장수철-아주 특별한 생물학 수업 1

 

- 아주 특별한 생물학 수업 1

 

신의 입자를 검출한 입자가속기 LHC 이야기의 마지막 부분은 조금 뒤로 미루고, 이번에 소개할 책은 연세대 장수철 교수와 국어학자 이재성 교수의 대담 형식의 생물학 이야기인 "아주 특별한 생물학 수업"이다. 600페이지에 걸쳐서 생물학에 관한 다양한 주제를 가볍게 풀어서 설명하고 있는 책이다. 그렇게 어렵지 않게 생물학 얘기를 나누며 중간 중간에 재치있는 유머가 딱딱한 과학책의 부담을 덜어준다.

 

"나는 누구인가"와 "나는 무엇인가" 라는 질문이 가능할 것이다. 나의 경우는 후자에 관심이 많은 편이다. 나의 본질은 무엇인가? 체질적으로 나는 포스트 모더니즘을 좋아한다. 모든 정형화된 구조, 자유를 제한하는 요소들을 극히 혐오하고 두려워한다. 소위 말하는 반골기질이다. 그래서 누군가 단정적인 말투, 자신이 모든 것을 알고 있는 듯한 얘기를 할 때 반사적으로 반박한다. 자유를 추구하지만 아직은 자유롭지 못한 것이다. 가만히 생각해 보면, 나 스스로도 그러한 적이 많으니 이것은 자기혐오, 자기 열등감의 분출일 수도 있을 것이다. 

 

생물학에 대해서 잘 모르더라도 다들 생명이란 무엇인가에 대해서 한번쯤은 생각해 본다. 생명은 차가운 얘기로는 "진화하는 분자 시스템"이고 그 시스템이 하는 주요한 일은 자기 정보, DNA를 복제하는 것과 끊임없이  ATP를 생산하면서 에너지를 순환시키는 일이다 (주. 모든 생명체가 ATP를 생산하는 미토콘드리아를 가진 것은 아니다). 정보복제와 물질대사를 하면서 변해가는 분자 시스템..

 

생명의 시작은 태양 깊숙한 곳에서 시작된 수소 핵융합 반응이다. 그 에너지는 빛, 광자에 전달되고, 백만년의 시간이 지나서 그 광자는 태양의 표면에 도달하고 8분을 여행하며 지구에 도달한다. 그 광자는 푸른 빛을 띤 에너지 포집자, 식물의 엽록체에 도달하고 엽록체는 그 에너지를 전자에게 전달한다. 전달된 전자의 에너지는 두고 두고 사용하기 위하여 ATP라는 밧데리에 충전되고 ATP 밧데리는 세포 구석구석에 공급된 후에 호흡이라는 과정을 통해서 생명체가 활동하는 에너지로 사용된다. 

 

"생명은 엔트로피의 비탈길을 거슬러 올라간다"고 베르그송이 얘기한다. 베르그송은 철학자이기 전에 이미 과학자였고, 생명 현상의 본질을 잘 알고 있었을 것이다. 이 책을 보고, 다시 세포 내부를 자세히 공부해 보면, 내 몸의 주인은 누구이고 의식이란, 자아란 무엇인가에 대한 어느 정도의 혜안이 생길 것이다. 개별 세포 자체도 에너지만 공급되면 지속이 가능한 생명력을 가지고 있고 세포는 세포막(벽)의 성안에 거대한 사회를 구축하고 있고 각 세포들은 긴밀한 협력을 하고 있음을 깨닫는 순간.."나는 무엇인가"에 대해서 조금은 다른 view를 가질 것이다.

 

아래 이어지는 글, 그리고 앞으로 몇번 더 게시할 글은 생명이란 무엇인가에 대한 딱딱한 이야기이다. 어려울 수 있으니, 비위가 약하신 분은 이쯤에서 책을 살 것인가 말 것인가만 결정하시라.. ebook은 샘플 페이지를 제공하니, 먼저 샘플을 읽어 보신 후에 결정해도 늦지 않다. 

 

 

 

 

 

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생명은 정보복제와 물질/에너지대사의 특성을 가집니다. 정보복제의 주체는 세포의 핵에 있는 DNA로 부터 mRNA, 리보솜을 이루는 rRNA, 아미노산을 가져와서 단백질을 구성하는 tRNA와 이의 정확한 제어를 위한 수많은 효소(protein)와 마이크로 RNA로 구성됨이 밴드에 수차례 소개되었습니다. 이번에는 물질/에너지 대사에 대해서 알아보죠.

 

사실 이 세상은 구글신이 등장함에 따라, 우리의 모든 지식은 이미 단일 네트워크 안에 밈 유전자로 각인되어 있습니다. 우리가 말하는 모든 정보는 이미 어딘가에 있고, 누군가에 의해서 말해진 내용이며, 사실 구글에 훨씬 더 다양한 정보가 있을 겁니다. 그러나, 이렇게 글을 쓰면 나의 뉴런에도 copy 본으로 저장되는 효과가 있기에 글을 적어 봅니다. 네트워킹... 요것도 참 재미있는 주제이고 다음에 이에 대해서 글을 써보고 싶군요. 존재의 본질은 관계에 있지 않을까요?

 

모든 것은 광자가 전달한 태양에너지에서 시작합니다. 대기권의 태양에너지 밀도는 1제곱미터당 1.35kW정도입니다. 60W 백열등을 20개 정도 켜둔 정도로 많은 양입니다. 그 중 30% 정도는 반사되고 나머지 70%를 지구가 흡수합니다. 태양에서 전달된 에너지를 담고있는 생명의 알갱이, 광자가 식물의 엽록소를 때림으로 생명활동은 시작됩니다. 

 

엽록소는 거의 모든 녹색식물의 세포에 존재하며 (푸른 빛을 띠는 곳, 나무의 몸통은 사실 물과 무/유기물의 이동 통로에 지나지 않죠), 그것은 태양에너지를 흡수하는 안테나의 역할을 합니다. 요즘, 무선 전력 통신이 hot issue중 하나죠? 자연은 아주 오래전부터 태양과 녹색식물간에 무선 전력 통신 기술을 개발했습니다. 그 효율은 아직도 인간이 흉내도 잘 못내고 있을 정도이며 혹자들은 양자얽힘 현상이 그 과정에 개입되어 있을 것이라고 합니다. 가시광선은 파장 400(보라색) ~ 700nm (붉은색) 이고 엽록소는 이중 파랑색(400~500)과 황적색(600~700)빛을 흡수하고 나머지 500~600nm의 빛은 반사합니다. 우리 눈에 보이는 식물들이 모두 녹색인 이유입니다.

 

이렇게 흡수된 태양에너지는 6CO2(이산화탄소) + 6H2O(물) -> C6H12O6(포도당)+6O2(산소) 공식에 따라 물질(포도당)을 합성하여 몸의 여러군데에 저장합니다. 초식동물은 그 에너지를 탈취하고, 육식동물은 다시 그 에너지를 탈취하고, 인간은 그 에너지를 탈취하고, 갑은 을의 에너지를 탈취합니다. 세상은 요렇게 아름답지 못한 모습으로 존재합니다. 만약 사자 1마리가 죽으면 수많은 귀여운 사슴들이 뛰어다니고, 코끼리 한마리가 죽으면 울창한 밀림에서 맑은 공기를 마실수 있겠죠. 선이란, 정의란 무엇일까요 ^^

 

인간이 흡수한 음식은 소화 기관과 우리 몸 세포만큼 많은 박테리아 노예(?)들의 도움으로 분자단위로 분해가 되어 혈관을 타고 세포 하나하나에 공급됩니다. 60~100조개의 세포 하나하나까지 모두 혈관이 연결되어 있다는 사실에 때로는 경악하기도 합니다. 또한 림프관도 몸 구석구석에 다 연결되어 세포의 쓰레기를 치운다는 사실, 의식 혹은 자아는 자신이 주인이라고 망상하지만, 인간의 주인은 수많은 세포들이죠. 자아는 우리 몸에서 이루어지는 중요한 생명활동에서는 거의 배제되어 있습니다. 때로는 몸의 다른 부위를 보호하기 위하여 자신의 뇌를, 자아를 고열로 태워버리기도 하죠, 자아의 의지와 상관없이..

 

이렇게 공급된 포도당은 세포의 미토콘드리아 에너지 공장에 원재료로 공급됩니다. 미토콘드리아의 목적은 포도당 에너지 원을 이용하여 생명활동에 필요한 밧데리 ATP를 충전시키는데 있습니다. 모두 사용한 밧데리는 ADP 이며 이를 충전하면 ATP가 됩니다. ATP는 일전에 설명드린 동영상을 보시면 어떻게 생성되는지 원리가 상세히 나와있습니다. 핵심은 양성자 (H+)의 농도차이를 이용한 터빈의 회전에 있습니다. 마치 수력 발전을 연상하시면 됩니다. 

 

 https://www.youtube.com/watch?v=3y1dO4nNaKY

 

미토콘드리아 내외벽 사이의 공간은 양성자 밀도가 엄청 높죠. 그런데, 이렇게 발전을 해 버리면 농도차이가 사라지겠죠? 그러면 조직내로 들어온 양성자를 다시 원래의 공간으로 되돌려 놓을까요? 그 과정의 핵심 물질은 NADH입니다. 

 

미토콘드리아에 전달된 포도당은 해당과정(당 분해 과정, TCA cycle)을 통해서 NAD+ 라는 트럭에 전자 2개를 실어서 NADH라는 물질을 합성하는데 사용됩니다.

즉, 

       NAD+  + 2e- (전자) + 2H+(양성자) -> NADH 

 

NADH가 담고 있는 요 뜨거운 전자 2개를 ETC(electron transfer chain)이라는 단계를 거쳐서 조심스럽게 이동을 시키며, 이 이동 과정 중에  양성자가 다시 원래의 위치로 끌려옵니다. 간단하게 생각하시면 2e-가 이동하면서 양성자 (H+)를 전자기적으로 끌어당기면서 운동에너지를 만들어서 밖으로 밀어냅니다. 그러면 이제 2e-의 에너지가 약해지겠죠, 그러면 이것을 누군가 회수를 해야 합니다. 우리가 호흡하는 이유, 호흡을 통해서 흡입한 산소의 역할입니다. 산소는 음식물을 태우기 위해서 필요한 것이 아니라 광자의 에너지를 담고 사망한 전자의 시체를 처리하기 위해서입니다.

 

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NADH는 NAD에 H를 붙인, 즉 NAD가 환원된 물질입니다. 생명의 에너지는 NADH의 전자 -> 양성자 기울기 생성 -> ATP생성의 시나리오만 파악하면 됩니다. NAD는 Nicotiamide + (Adenine + Dinucleotide) 요렇게 구성되며 아래 그림에서 위에 있는 것이 Nicotiamide (비타민 B3)이고 아래에 있는 것이 아데닌기가 붙은 뉴클레오타이드입니다. 뉴클레오타이드는 오탄당뼈대에 인산기가 붙어있는 것입니다.

 

 

생명활동을 위해서 누구나 호흡을 해야 하죠. 호흡을 통해서 들어온 산소의 역할은 음식을 태우는 것일까요? 그 질문에 대한 답은 크렙스(Krebs) 회로와 양성자 펌프를 통한 ATP 생성 공식을 이해하면 됩니다. 이에 대해서는 구글과 유튜브에 아주 좋고 쉬운 영상들이 많으니, 참조하시면 됩니다.

 

ATP는 요렇게 생겼습니다. ATP=Adenosine Triphosphate의 약자이고 ADP에 인산염을 붙이면 ATP가 되죠. ADP->ATP를 충전, ATP->ADP를 방전이라고 생각하시면 됩니다.

 

크렙스 회로입니다. 해당과정을 진행하는 것이며, 복잡한 것들 외울 필요 전혀 없구요, 이 과정의 부산물은 NADH와 FADH2이다.. 이것들은 electron transfer chain의 원재료인 전자를 제공하는 역할을 한다.... 요렇게 이해하시면 됩니다.

 

Electron transport chain(ETC) 그림입니다. 이 과정의 핵심은 NADH가 제공하는 전자를 I~IV까지의 조직을 통해서 이동시키고, 그 과정을 통해서 미토콘드리아조직내의 양성자를 내외벽 사이의 좁은 공간으로 (원래 위치로) 이동시키는, 즉 양성자 농도차이를 만드는 것입니다.

 

아래 그림의 위쪽 왼쪽에는 생명활동의 핵심 양성자 펌프도 보입니다. 위에서 생성된 양성자 농도차이를 이용하여 펌프를 회전시키면서 그 에너지로 ADP를 ATP로 충전시킵니다.