과학 영역을 넘나들며 경계를 허물다

과학의 개념어들 - 물리학, 화학, 생명과학 개념의 교차와 연계로 과학 이해의 스펙트럼을 넓히다 ㅣ 개념어 시리즈
김현벽.최은영.권창섭 지음 / 사람in / 2024년 10월

과학의 개념어들 

물리학, 화학, 생명과학 개념의 교차와 연계로 과학 이해의 스펙트럼을 넓힌다. 과학의 대중화를 위해 과학자들의 연구 분야에서 쓰는 개념을 제대로 이해할 수 있다면, 과학 현상의 이해도 그만큼 깊어질 듯하다. 물리학은 김현벽, 화학 최은영, 생명과학(생물학) 권창섭 이 세 명의 저자는 카이스트 부설 한국과학영재학교에서 과학 영재들을 가르치고 있다.

과학 자료가 넘쳐나는 시대, 온라인 정보 또한 단순한 정보, 얇게 넓게 아는 지식(?) 아무튼 상식 수준에서는 읽고 해석하기가 어려울 만큼, 이른바 지평이 확장된 상태다. 이 책<과학의 개념어들>은 단편적인 지식, 부분적인 정보를 한데 묶어주고 과학적 개념을 세 가지 관점에서 분석, 학문 간의 융합, 공통의 이해로 개별 개념보다는 전체 틀 속에서 볼 수 있는 시각을 기를 수 있을 듯하다. 

책 구성은 16장이고, 1장 에너지, 화학반응, 2장 엔트로피, 화학반응의 자발성, 깁스 자유에너지 등을 비롯하여 고분자, 산과 염기, 화학전지, 2차전지, 생물 연료 전지 등 동력을 얻는 것과 물질대사, 효소 촉매, 광합성 양자생물학, 인공광합성, 발효, 생명복제, 암세포, 암치료, 항암제 등, 우리 일상과 아주 긴밀하게 연결된 과학 현상과 원리들이 담겨있는 “과학 교양 사전”이라고 해도 좋을 듯하다. 책 구성과 내용의 성격상 관심 있는 곳부터 읽어도 된다. 

“에너지”, 물리학의 관점

개념어는 에너지, 생기론, 물활론 애니미즘이란 고대의 통찰은 물론 증기기관, 에너지보존법칙, 라디오 주파수, 적외선, 자외선, 분광학까지 40여 개가.

에너지는 분야를 막론하고 과학기술 전체를 아우르는 보편적, 실용적이며 아주 추상적인 개념이다. 개념의 출현은 환경에 대한 원초적인 관찰 사실과 관련되는데 바로 ‘우주는 역동적’이라는 것, 고대 그리스 철학자 헤라클레이토스의 ‘같은 강물에 두 번 발을 담글 수 없다’라는 만물 유전 사상, 자연의 역동성에 관한 통찰이 고대부터 존재했다. 그 가운데 ‘생명’은 자연의 역동성이 드러난 현상 중 가장 신비로운 형태다. ‘생명’을 어떻게 정의할 것인지, 신비스러운 만큼 어렵다. 다만, 생명의 여러 측면을 제시, 전체적으로 볼 수밖에 없다는 것이다. 

고대인들의 생기론, 물질을 아우르는 물활론과 애니미즘 사상을 통해 물질 너머의 것, 정신이나 영혼 등에서 생명의 본질을 찾았다. 이러한 움직임은 근대과학이 싹트기까지 이어졌다. 

물질의 역동성을 이용한 연금술, 목적은 ‘황금’을 얻는 것이었지만, 더 큰 목적은 ‘영생’, 즉 생명의 본질을 구하려는 욕망과 크게 다르지 않았다. 만물의 근원이 무엇인지.

근대과학과 현대과학으로 이어지는 과정에서 에너지에 관한 생각들이 점차 바뀌게 되지만, 에너지는 현상의 잠재성과 역동의 가능성에 맞추어 변화에 따르는 것이고, 힘은 이러한 변화의 메커니즘 혹은 구체적 실현 방법에 가깝다. 에너지를 실제 실현한 것이 힘…. 여기까지는 상식적으로 이해 가능 수준이다. 한 걸음 더 나아가서 예컨대 인공위성을 달 궤도에 올릴 때 어느 정도 에너지가 필요한지는 계산해낼 수 있지만, 궤도에 올리기 위해서는 중간 과정에서 힘과 돌림힘을 조정해야 하는데, 여기에 핵자들의 결합상태가 변화하도록 중간 과정을 유도하고 조정할 방법을….

에너지, 화학의 관점

에너지와 화학반응은 밀접한 관련이 있다. 화학반응은 물질들이 반응하여 원자나 분자가 재배열되어 새로운 물질을 만드는 과정이다. 이때 반응하는 물질과 생성되는 물질의 에너지가 다르므로 에너지 변화가 필연적이다. 에너지는 화학변화의 근본적 원동력으로서 새로운 화학 생성물을 형성하고 물질의 상태 변화에 중요한 역할을 한다. 또한, 에너지의 흡수 및 방출은 분자의 진동과 회전 상태를 변화시키므로 그 구조와 성질을 규명하는 데 사용할 수 있다. 

우리가 화학반응을 통해 사용하는 주요 에너지 원료에는 석유, 석탄, 천연가스, 바이오매스 등이 있다. 유기체가 죽어서 묻혀 있는 동안 자연적으로 형성된 석유는 휘발유와 천연가스 공급원으로, 천연가스의 주성분인 메테인은 대기에 존재하는 온실가스로 태양으로부터 오는 열을 흡수하여 대기의 온도 상승을 유발, 환경의 균형을 깨는 주범, 

생명체의 물질대사, 생명과학의 관점

엔트로피를 에너지로 착각하기 쉽다. 에너지가 높은 상태의 물체와 에너지가 낮은 상태의 물체가 에너지 평형을 이루면서 에너지가 높은 상태의 물체가 에너지 평형을 이루면서 높은 상태의 물체가 에너지를 잃을 때 지역적으로 물체의 무질서도가 감소할 수 있기 때문이라는 게 물리학과 화학적 관점인 데, 생명과학의 관점에서는 생명체의 물질대사가 중요한 역할을 한다.

생명체의 대표적인 특징 중 하나는 성장과 발달이다. 생명체의 구조를 성장시키고 복잡성을 증가시켜 질서를 강화하는 과정으로 엔트로피가 감소하는 방향으로 진행된다. 역설적으로 보이는 현상이 어떻게 가능할까?, 인간과 같은 생명체의 성장과 발달 자체는 엔트로피가 감소하는 방향으로 진행되지만, 외부환경의 엔트로피를 더 크게 증가시키므로 인간을 포함한 우주 전체의 엔트로피는 끊임없이 증가한다고 볼 수 있다. 생명체는 외부환경의 변화에도 불구하고 내부 상태를 일정하게 유지하는 항상성 유지의 특성이 있다. 우리 몸에 다당류인 글리코겐을 분해하여 단위체인 포도당으로 만드는 반응은 엔트로피 증가를, 반면 포도당을 중합하여 글리코겐을 합성하는 반응은 엔트로피 감소한다. 

이 책은 쉽게 쓰인 듯하면서도 이해하는 데는 다소 시간이 걸린다. 개념에 따라 물리학, 화학의 관점 혹은 화학과 생명과학의 관점에서의 접근 등을 따로 설명하기에 그렇다. 지은이들이 서문에서 밝힌 것처럼 개념의 파편화를 피하면서 학문 사이, 개념 사이의 ‘이웃함’ 즉, 과학 영역을 넘나들며 경계를 허물기를 지향하는 시도라는 점에서 다소 거칠거나 충분치 못한 부분 등이 있음을 그 한계로 적고있다. 분야별 색채가 강한 분야에서는 그렇지 못하다. 여전히 따로 노는 듯한 느낌이다. 그럼에도 집필 의도는 학제 간의 융합이라는 점, 각 분야의 지식과 통찰의 공유가 의미가 있음은 꽤 중요하다. 과학의 개념어들 후속편이 나오기를 기대한다.

<출판사에서 보내준 책을 읽고 쓴 리뷰입니다>