생명, 경계에 서다 - 양자생물학의 시대가 온다

투린은 비탄력적 전자 터널링 분광법(IETS)에 관한 논문을 본 뒤 코에서도 같은 일이 일어나는 게 아닐까 하고 생각했다고 한다. 이것은 얇은 금속막 두 개 사이에서 전자가 이동(양자 터널링)하면서, 전자가 금속막 사이의 분자와 상호작용하여 얼마의 에너지를 잃었는지를 측정하여 금속막 사이에 놓인 분자의 화학 구조를 분석하는 방법이다.

투린은 자신의 가설을 입증하기 위해, 동일한 화학 구조이지만 수소가 중수소로 치환된 냄새 분자들(화학 구조가 같으나 진동 수가 다름)의 냄새를 확인하는 실험을 설계한다. 이후 여러 다른 과학자들과 함께 사람, 초파리 등의 후각으로 실험한 결과 중수소로 치환된 냄새 분자의 냄새가 다르다는 것을 확인한다. 또한 그들은 화학 구조가 다르지만 진동수가 같은 두 냄새 분자가 같은 냄새로 느껴진다는 사실도 알아낸다. 한 마디로, 후각 수용체가 특정 냄새를 인식하는 메커니즘에 냄새 분자의 진동수가 관여한다는 것을 밝힌 것이다.

2026.04.20. 6장 나비, 초파리, 그리고 양자울새 이번 장에서는 동물들의 자기 수용성 감각에 대해 다룬다. (첨언하자면 미생물과 식물도 자기 수용성 감각을 갖고 있다고 한다.) 동물들의 자기 수용성 감각에 대해서는 이미 오래 전부터 알려져 있었다. 그리고 몇몇 과학자들은 그런 감각을 가진 일부 동물들의 몸에서 자철석을 발견하여 그것이 나침반 역할을 할 거라고 추측했다. 하지만 이는 모든 생물의 자기 수용성 감각을 설명하지 못한다. 일부 동물에만 해당되는 내용이다. 자철석 없이 지구 자기장을 인식하는 동물들은 빛을 통해서 자기장을 감지한다. 빛이 눈에 있는 크립토크롬 단백질의 어느 전자를 떨어져 나가게 하고, 이 빈 자리에 인접한 다른 단백질 분자에서 전자가 들어오는데, (여기서부터는 과학자들의 추측이다) 이 전자는 원래 얽혀 있던 다른 전자와 여전히 얽힘 상태를 유지하고 있을 수 있다. 또한 이 전자들은 일중항 스핀과 삼중항 스핀이 중첩된 상태로 있을 수 있다. 이러한 상태는 매우 불안정하고 민감해서 약간의 자극(자기장)으로도 이쪽, 혹은 저쪽으로 화학반응이 진행되어 최종적으로 다른 조성의 결과물을 만들어낸다. 그리고 이것이 동물들로 하여금 (지구)자기장의 방향을 인식하게 만드는 것 같다. 과학자들은 이러한 능력을 가진 동물들이 아마도 자기장을 눈으로 '볼' 거라고 추측한다. 이것은 동물들이 빛을 보지 못하게 만들었을 때 방향 감각을 상실하는 것으로 증명되었다. 그리고 자철석과 같은 종류가 아닌 일중항/삼중항 스핀 중첩 같은 화학적 나침반을 사용한다는 증거는 이 동물들이 자석을 진동시켜 만든 높은 진동수의 자기장이 방향 감각을 교란시킨다는 것에 있다.

이번 장에서 중요하게 여겨지는 양자역학적 특성은 중첩과 얽힘이다. 중첩은 한 입자가 여러 상태로 동시에 있다는 것. 얽힘은 그러한 두 입자가 서로 쌍을 이루고 있어서, 한 입자가 관측되어 상태가 확인되면(파동함수 붕괴), 나머지 입자를 관측하지 않아도 그 상태가 결정된다는 것. (아무리 거리가 멀리 떨어져 있어도 작동되는 현상) 그리고 이번 장에서는 일중항 스핀과 삼중항 스핀이라는 개념을 소개한다.

연구자들은 놀라운 사실을 밝혀냈다. 하지만 아직 갈 길은 멀다. 일단 그런 화학반응의 결과적 조성이 어떻게 방향 감각과 이어지는지를 더 연구해야 한다. 어쨌거나 생물학과 양자역학이 접목되어 가는 현실이 경이롭다. 앞으로 얼마나 더 많은 새로운 사실들이 밝혀질지 기대된다.

7장 양자 유전자. 이번 챕터에서는 이 책의 저자인 짐 알랄릴리와 존조 맥패든이 하고 있는 연구를 소개한다. 그들의 연구는 유전자의 돌연변이, 특히 적응 돌연변이 (돌연변이가 무작위로 일어난다는 전통적 관점과 달리, 환경의 변화가 돌연변이율을 증가시킨다는 이론)가 생기는 이유가 양자역학, 그 중에서도 DNA의 염기쌍을 이루는 수소결합의 호변이성체의 비대칭적 중첩 때문이라는 가설을 입증하는 것이다. DNA의 서열은 아데닌, 구아닌, 시토신, 티민이라는 A, G, T, C라는 염기의 쌍으로 이루어져 있다. A-T, G-C 이렇게만 결합하는데 이 결합은 두 분자 사이의 수소를 공유하는 수소결합으로 이루어져 있다. 수소결합은 내가 화학 시간에 배운 기억에 의하면 공유결합보다는 약하지만 반 데르 발스 힘보다는 세다. 그래서 잘 떨어지기도 하고 잘 붙기도 한다. 이것은 DNA에 꼭 필요한 성질인데, 왜냐하면 DNA는 평소에 염기들이 잘 붙어 있다가 복제나 전사를 할 때에는 두 가닥이 서로 떨어져야 하기 때문이다. 그러다 그 작업을 마치면 다시 재빨리 원래대로 붙어야 한다. 이 책의 저자들은 그러한 수소결합이 딱 대칭이 아니라, 어느 한쪽 분자 쪽으로 약간 치우친 비대칭 상태에서 균형을 이루고 있다고 한다. 이걸 저자들은 표준 형태라고 부른다. 그리고 그것의 반대인 비대칭 상황, 즉 수소가 다른 쪽 분자로 더 치우친 상태를 호변이성체라고 부른다. 이 두 가지의 결합 형태는 양자적인 중첩 상태로서 존재하는데, 그 말인즉슨 이 염기쌍이 양자역학적으로 측정되어야 그러한 비대칭을 나타낸다(파동함수 붕괴되어 특정 결합 상태를 선택함)는 것이지, 평소에 그러한 상태로 있다는 것을 의미하지는 않는다. 다시 말하자면, 평소에는 두 염기 분자 사이의 수소결합은 두 상태로 중첩되어 있다. 하지만 DNA사슬이 갈라져서 복제가 될 때는 두 상태 중 하나를 선택해야 한다. 이때 보통은 확률이 높은 표준 형태가 선택되지만 아주 낮은 확률로 호변이성체 상태가 선택된 채로 DNA 사슬이 갈라질 수 있다. 이때 문제가 발생하는데, 이렇게 되면 A는 DNA중합효소가 그곳에 염기를 갖다 붙일 때 T가 아닌 C와 결합하고, T는 A가 아닌 G와 결합하기 때문이다. 그렇게 결합하는 게 에너지가 더 낮고 안정적이라고 한다. 정말로 이런 일이 일어난다면 이후 복제된 DNA 사슬은 염기서열이 달라지게 된다. 돌연변이가 되는 것이다. 이것은 환경이 변화했을 때 어떤 돌연변이가 미리 존재하지 않았어도 단지 환경의 변화만으로 돌연변이가 생기는 이유를 설명할 수 있다. 염기쌍 간의 수소 결합이 중첩 상태로 존재해서, 아주 낮은 확률이지만 언제든 돌연변이가 될 가능성이 있고, 실제로 돌연변이가 일어났을 때 하필 환경에 변화가 일어났고, 그것이 적응 가능한 돌연변이라면 살아남아 후대에 전달되는 것이다. 이 이론은 이제 막 떠오르는 연구 분야인 듯하다. 그래서 연구자들도 실험적 증거를 그리 많이 보여주지 못하고 지금 현재 연구 중인 결과를 소개하고 있다. 존조 맥패든은 실험을 하고 짐 알칼릴리는 계산을 하는 모양. 앞으로 많은 연구가 필요하지만 언젠가는 수많은 실험적 증거를 찾아내지 않을까 생각된다. 사실 화학이 궁극적으로는 양자역학이라는 걸 생각하면 그렇다. 그리고 생화학 또한 화학이므로. 어떤 분자 간의 결합과 분리는 두 분자 사이의 전자들의 상태와 움직임으로 인해 일어나는 것인데, 그것은 곧 양자역학의 세계이다. 다음 장의 제목은 '마음'이다. 제목으로 봐도 그렇고 대충 훑어 봐도 의식을 어떻게 양자역학으로 연구하는지를 소개하는 듯하다. 내가 지금 병렬 독서 중인 로저 펜로즈의 <마음의 그림자>가 책 한 권을 들여 설명하는 내용이 다음 챕터에서 소개될 것이다. <마음의 그림자>는 이제 7장 양자론과 두뇌를 읽을 차례인데 그걸 먼저 읽어봐야 할 듯 하다.

2026.04.21. 7장. 양자론과 두뇌. 이번 챕터에서는 인간의 의식에 양자역학이 어떻게 연관되어 있는가를 얘기한다. 우선 저자는 뉴런 세포가 어떻게 신호를 전달하는지를 설명한 다음, 내가 병렬 독서 중인 로저 펜로즈의 조화된 객관 환원 이론에 대해 소개하며 이를 조목조목 반박한다.

이 책의 저자는 뇌에서 양자역학적 현상이 일어날 가능성이 있는 곳으로 뉴런 세포막의 이온 통로를 꼽고 있다.

이러한 이온 통로의 기능 덕분에 뉴런의 점화와 정보의 전달이 빠르게 일어나는데 이것이 의식의 발생에 어떠한 역할을 하는지 저자는 묻고 있다. 그 과정에도 양자 역학이 어떤 역할을 하는지 말이다. 저자들은 그럴 수 있을 거라고 주장한다. 뇌 전체가 일으키는 전자기장이 그런 역할을 수행할 것이라는 것이다. 그들은 이것을 전자기장 의식 가설이라고 부른다.

9장. 생명은 어떻게 시작되었는가. 나는 이런 얘기를 원해 왔다. 생명은 어떻게 시작되었는가. 이 장에서는 이 우주에 생명에 생겨나는 데에 양자역학이 어떤 역할을 했는지도 모른다는 주장을 하고 있다. 원시 수프 가설, RNA 세계 가설 등등은 그간 많이 들어왔으나 중요한 한 가지는 해결되지 않았다. 도대체 그 복잡한 최초의 자기복제가가 어떻게 그 작은 화률을 뚫고 생성되었는가? 이 책의 계산에 의하면 단순히 분자A와 분자B가 만나서 분자AB가 생견나다는 고전적인 인식으로는 리보자임 같은 자기복제자가 일어날 확률은 엄청나게 낮다. 그럴 일이 일어날 수 없다고 봐도 될 정도로 낮다. 하지만 양자 터널링과 양자 중첩을 생각하면 이야기가 달라진다. 앞서 효소가 양자 터널링을 일으킬 수 있다는 얘기로부터 자기복제자 후보 물질도 분자 내부의 전자나 양성자의 양자터널링을 통해 여러 형태로 중첩된 채 존재할 수 있다고 가정한다면 (수소 결합을 통해서다. 그리고 그러한 중첩과 결어긋남의 과정은 가역적이다) 이 분자가 자기복제자 기능을 하는 형태를 취하는 것은 얼마든지 가능하다. 그리고 하필 그러한 형태일 때 결맞음이 깨지면서 자기복제를 시작한다면? 아직까지는 추측에 불과하지만, 따라서 이를 뒷받침하는 계산과 실험적 증거가 필요하지만, 단순히 원시 수프에서 복잡한 구조의 생명 분자들이 생겨났을 거라는 막연한 상상보다는 훨씬 논리적인 이야기인 것 같다.(원시수프같은 오만가지 물질이 뒤섞인 상태에서는 단백질이나 DNA 합성 같은 정제된 반응이 일으나기 힘들다) 만약 이게 입증된다면 RNA 세계 가설은 가설이 아니라 이론이 될 지도 모른다. 생체 분자 중에서 분자 내에 유전 암호를 지닌 채로 스스로를 복제하는 효소 역할을 하는 것은 리보자임밖에 없기 때문이다. DNA도 단백질도 스스로를 복제하지 못한다. 복제를 위해서 서로서로가 필요하다. 마치 닭과 달걀의 문제 같다. DNA가 먼저인가? 단백질이 먼저인가? 하지만 리보자임은 RNA이기 때문에 분자 구조 자체로써 유전 암호를 지니고 있으면서, 효소의 역할을 하기도 한다. 그런데 하필 그 효소의 기능이 RNA합성에 관여하는 거라면 스스로를 촉매로 써서 자신과 똑같은 RNA 가닥을 복제하는 게 가능하다. 하지만 고전적인 물리, 화학적인 시각에서 봤을 때는 원시 수프 속에서 리보자임 같은 정교하고 거대한 태어날 확률은 너무나도 낮다(위에 언급한 것처럼) 여기서부터는 내 생각. 최초의 자기복제자는 리보자임처럼 거대하지 않았는지도 모른다. 아주 작은 분자에서부터 큰 분자로 진화했는지도 모른다. 리보 핵산 한 두 개 정도의 단위에서부터. 이렇게 보니 양자역학이 여기서도 쓰이고 저기서도 쓰이고 만능이자 구세주처럼 보이는데 사실 어찌 보면 당연한 문제다. 우주 자체가 양자역학적으로 태어났기 때문에.