생명, 경계에 서다 - 양자생물학의 시대가 온다

“ 측정에는 어떤 특별함이 있기에 양자적 행동을 일반적인 행동으로 바꾸는 것일까? 이문제에 대한 해답은 우리 이야기에서 중요하다. 측정은 양자세계와 전통적 세계의 경계선에 위치한 양자적 경계이기 때문이다. 이 책의 제목에서 짐작했겠지만, 우리는생명도 이 경계에 있다고 주장한다. ”

“ 유럽 울새는 야간에 이동하지만, 체내의 나침반이 활성화되려면 (가시광선 스펙트럼에서 파란색 근처의) 빛이 소량 필요하다. 이것은 나침반의 작용을 위해서는 울새의 눈이 중요한 역할을 한다는 것을 암시한다. (...) 슐텐은 동물의 눈에서 발견되는 크립토크룸cryptochrome이라는 특이한 광수용체에 관한 논문을 읽고 좋은 생각이 스쳤다. 크립토크롬은 유리기 쌍을 만들어낼 가능성이 있는 단백질로 알려져 있었기 때문이다. (...) 리츠는 연구 주제를 자기 수용 감각으로 바꾸고, 2000년 슐텐과 함께 <새의 자기 수용 감각을 토대로 한 광수용체 모형 A Model for Photoreceptor-Based Magnetoreception in Birds>이라는 제목의 논문을 발표했다. 이 논문은 크립토크롬이 어떻게 새의 눈에 양자 나침반을 제공할 수 있는지를 설명했다. 4년 뒤 리츠는 빌치코 부부와의 유럽울새에 대한 공동 연구를 통해서, 새가 양자 얽힘을 이용해 길을 찾는다는 학설을 뒷받침하는 최초의 실험적 증거를 내놓았다. 슐텐은 줄곧 옳았던 것으로 보인다. 영국에 본사를 둔 권위 있는 과학 잡지인 <네이처>에서 발표된 그들의 2004년 논문은 엄청난 관심을 불러일으켰고, 조류의 양자 나침반은 곧바로 양자생물학이라는 새로운 과학 분야의 상징이 되었다. ”

“ 슈뢰딩거는 열역학의 법칙과 같은 정확하며 반복적인 증명이 가능한 고전물리학과 화학 법칙들이 사실은 통계적 법칙이라는 것을 알고 있었다. 이런 법칙의 핵심인 원자와 분자의 무작위 운동은 평균적으로만 옳고, 이 법칙을 신뢰할 수 있는 까닭은 대단히 많은 수의 입자가 상호작용을 하기 때문일 뿐이었다. (...) 열역학은 이런 식으로 작동한다. 개개의 분자가 아닌, 무수한 분자의 평균적인 행동을 예측하는 것이다. 슈뢰딩거의 지적에 따르면, 열역학 같은 통계적 법칙은 소수의 입자로만 구성된 계를 정확하게 묘사할 수 없다. (...) 풍선의 단일하고 연속적이며 탄력 있는 표면에서 일어나는 질서정연한 운동은 대단히 많은 입자의 무질서한 운동으로부터 나오기 때문이다. 슈뢰딩거는 이것을 무질서 속의 질서라고 표현했다. ”

“ 슈뢰딩거는 미시세계에서는 고전물리학의 통계적 법칙에 의존할 수 없다는 사실을 단순히 관측만 한 것이 아니라, 더 나아가 법칙에서 벗어나는 정도가 입자 수의 제곱근에 반비례한다는 것을 정확히 계산해냈다. (...) 고전물리학의 통계적 법칙은 모두 이런 제약을 받는다. 엄청나게 많은 수의 입자로 이루어진 물체에는 잘 들어맞지만, 적은 수의 입자로 이루어진 물체의 행동은 설명하지 못하는 것이다. (...) 그렇다면 생명은 어떨까? 유전 법칙 같은 규칙적인 행동이 통계적 법칙으로 설명될 수 있을까? 이 문제를 고심한 슈뢰딩거는 열역학의 토대가 된 '무질서 속의 질서' 원리가 생명에서는 적용될 수 없다는 결론을 내렸다. 그가 보기에, 가장 작은 생물학적 장치들 중에 적어도 일부는 고전 법칙의 지배를 받기에는 너무 작았다. ”

“ 만약 유전이 고전 통계 법칙을 토대로 한다면 1000분의 1의 확률로 (규칙을 벗어난) 오류가 만들어질 것이다. 그러나 유전자의 돌연변이율(오류)은 10억 분의 1로 알려져 있다. 이런 고도의 정확도로 인해 슈뢰딩거는 유전 법칙이 '무질서 속의 질서'를 찾는 고전 법칙을 토대로 만들어지지는 않았을 것이라고 확신했다. 대신 그는 유전자가 개개의 원자나 분자처럼, 고전적이지는 않지만 특이한 질서를 지닌 과학의 규칙을 따를 것이라고 제안했다. 이 과학은 바로 그가 정립에 일조했던 양자역학이었다. 슈뢰딩거는 '질서 속의 질서'라는 새로운 원리를 유전의 토대로 제안했다. (...) "살아 있는 유기체는 하나의 거시적인 계처럼 보인다. 그 계의 일부는 ...... 마치 모든 계가 절대 0도에 근접하고 분자의 무질서가 제거된 것처럼 행동한다" ”