생명에 대한 새로운 물리학 이론
A New Physics Theory of Life
생명은 왜 존재하는가?
유명한 가설들은 원시 스프, 번개 그리고 엄청난 뜻밖의 행운을 인정한다. 그런데 한 도발적인 새 이론이 옳다면, 행운은 거의 관련이 없을 것이다. 그 대신에, 그 착상을 제안하고 있는 물리학자에 따르면, 생명의 기원과 뒤이은 진화는 근본적인 자연 법칙들에서 비롯되며 "언덕 아래로 구르는 바위처럼 전혀 놀라운 일이 아닐 것이다."
물리학의 관점에서 바라보면, 생물과 탄소 원자들의 무생물 덩어리 사이에는 한 가지 본질적인 차이점이 존재한다. 전자는 주변 환경에서 에너지를 포획하여 그 에너지를 열로 소산시키는 데 훨씬 더 뛰어난 경향이 있다. 나이가 31세인 메사추세츠 공과대학의 조교수 제레미 잉글랜드(Jeremy England)는 이런 능력을 설명한다고 믿고 있는 수학적 공식을 유도했다. 기성 물리학에 근거를 두고 있는 그 공식은, 일단의 원자들이 외부의 에너지원(태양이나 화학 연료 같은)에 의해 추동되고 열탕으로 둘러싸여 있을 때, 흔히 그것은 점점 더 많은 에너지를 소산시키기 위해 점차적으로 자체를 재구성할 것이라는 점을 시사한다. 이것은, 어떤 조건에서는 물질이 거침없이 생명과 관련된 핵심적인 물리적 속성을 획득한다는 점을 의미할 수 있을 것이다.
잉글랜드가 말했다. "원자들의 무작위적인 덩어리로 시작하여, 그것에 충분히 오랫동안 빛을 비추면, 어떤 식물을 얻게 되는 것은 그렇게 놀랄만한 일이 아닐 것입니다."
잉글랜드의 이론은 유전자와 개체군 층위에서 생명에 대한 강력한 서술을 제공하는 다윈의 자연선택에 의한 진화 이론을 대체하는 것이 아니라 그것의 근거를 제공할 것이다. "저는 확실히 다윈의 관념들이 틀렸다고 말하고 있지 않습니다." 그가 설명했다. "반면에, 저는 물리학의 시각에서 그것을 말하고 있을 뿐입니다. 다윈의 진화는 더 일반적인 현상의 특수한 일례라고 할 수 있을 것입니다."
그의 착상은 [...] 그것을 빈약하거나 아니면 잠재적인 획기적 관념으로 보거나 둘 다로 간주하는 동료들 사이에 논쟁을 촉발시켰다.
[...] 물리학 교수 알렉산더 그로스버그(Alexander Grosberg)는 잉글랜드가 "매우 멋지고 매우 중요한 진전"을 이루었다고 말했다. "큰 희망"은 그가 생명의 기원과 진화를 추동하는 근본적인 물리적 원리를 밝혀내었다는 것이라고 그로스버그가 말했다.
[...]
화학 교수 유진 샤크노비치(Eugene Shakhnovich) 같은 다른 사람들은 확신하지 않는다. 샤크노비치가 말했다. "제레미의 착상은 흥미롭고 잠재적으로 유망하지만, 이 시점에서는 대단히 사변적인데, 특히 생명 현상에 적용할 때 그렇습니다."
잉글랜드의 이론적 결과는 일반적으로 타당한 것으로 간주된다. 여전히 증명되지 않고 있는 것은 그의 해석―그의 공식이 생명을 비롯한 일단의 자연 현상들 배후에 놓인 추동력을 나타낸다는 해석―이다. 그런데 이미, 그 해석을 실험실에서 시험하는 방법에 대한 착상들이 존재한다.
"그는 무언가 본원적으로 다른 것을 시도하고 있습니다." [...] 물리학 교수 마라 프렌티스(Mara Prentiss)가 말했다. "하나의 구성 렌즈로서, 저는 그가 멋진 관념을 품고 있다고 생각합니다. 옳든 그르든, 탐구할 가치가 많이 있을 것입니다."
잉글랜드의 착상의 핵심에는 열역학 제2법칙이 놓여 있는데, 그것은 엔트로피 증가의 법칙 또는 "시간의 화살"로도 알려져 있다. 뜨거운 것은 냉각되고, 기체는 대기로 확산되고, 달걀은 휘저어 익혀지지만 결코 자발적으로 원래 상태로 돌아가지 않는다. 요약하면, 시간이 지남에 따라 에너지는 소산되거나 흩어지는 경향이 있다. 엔트로피는 이런 경향에 대한 척도인데, 어떤 체계의 입자들 사이에서 에너지가 어떻게 소산되는지 그리고 그런 입자들이 공간 전체에 걸쳐 어떻게 확산되는지 정량화한다. 단순한 확률 문제로서 그것은 증가한다. 에너지가 집중되는 방식보다 에너지가 흩어지는 방식이 더 많이 존재한다. 그러므로, 어떤 체계의 입자들이 돌아다니면서 상호작용함에 따라, 그것들은 순전히 우연으로 에너지가 흩어지는 배치들을 취하는 경향이 있을 것이다. 결국, 그 체계는 에너지가 균일하게 분포되는 "열역학적 평형"으로 불리는 최대 엔트로피의 상태에 이른다. 예를 들면, 한 잔의 커피와 그것이 놓여 있는 방은 같은 온도가 된다. 컵과 방이 그대로 있는 한, 이 과정은 비가역적이다. 커피는 결코 자발적으로 또 다시 가열되지 않는데, 방 에너지의 많은 부분이 무작위적으로 커피의 원자들에 집중될 확률이 엄청나게 낮기 때문이다.
고립된 또는 "닫힌" 체계에서는 시간이 지남에 따라 엔트로피가 증가해야 하지만, "열린" 체계는 주변 환경의 엔트로피를 크게 증가시킴으로써 자체의 엔트로피를 낮게 유지할 수 있는데, 즉 에너지를 자체의 원자들 사이에 불균일하게 나눌 수 있다. [...] <<생명이란 무엇인가>>에서 [...] 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrodinger)는 이것이 생물이 해야만 하는 일이라고 주장했다. 예를 들면, 식물은 대단히 강력한 햇빛을 흡수하고, 그것을 사용하여 당을 만들어내며, 훨씬 덜 집중된 에너지 형태인 적외선 빛을 방출한다. 식물은 질서정연한 내부 구조를 유지함으로써 붕괴되는 것을 방지하지만, 광합성 동안 햇빛이 소산됨에 따라 우주의 전체 엔트로피는 증가한다.
생명은 열역학 제2법칙을 위배하지 않지만, 최근까지 물리학자들은 열역학을 사용하여 생명이 우선 왜 발생해야 했는지 설명할 수 없었다. 슈뢰딩거 시대에 그들은 평형 상태에 놓인 닫힌 체계들에 대한 열역학 방정식들을 풀 수 있었을 뿐이다. 1960년대에 벨기에 물리학자 일리야 프리고진(Ilya Prigogine)은 외부 에너지원들에 의해 약하게 추동되는 열린 체계의 거동을 예측하는 데 진전을 이루었다[...]. 그런데 평형 상태에서 멀리 떨어진 체계―외부 환경과 연결되어 외부 에너지원들에 의해 강하게 추동되는―의 거동은 예측할 수 없었다.
이런 상황은 1990년대 말에 주로 [...] 크리스 자르진스키(Chris Jarzynski)와 [...] 가빈 크룩스(Gavin Crooks)의 연구 덕분에 바뀌었다. 자르진스키와 크룩스는, 한 잔의 커피의 냉각 같은 열역학적 과정에 의해 생산되는 엔트로피는 단순한 비(比), 즉 원자들이 그 과정을 겪을 확률을 그것들이 역의 과정(즉, 커피가 가열되는 식으로 자발적으로 상호작용하는 과정)을 겪을 확률로 나눈 것에 해당한다는 것을 증명했다. 엔트로피 생산이 증가함에 따라 이 비도 증가하는데, 체계의 거동은 점점 더 "비가역적"으로 된다. 단순하지만 엄밀한 이 공식은 원칙적으로 그것이 얼마나 빠르든지 평형에서 얼마나 멀리 떨어져 있든지 간에 어느 열역학적 과정에도 적용될 수 있다. [...]
자르진스키와 크룩스의 공식을 사용하여 잉글랜드는 어떤 특징들을 갖춘 입자들의 체계들에 대해 성립되는 열역학 제2법칙의 일반화 공식을 유도했다. 그 체계들은 전자기파 같은 외부 에너지원에 의해 강하게 추동되며, 열을 주변 열탕으로 방출할 수 있다. 이런 체계들의 집합은 모든 생물을 포함한다. 그 다음에 잉글랜드는 그런 체계들이 어떻게 자체의 비가역성이 증가함에 따라 시간이 지나면서 진화하는 경향을 나타내게 되는지 결정했다. 그가 말했다. "진화적 결과물은 도중에 외부 환경의 추동력으로부터 더 많은 에너지를 흡수하여 소산시키는 것이 될 확률이 더 높다는 점을 공식으로부터 매우 간단히 보여줄 수 있습니다." 그 발견 결과는 직관적으로 이해된다. 입자들은 추동력과 공명할 때, 즉 그것이 그것들을 밀고 있는 방향으로 움직일 때 더 많은 에너지를 소산시키는 경향이 있고, 그래서 어느 주어진 순간에 그것들은 여타의 방향보다도 그 방향으로 움직일 확률이 더 높다.
"이것은 대기 또는 대양 같은 어떤 온도의 열탕에 둘러싸인 원자들의 덩어리는 시간이 지남에 따라 주변 환경의 역학적, 전자기학적 또는 화학적 에너지원들과 더욱 더 잘 공명하도록 자체를 배열하는 경향이 있을 것이라는 점을 의미합니다." 잉글랜드가 설명했다.
지구 생명의 진화를 추동하는 과정인 자기복제(또는 생물학적 용어로 생식)는 어떤 체계가 시간이 지남에 따라 점점 증가하는 양의 에너지를 소산시킬 수 있는 한 메커니즘이다. 잉글랜드가 서술하듯이, "더 많은 에너지를 소산시키는 대단한 방법은 여러분 자신의 사본을 더 많이 만드는 것이다." [...] 그는 RNA 분자와 박테리아 세포의 자기복제 동안 발생할 수 있는 이론적인 최소의 소산량을 보고하였으며, 그것이 이 체계들이 복제할 때 소산시키는 실제 량에 매우 근접한다는 점을 증명했다. 또한 그는 [...] RNA가 특별히 저렴한 구성 물질이라는 점도 증명했다. 일단 RNA가 생성되었다면, 그것의 "다윈적 지배'는 놀랄 일이 아니었을 것이라고 그는 주장한다.
원시 스프의 화학, 돌연변이, 지리, 파국적 사건들 그리고 수많은 다른 인자들이 지구의 다양한 식물상과 동물상의 세부에 기여했다. 그런데 잉글랜드의 이론에 따르면, 전체 과정을 추동하는 근본 원리는 물질의 소산추동적 적응(dissipation-driven adaptation)이다.
이 원리는 무생물에도 적용될 것이다. "이제 자연의 어떤 현상을 소산추동적 적응 조직화라는 빅 텐트 아래 집어넣을 수 있는지 추측하는 것은 매우 매혹적인 일입니다." 잉글랜드가 말했다. [...]
과학자들은 이미 무생물 체계들에서 자기복제를 관찰했다. [...] 필립 마커스(Philip Marcus)가 주도한 새로운 연구에 따르면, 난류성 유체의 소용돌이는 주변 유체의 전단력으로부터 에너지를 끌어들임으로써 자발적으로 자체를 복제한다. 그리고 [...] 마이클 브레너(Michael Brenner)와 그의 동료들은 자기복제하는 미세구조에 대한 이론적 모형과 시뮬레이션 결과를 제시한다. 특수하게 코팅된 미세구체들의 덩어리는 근처 구체들을 붙들어 매어 동일한 덩어리를 형성함으로써 에너지를 소산시킨다. [...]
자기복제 외에 더 큰 구조적 조직화가 강하게 추동된 체계들이 에너지를 소산시킬 수 있는 능력을 향상시키는 다른 한 수단이다. 예를 들면, 식물은 구조를 이루지 못한 탄소 원자들의 덩어리보다 태양 에너지를 포획하여 자체를 통해서 방출하는 데 훨씬 더 뛰어나다. 그러므로 잉글랜드는, 어떤 조건에서는 물질이 자발적으로 자기조직할 것이라고 주장한다. 이런 경향은 생물과 많은 무생물 구조들의 내재적 질서도 설명할 수 있을 것이다. "눈송이, 모래 언덕 그리고 난류성 소용돌이 모두가 공통으로 나타내는 것은 그것들이 어떤 소산 과정에 의해 추동되는 다입자 체계들에서 출현하는 두드러지게 패턴을 갖춘 구조들이라는 점입니다." [...] 응결, 바람 그리고 점성 끌림력이 이런 특수한 사례들에서 관련된 과정들이다.
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생명과 진화에 대한 포괄적 원리는 연구자들에게 생물에 있어서 구조와 기능의 출현에 대한 더 넓은 시각을 제공할 것이라고 많은 연구자들이 말했다. "자연선택은 어떤 특질들을 설명하지 못합니다." [...] 이런 특질들은 메틸화 반응으로 불리는 유전자 표현의 유전 가능한 변화, 자연선택이 없을 경우에 복잡성의 증가 그리고 어떤 분자적 변화들을 포함한다.
잉글랜드의 접근방식이 더 많은 시험을 견디면, 그것은 나아가서 생물학자들을 모든 적응에 대한 다윈적 설명을 추구하는 것에서 해방시켜서 소산추동적 조직화의 견지에서 더 일반적으로 생각하게 할 수 있을 것이다. [...] "어떤 유기체가 특질 Y가 아니라 특질 X을 나타내는 이유는 X가 Y보다 더 적합하기 때문이 아니라, 물리적 제약이 Y보다 X가 진화하기 더 쉽게 만들기 때문일지도 모릅니다." [...]
"사람들은 흔히 개별적인 문제들에 관해 생각하는 데 매달리게 됩니다." 프렌티스가 말했다. 잉글랜드의 착상이 정확히 옳은 것으로 판명되든 그렇지 않든 간에, "과학의 많은 획기적인 발견은 더 넓게 생각함으로써 이루어집니다."