가 가진 에너지는 ATP를 생성하는 데 사용된다. 마지막으로 전자는 산소로 전달되고 수소 이온과 결합하여 물이 생성된다

생명의 유지 메커니즘

생명의 정의는 어렵지만 자기자신을 유지하려는 본성, 번식, 진화가 중요. 

어떻게 생명은 자신을 유지하는가? 

생명을 유지하는 것

자신을 유지하는 것

자연계에서 자신을 유지하려는 속성이 있음. 

생명과 관련된, 자기유지와 관련된 중요한 물리법칙은 '열역학 제 2법칙'

무질서성이 증가함. 무질서해지려고 함. 엔트로피 법칙임

생명체는 질서를 유지하려는 경향을 가짐. 질서를 유지하려면 에너지가 있어야 함. 

에너지를 유지하지 않고서는 질서를 유지하지 못함. 

에너지의 운용

지구상의 모든 생명체는 핵융합반응의 별(태양)의 에너지를 이용함. 

오직 식물이 태양의 빛을 이용하여 물(H2O)를 산소와 수소로 분해하고 대기중의 CO2와 만나 포도당을 만들고 산소를 내놓음. 

식물의 엽록소는 햇빛을 이용해 포도당을 만들고 쓰레기로 산소를 내놓음. 이것은 지구상에서 일어나는 가장 위대한 화학반응임. 모든 생명체의 출발임. 

광합성

식물의 광합성 과정은 이산화 탄소와 물을 사용하여 탄수화물과 산소를 생성하는 과정이다. 광합성의 전체 과정을 반응식으로 간단히 나타내면 다음과 같다. 반응식에서는 생성되는 탄수화물을 포도당으로 나타내었으나, 정확하게는 포도당뿐만 아니라 다른 탄수화물로도 전환될 수 있는 글리세르알데하이드-3-인산(G3P)이 생성된다.^[8]

${\displaystyle \mathrm {6CO_{2}\ +\ 12H_{2}O\ +\ E\ \longrightarrow \ C_{6}H_{12}O_{6}\ +\ 6O_{2}\ +\ 6H_{2}O} }$

광합성은 크게 명반응과 캘빈 회로로 구성되는데, 산소는 명반응 과정에서 생성된다. 명반응 과정에서 엽록체에 존재하는 수많은 색소 분자는 빛 에너지를 반응 중심에 있는 엽록소로 집결시키고, 이렇게 해서 집결된 빛 에너지는 전자로 전달되어 전자를 에너지적으로 들뜨게 한다. 들뜬 전자의 에너지는 ATP를 생성하는 데 쓰이고, 최종적으로 전자는 NADP⁺으로 이동하여 NADPH를 생성한다. 이후 ATP와 NADPH는 캘빈회로에서 탄수화물을 생성하는 데 사용된다. 이때 필요한 전자는 물을 분해시켜서 얻는다. 물의 분해 결과 산소와 수소 이온이 생성되며 이렇게 해서 생성된 산소는 식물의 기공을 통해서 빠져나가게 된다.^[9]

동물은 식물의 포도당을 먹고 산소호흡을 통해 ATP와 이산화탄소, 물을 내놓음.

엽록소와 미토콘드리아는 산소와 이산화탄소의 순환과정을 만들어냄. 산소를 들이마시고 이산화탄소를 내뱉는 순간이 바로 그 과정임. 이 과정을 호흡이라고 함.

호흡의 과정을 물리학적으로 설명하면 

"호흡은 탄소와 수소가 천천히 연소되는 현상으로 촛불이 타는 것과 모든 면에서 흡사함. 위와 같은 관점에서 숨을 쉬고 있는 동물은 살아있는 연소체임' 앙투안 라부아지에

우리는 숨을 쉬어서 불이 타고 있는 현상임. 

태양도 불타고 있음. 불을 태우는 것이 에너지를 만드는 과정임. 

중력, 위치에너지

사과는 위치에 따라 에너지가 다름. 높은 곳에 있으면 에너지가 큼. 

생명체안에서는 원자가 작동. 

원자에서는 전자기력이 작용함. 

생명체 안에서는 전자의 위치가 바뀌면 에너지가 발생한다는 사실임. 

전자는 거의 항상 산소로 끌려감. 

인체안에는 산소가 많고 산소는 전자를 사랑하며 결합하기 때문임. 

연소반응

메탄(CH4)가스가 산소와 만나서 이산화탄소와 물로 변하는 현상

이때 일어나는 모든 현상은 탄소 주위에 있었는데 .. 반응이 끝나면 산소가 전자를 다 가져감. 전자는 산소쪽으로 끌려감. 에너지가 낮아진 것임. 이런 일이 벌어지면 에너지가 밖으로 나옴.

실제로 우리 몸은 포도당을 태움. 일어나는 일은 전자가 산소와 만나면서 에너지가 나온다는 것임. 

탄수화물과 지방을 비교해보면 산소가 많은 탄수화물은 지방에 비해 에너지가 절반임. 

반응이 일어난다는 것은 탄소-수소를 만나서 이 분자를 쪼개서 연소시킴. 연소과정을 잃으킬 수 있는 물질 '지방' 수소주위에 산소들이 많음. 

가장 에너지가 많은 물질은 옥탄이라는 가솔린임. 탄소주위에 오로지 수소만 있음. 

유기물에서 일어나는 에너지의 관계를 이해한 것임.

실제 세포는 미토콘드리아에서 복잡한 에너지과정이 일어남. 

미토콘드리아에서 실제로 에너지를 만드는 과정은 효소들이 관여. 

효소가 하는 일은 수소를 사용하여 양성자와 전자로 쪼개서 전자를 계속 움직이면서 에너지를 뽑아냄. 저장은 양성자로 저장함. 

미토콘드리아는 막이 2개임. 막사이 공간에 양성자를 농축시킴. 양성자가 농축되면 에너지원이 확보된 것임. 필요할때마다 양성자를 이용해 ATP를 만듬. 양성자는 위험하기 때문에 오직 미토콘드리아만 가지고 있음. 

질문 : 이렇게 복잡한 과정을 누가 지시하고 통제하고 있을까? 

놀랍게도 전 과정은 물리적으로 우연히 일어남. 분자들은 미친듯이 운동함. 분자들은 미친듯이 운동을 하면서 복잡한 과정을 완수함. 이를 위해 두가지가 필요함. 하나는 음식을 공급해야 하고 둘째는 체온을 유지해야 함

자동으로 충분한 확률로 일어남. 

지구상에서 생명체는 어떻게 탄생했을까?

열수분출공 200-300도

수많은 생명체가 살고 있음. 

열수분출공 주위에는 수소이온이 많음(산성물질). 열수분출공에서는 공짜로 에너지가 자연스럽게 만들어지는 환경임. 그래서 아마도 생명탄생이 여기에서 이루어졌을 것임. 

생명체는 양성자의 농도가 있어야 에너지를 만듬. 

생명체는 미토콘드리아 막사이 공간에서 그 환경을 만듬. 

복제

복제는 생명의 중요한 본질 중의 하나임.

복제는 다른 이야기임. 자기를 유지하기 위한 에너지. 복제와 자기 유지는 전혀 다른 차원의 이야기임. 

자신을 외부와 격리시키는 세포막 그리고 유전체가 있어야 함. 

세포막은 다행히 쉽게 만듬. 세포막의 주성분은 지방임. 

문제는 정보를 담고 있는 DNA.

4개의 코돈으로 되어 있음. 원자로 가득차 있음. 

DNA는 마이너스 차지를 띠고 서로 밀어냄. 접힘이 일어나야 세포안으로 들어감. 

어떻게 접히는가?

히스톤단백질을 이용해서 DNA를 감아서 접음. 길이가 100km짜리 실이 접혀있는 것이 유전체임. 히스톤을 떼네는 순간 쉽게 풀림. 그래서 우리가 원할때  DNA를 빠르게 풀어서 사용함. 

DNA를 이용한 복제과정

복제과정에서 오류가 발생함. 

염기 10만개당 1개

오류 수선후 10억개당 1개

ACTG염기 하나하나를 복제해야 하는데 위와 같음

오류수선과정..

예를들어 1cm네고블록 4개를 연결하는데  10억개.  서울에서 뉴욕까지로 연결된 과정에서 단 하나 실수한다는 의미임. 

쉬뢰딩거는 이렇게 정확한 생명현상을 설명하기 위해 은(Ag+)과 염소(Cl-)가 만나면 하얀색 고체가 됨.양자 역학적인 수준에서는 실수없이 일으킬 수 있음. 양자역학적 수준에서는 그것이 큰 에너지를 동반하기 때문에 실수없이 일어날 수 있음. 유전정보가 원자 한두개 수준에서 저장되어 있어야만 한다는 놀라운 통찰을 줌. 

복제는 같은 분자구조를 다시 만들어내는 것임. 

복제하거나 자신을 유지하는 과정이 생명임

최초에 어떻게 복잡한 과정이 만들어져 있을까? 

아직 우리는 알지 못함. 

자기 복제가 가능한 최초의 생명체는 거의 오류없이 .. 생명, 진화로 이어짐..