물리학으로 풀어보는 생명현상

생명이란 무엇인가 - 물리학자의 관점에서 본 생명현상 ㅣ 한울과학문고 2
에르빈 슈뢰딩거 지음, 서인석 외 옮김 / 한울(한울아카데미) / 2011년 9월

지난 금요일 원주 오크밸리에서 열린 한국독성병리학회 학술대회에서 원주 연세의대 병리학교실 박광화교수님께서 발표하신 <면역학 개론> 가운데 인상이 강하게 남았던 것이 있습니다. 외부로부터 들어온 다양한 항원과 접촉한 B세포의 일부가 기억세포로 변환하여 그 정보를 갈무리한다는 것인데, 이처럼 다양한 항원의 정보를 기억할 수 있는 것은 바로 B세포가 면역글로블린 유전자를 재조합과 재배열하는 방식을 통해서 가능하다는 것입니다. 흥미롭게도 48매의 화투장을 들고 고스톱을 칠 때 같은 패를 쥘 확률도 매우 낮을 뿐만 아니라 판이 시작될 때부터 끝날 때까지 꼭 같을 확률은 제로에 가까울 정도인 것처럼 B세포의 면역글로블린 유전자의 재조합과 재배열을 통하여 엄청난 숫자의 항원의 정보를 갈무리할 수 있다는 설명이었습니다. 아주 일부에 불과하지만 생명현상이란 참으로 경이롭다는 생각을 하게 됩니다.

진화론을 거슬러 올라가다보면 생명의 기원이 무기물에까지 이르게 되는데 과연 무기물로부터 생명체가 탄생할 수 있을까 하는 의문에 어렴풋한 해답을 얻을 수 있었던 것은 리처드 도킨스의 <이기적 유전자; http://blog.joinsmsn.com/yang412/12583563>였습니다. 자외선이 넘치고 전기 방전이 잦던 원시지구에서 단순한 구조의 화합물이 서로 작용하여 복잡한 분자들이 만들어지고 이러한 유기물이 들어있는 원시수프에서 어느 날 스스로를 복제하는 능력을 가진 분자, 즉 자기 복제자가 생겨났다는 것입니다.(리처드 도킨스, 이기적 유전자 58쪽) 최초의 자기복제자는 발전을 거듭하여 오늘날의 DNA가 되었다는 것인데, 후쿠오카 신이치교수는 <생물과 무생물 사이; http://blog.joinsmsn.com/yang412/10012343>에서 바로 DNA가 생물인가 혹은 무생물인가를 아주 흥미롭게 논의하고 있습니다.

신이치교수가 “생물이 살아있는 한 영양학적 요구와는 무관하게 생체고분자든 저분자 대사물질이든 모두 변화하지 않을 수 없다. 생명이란 대사의 계속적인 변화이며, 그 변화야말로 생명의 진정한 모습이다.”라고 한 쇤하이머의 <신체 구성 성분의 동적인 상태>라는 생명관을 인용하고(후쿠오카 신이치, 생물과 무생물 사이 143쪽) DNA보다는 세포내에서 만들어지는 단백질에 의하여 결정되는 것이 실제적인 생명현상이라는 자신의 관점을 밝히고 있습니다. 그래서 그는 바이러스를 생물이라 정의하지 않는데 그 이유는 ‘생명이란 자기 복제를 하는 시스템이다.’라고 정의하는 것으로는 불충분하다고 생각하기 때문입니다.

서두가 길어졌습니다. 오늘 소개하려는 텍스트는 ‘물리학자의 관점에서 본 생명현상’이라는 부제가 달린 <생명이란 무엇인가>입니다. 바로 신이치교수의 <생물과 무생물 사이>에서 적지 않은 페이지를 할애하여 인용하고 있는 책이기도 합니다. <생명이란 무엇인가>를 쓴 에르빈 슈뢰딩거는 오스트리아의 물리학자로 위키백과는 “원자 구조론, 통계 역학, 상대성 이론 등, 여러 방면에 걸쳐 이론 물리학적 연구 업적이 있다. 그 중에서도 드 브로이의 전자의 파동 이론을 발전시켜 슈뢰딩거 방정식을 수립함으로써 파동 역학을 수립했으며, 하이젠베르크의 행렬 역학과의 형식적 동등성을 1926년에 증명하여 양자 역학이 발전할 수 있는 길을 텄다. 이러한 업적으로 1933년에는 노벨 물리학상을 받았다.”고 설명하고 있습니다.

DNA의 이중나선구조를 밝혀낸 공로로 1962년 의학생리학부문의 노벨상을 수상한 제임스 왓슨, 프랜시스 크릭 그리고 모리스 윌킨스 등이 모두 생명의 비밀을 탐구해보려는 결정적 계기가 되었던 책이 바로 에르빈 슈뢰딩거가 쓴 <생명이란 무엇인가>였다고 합니다. “현재의 물리학이나 화학이 그러한 생물학적 사건들을 분명히 설명할 수 없다고 해서 앞으로 이들 과학이 그 문제들을 해명할 것이라는 사실을 결코 의심할 수 없다는 점이다(28쪽)”라는 슈뢰딩거의 예언에 필이 꽂혔던 것이었을까요?

이 책을 옮기신 서인석, 황상익교수님들께서도 “(책의) 내용적 의미는 50년이라는 세월 속에서 많이 퇴색하였고 그의 여러 가지 오류에 대해서도 이미 많이 지적된 바 있지만 인간과 생명과 우주에 대한 슈뢰딩거의 끝없는 관심과 사랑, 그리고 세계를 총괄하여 설명해보려는 그의 치열하고도 야심에 찬 탐구정신은 오늘날에도 생생하게 살아남아 있다.(12쪽)”고 적고 있습니다.

재미있는 점은 10년의 세월이 흐른 다음 이 책을 중판하면서는 “(이 책의) 발간 이후 지난 60년 가까운 세월 동안 생명에 관해 엄청나게 많은 새로운 사실이 발견되고, 또 실험을 통해 확인되었다. 그러나 ‘생명이란 무엇인가’라는 질문에 대한 대답은 크게 나아진 것 같지 않다. 오히려 새롭게 발견된 사실에 파묻혀 더욱 미로(迷路) 속을 헤매는 느낌이 들기도 한다.(6쪽)”고 아리송한 느낌을 들게 만들고 있습니다. 저는 치매와 같은 신경계의 퇴행성질환에 관심이 많습니다. 어느 해 참가한 국제학회에서 치매라는 분야의 연구성과를 설명하면서 화면을 가득 채운 블랙박스를 제시하면서 “치매에 관하여 무지한 상태였는데 그 동안의 연구를 통하여 이 박스를 열 수 있었습니다.”라면서 다음 슬라이드로 넘어갔는데, 다음 슬라이드는 처음의 블랙박스보다 크기가 작아진 세 개의 블랙박스를 보여주는 것이었습니다. 치매는 여전히 오리무중이라는 재치있는 표현이었지요.

이 책의 주제는 “물리학으로 생명현상을 설명할 수 있을까?”하는 것입니다. 물리학자와 생물학자 양쪽 모두에게 근본적인 것이면서도 생물학과 물리학 사이에서 해결 안된 개념들을 분명하게 하려는 것이 저자의 의도라고 한다면, 슈뢰딩거는 최근에 화두가 되고 있는 학문간의 통섭 혹은 융합에서의 전형적인 모형을 이미 60년 전에 제시한 셈입니다. 스스로를 낮춰서 ‘유기체에 대한 물리학자의 소박한 개념’이라고 하면서도 유기체가 행동하고 기능을 수행하는 방식에 대하여 자신이 공부한 것(물리학), 즉 단순하고 명백하며 그리고 변변치 않은 자기의 과학적 관점이 그 문제해명에 어떤 적절한 기여를 할 수 있을까 고민을 해보았는데, 결론은 “해낼 수 있다는 결론에 도달했다.(31쪽)”고 과감히 고하고 있습니다.

1부의 ‘주제에 대한 고전물리학자의 접근’에서는 생명현상을 설명하는 물리학적 방법론을 예시하고 있습니다. 원자의 크기가 얼마나 되는지 독자들을 일깨운 다음, 유기체의 작용은 물리법칙을 정확하게 따르고 있다는 것을 설명합니다. 그 물리법칙들은 원자통계학에 의존하고 있으며 다만 근사적일 수 있다고 설명하면서 상자성(常磁性), 브라운 운동과 확산 그리고 정확한 측정의 한계를 보기로 들고 있습니다.

이 책에 부록으로 더해진 영국의 철학자 로버트 올비교수에 따르념 슈뢰딩거는 이 책을 통하여 생명현상에 대한 다음과 같은 근본적인 문제를 제시하고 설명하고 있습니다. 첫째, 생명은 스스로의 구조를 파괴하려는 경향에 대해 어떻게 저항하는가? 둘째, 생명체의 유전물질은 어떻게 불변인 채로 유지되는가, 셋째, 이 유전물질은 어떻게 그리도 충실하게 그 자체를 재생산해낼 수 있는가? 그리고 넷째, 의식과 자유의지의 본질은 무엇인가? 등입니다.

저자는 원자의 크기를 예시하면서 유전물질은 원자들로 구성되었을 것이라는 점, X선 조사 등에 의하여 생기는 돌연변이가 구성원자의 변이로 나타날 것이라든가 단일사건 혹은 국소성으로 일어나기 때문에 이를 차단하려는 노력이 필요할 것이라는 점도 지적하고 있습니다. 유전물질을 구성하고 있는 분자들의 상호작용은 양자론으로 설명할 수 있다는 자신감을 보이기도 합니다.

저자는 “수정란의 핵과 같이 그렇게 작은 물질 속에 어떻게 유기체의 발달에 관한 비밀이 담겨 있는 정교한 부호가 들어 있을까 하는 의문이 자주 제기되어왔다.(129쪽)”고 의문을 제기하면서 모르스 부호의 예를 들고 있습니다. “25개 기호의 조합만을, 그리고 가정한 다섯 가지 유형들을 각각 정확히 5개 갖는 5점, 5선 등의 조합만을 채택하면 조합의 수는 62조 330억이 된다.(130쪽)” 엄청난 경우의 수가 되기 때문에 매우 복잡하고 특수한 발달계획에 정확하게 대응할 수 있을 것이라고 설명합니다. 처음에 예를 들었던 B세포의 기억세포가 다양한 항원에 대한 정보를 유전자 재조합과 재배열방식을 통하여 갈무리할 수 있는 것과 동일한 방식의 설명입니다.

생명의 특징인 살아있다는 것을 설명하기 위하여 저자는 열역학적 평형상태, 즉 ‘최대 엔트로피’ 상태라는 개념을 도입하고 있습니다. 무생물체는 통상적으로 아주 빠르게 이런 상태에 도달하게 되는데, 살아 있는 물체 즉 생물체는 평형으로 이행되는 것을 피해야 한다는 것입니다. 생물체는 계속해서 자체 내의 엔트로피를 증가시키는데 그 결과 최대 엔트로피의 위험한 상태에 접근할 수밖에 없게 되므로 이런 상황을 피하기 위하여 외부로부터 섭취하는 음의 엔트로피로 평형을 유지할 수 있다고 저자는 설명하고 있습니다.

이와 같은 설명에 대하여 신이치교수는 슈뢰딩거의 오류라고 지적하고 있습니다. “생명은 음의 엔트로피를 위해 음식물에 함유된 유기 고분자의 질서를 섭취하는 것이 아니다. 생물은 소화 과정에서 단백질이든 탄수화물이든 유기 고분자에 함유되어 있을 질서를 잘게 분해하여 거기에 함유된 정보를 아낌없이 버린 후에야 흡수한다. 왜냐하면 그 질서란 것은 다른 생물의 정보에 들어있건 것이며 자기 자신에게는 노이즈가 될 우려가 있기 때문이다.(후쿠오카 신이치, 생물과 무생물 사이 132쪽)” 신이치교수의 설명에 의하면 섭취를 통하여 엔트로피의 증대를 되돌리는 기전을 설명한 슈뢰딩거의 아이디어는 훌륭한 것입니다. “질서는 유지되기 위해 끊임없이 파괴되지 않으면 안된다.”고 했던 루돌프 쇤하이만의 주장을 인용하여 신이치교수는 “생명이란 동적 평형상태에 있는 흐름이다.”라고 정의할 수 있다는 것입니다.

한울문고에서 나온 <생명이란 무엇인가>의 독특한 점은 1943년 2월 더블린의 트리니티 칼리지에서 슈뢰딩거가 행한 몇 차례 강연의 원고를 묶어 1944년에 발간된 텍스트에 더하여 영국 리즈대학교 철학과 로버트 올비교수가 1971년 생물학사학회지에 발표한 논문 “슈뢰딩거의 문제점-생명이란 무엇인가?”를 부록으로 덧붙이고 있다는 점입니다. 슈뢰딩거가 논의한 내용의 의미와 의의를 이해하는데 도움이 될 것으로 생각한 때문이라는데, 올리교수의 어떤 지적에는 수긍할 수 있지만 어떤 점은 지나치다 싶은 점도 있습니다. 올비교수는 엔트로피의 문제에 있어서는 신이치교수처럼 비판적인 논지를 펼치고 있지만, <생명이란 무엇인가>의 중심을 이루고 있는 유전물질의 영속성을 설명하기 위하여 화학적 부호를 고안해서 설명하고 있는 부분에 대하여 공감하고 있습니다. 현재까지 이 분야에서의 발전을 보면 슈푀딩거의 착안의 탁월함을 엿볼 수 있는 부분이라 생각합니다.

올비교수는 세포의 생물학을 화학과 물리학으로 환원하고 있는 분자생물학에 대하여 지나치게 분석적이라는 점을 지적하고 있습니다. 올비교수가 분석한 <생명이란 무엇인가>에 담고 있는 슈뢰딩거의 참된 목적은 “세포의 특별한 계층적인 조건들에서 ‘질서로부터 질서’ 법칙을 발견하겠다는 것(233쪽)”이었는데, 와트슨과 크릭과 같은 물리학자들에게 흥미의 대상이 되지 못했던 것이 아이러니가 아닐 수 없다는 것이며, 결과적으로는 분자생물학의 발전에 기여했다는 것입니다.

끝으로 물리학에 대한 앎이 일천한 까닭에 슈뢰딩거교수의 심오한 물리학적 설명을 제대로 이해하지 못했다는 고백을 덧붙입니다.