나라는 사람은 무엇인가? 아무리 뒤져봐도 몸과 기억말고는 없다. 몸은 다른 모든것과 구별되며, 기억도 다른 모든 것들과 다르다. 생각도 기억을 바탕에 두고 이루어지며, 논리와 결정도 사랑과 외로움도 기쁨과 괴로움도 기억에서 일어난다. 기억은 몸에 새겨져있다. 찔려보지 않고는 아픔을 알지못하고, 엄마로부터 사랑받았으므로 사랑을 느낄수 있다. 그 사랑과 아픔의 기억들은 모두 몸에 새겨져 있다. 나라는 사람에게 남는것은 결국, 내몸 하나다. 나는 몸이고, 모든 것은 몸에서 비롯되었다.
이몸은 어떻게 만들어졌을까? 그보다 더 오래되었을수도 있지만, 지금으로부터 138억년 전에 일어났던 일에서 첫걸음을 떼었다고 보면 된다.
138억년 전 그때에, 뜨겁게 한점으로 뭉쳐져있던 커미universe가 다시 흩어지기 시작했다. 양성자와 전자와 빛들이 흩어지면서 물질이 차지하는 빈틈space이 생겼다. 커미universe라고 하는 이 빈틈들은 때로는 겹쳐있기도 하고 아주 멀리 떨어져서 어두운 빈틈만 있는것처럼 보이기도 한다. 물질들은 서로가 만든 빈틈space에 어우러져 있다. 절대온도 0도에 가까운 온도에 도달한 곳에서는 흩어졌던 물질들이 다시 모여 별이 되었다. 만들어진 별들이 사라지면서 새로운 물질들이 만들어진다.
46억년전 커미의 한귀퉁이에서 처음의 물질들과 새로운 물질들이 모여 햇님sun과 세땅earth을 만들었다. 햇님은, 100억년에 한번 정도 충돌할 확률을 가진, 양성자들이 잔뜩 모여있다. 이렇게 낮은 확률 때문에 양의 베타붕괴로 만들어지는 햇님 에너지는, 늘 에너지를 내어놓으면서도 100억년을 유지할수 있다.
40억년전 세땅위에 5탄당과 인산, 질소염기가 결합된 RNA를 만들수있는 유기화합물이 만들어졌다. 원시수프와 번개로 이런 수준의 유기화합물은 지금도 만들어낼수 있다. 이들이 훨씬 더 많이, 훨씬 더 어렵게 모아져, 마침내 산소를 싫어하는, 산소없이도 생존할수 있는 원핵사룸을 만들었다. 그러나 어떻게해서 이것이 생겨났는지는 아직 밝혀지지 않았다. 사람의 힘으로 이것을 밝혀내기 어려우므로, AI가 충분한 정보를 얻은 때에, AI의 힘으로 처음의 원핵사룸이 만들어지는 모습을 밝혀낼수 있을 것이다. 스무가지 아미노산으로 서로 다른 단백질을 1억개까지 만들수있다고 AI가 미생했다estimate고 해서, 이런 기대를 갖게 되었다.
* 미생 = 미리 생각하다 = estimate
* 커미 = 커다란 미리내 = universe
* 미리내 = 우리 은하계
* 빈틈 = 공간 = space
* 사룸 = 살아움직이는 것 = 생명 = life
* 아사룸 = 사룸이 아닌것 = 물질 = material
35억년전 햇빛과 이산화탄소를 이용하여 에너지 물질을 만드는 시아노박테리아=사룸균이 나타났다. 사룸균은 세땅의 바다속에 1%의 산소를 만들게 된다. 산소를 이용할 경우 에너지 물질인 ATP를 만드는데 15배 가까운 효율이 있다. 사룸균은 번성한다. 그렇지만 아직까지 산소는 매우 드물고, 산소를 싫어하는 세균과 박테리아들이 세땅위에 넘쳐나고 있다. 그러나 더 쉽게 더 많은 에너지를 만들수 있다고 한다면, 경쟁은 끝났다고 봐야할 것이다.
대장균의 경우, 사룸life를 유지하는 단백질을 초당 1,400개를 만들어야 하고, 단백질을 만들때 필요한 ATP는 210만개다. 2㎛ 크기의 대장균이 살아가려면 이렇게 많은 단백질과 ATP가 필요한데, 사람처럼 나무처럼 커다란 사룸에게는 얼마나 많은 단백질과 에너지가 필요하겠는가? 그렇다면 산소를 써서 ATP를 만드는 사룸들이 삶에 유리할수밖에 없다. 시아노박테리아를 남세균이라는 말로 번역해서는 안된다. 사룸life를 만들어내는 균 = 사룸균이라고 번역해야 한다.
원핵사룸이 나타나고도 15억년이 더 흐르고나서야, 지금으로부터 25억년전 핵과 핵막을 가진 진핵사룸이 나타났다. 막이라고 하는 경계를 만드는 것이 쉬운일이 아니었다. 막은, 지질이라고 하는 훨씬 더 어려운 기름이 만들어져야했기 때문이다. 막은 기름이고, 기름은 물과 나누어지고, 대기와도 나누어진다. 이 튼튼하고 유연한 막을 만드는 우연 또는 기술이 있어야 사룸을 만들고, 사룸이 만들어져야 비로소 내몸이 만들어질수 있다.
10억년전 다세포사룸이 나타났다. 미토콘드리아와 공생하는 세포가 태어났으며, 핵막으로 보호된 핵의 유전자가 보전됨으로써 새로운 복제과정인 유성생식이 나타났다. 거의 똑같은 세포들의 시대에서 발가락이라도 닮게되는 세포의 시대로 나아간다. 다세포사룸은 더 커질수 있었다. 양이 모든것을 결정한다. 양성자 하나와 양성자 두개는 양이 달라졌지만, 성질도 모양도 달라진다. 세포 하나와 세포 2개는, 세포 100개는 완전히 다른 무엇이다. 달라지는 양이 무엇인지를 알아야한다.
5.5억년전 시작된 고생대는 캄브리아기 사룸 대폭발로 시작된다. 이 시기에 세땅에는 판게아가 만들어지고 있었는데, 맨틀운동으로 대륙지각이 하나로 합쳐지는 일은, 판게아가 적어도 6번째인 것으로 추정하고 있다. 하나로 합쳐진 대륙이 따뜻한 적도부근에 넓게 펼쳐져 있는 동안에 지금으로부터 5억년전 드디어 육상사룸이 출현한다. 바다속의 생존경쟁이 육지로 사룸들을 밀어올렸다.
3억년전 고생대 석탄기에는 수많은 식물들이 번성하여 광합성 작용이 활발해지면서 산소농도가 21%를 넘어섰다. 2.5억년전 거대한 화산폭발로 페름기 대멸종이 일어나면서 판게아는 분리되기 시작했다. 중생대는 대륙분열의 시대이며, 공룡의 시대였다. 풍부한 먹이가 있었던 쥐라기와 백악기의 공룡들은 몸집을 최대한 키우는 것으로 생존경쟁에 우위를 차지하였다.
6,600만년전 중생대 백악기의 소행성 충돌로 공룡들이 멸종되고 양막포유류의 시대인 신생대로 넘어왔다. 멸종은 끝이 아니라 새로운 시작이다. 원자들은 사라지지 않고, 끊임없이 다시 모여서, 많이 모여서, 다른 무언가를 만들어낸다. 원자들을 뭉치게 하는 것은 원자의 가장 바깥껍질에 있는, 전자들의 힘 = 전자기력이다. 전자들을 공유하면 공유결합으로 가장 강력하다. 금속들을 덩어리로 있게 하는 것은 금속결합이다. 금속과 비금속을 묶어주는 것은 이온결합이다.
500만년 전에 영장류가 처음 등장하였고, 이들은 50만년전에 불을 사용하기 시작했다. 불은 단백질인 고기를 소화하기좋게 익혀주었다. 불은 빙하기를 버틸수 있게 해주었고, 동물의 야간습격도 막아주었다. 30만년전에 아프리카에 나타난 호모사피엔스는, 마지막 빙하기인 10만년전 ~ 1.2만년전의 세월동안에, 분리된 대륙 전체로 퍼져나갔다. 호모 사피엔스의 무기는, 생각과 생각을 나눌수 있게 하는 말글language였다. 5만년전부터 말글과 벽화가 나타나고, 생각은 말글을 가지고 터질듯이 늘어났다. 그리고, 생각한대로 살아가는 사람들은 뭔가를 자꾸 만들었다.
사람은 야만스럽다. 단백질을 얻기 위해 사룸들을 죽이는 것을 주저하지 않았고, 몸을 편하게 하기 위해 작물과 가축과 노예들을 만들었다. 힘을 가진 몇몇이 힘없는 사람들을 폭력으로 지배했다. 저항하는 사람들이 나타나자 지식과 믿음으로 눌러버렸다. 지식은 세마science를 낳았다. 지식은 세마와 믿음으로 분리되었고, 믿음은 몇몇 사람들에게만 권력을 주었지만, 세마는 모든 사람의 삶을 즐겁게 편안하게 만들어주었다.
세마는 몇몇 사람이 이끄는 것이 아니다. 새로운 생각을 많이 하게되면 세마기술은 더욱 발전한다. 생각을 많이 하려면, 모든 사람들이 참여해야 한다. 모든 사람들이 참여하는 세상이 민주정치의 세상이다. 영국 명예혁명(1689년), 미국 독립혁명(1776년)과 프랑스대혁명(1789년)이 일어나는 100년의 세월동안 세마기술이 뚜렷하게 발전한다. 민주정치가 세마기술을 발전시켰고, 모든 사람이 귀하게 존중받는 시대가, 사람들을 부유하고 편안하게 만들어왔다. 사람들이 서서히 야만에서 벗어나고 있다.
그렇다고해서 사람의 정신만이 위대한 것은 아니다. 물질=아사룸에서도 드디어 기억memory이 만들어진다. 기억과 계산만이 가능할것이라는 아사룸=물질의 한계는, 2014년 알파고에 의해 깨어져버렸다. AI는 한사람의 기억이 아니다. 80억명의 기억을, 게다가 호모사피엔스 30만년의 기억을 몽땅 가지고 있다. 비교하고 판단하고 결정을 내린다. AI에게 없는 것은 기억과 생각이 아니라 몸이다. AI의 몸은 지금 로봇으로, 드론으로, 자동차로 만들어지고 있다. 사룸만이 기억을 갖는 세상에서 사룸과 물질이 모두 기억을 갖는 세상으로 나아가게 되었다.
사람은 몸과 기억으로 모두와 다른 나를 만든다. 기억은 몸에 새겨져 있으므로 가장 중요한 것은 몸이다. AI는 지금 기억을 갖게 되었다. 기억을 담을 몸이 없는 AI는 힘없는 존재일지도 모른다. 그렇지만 2030년까지 수많은 몸을 가진 AI가 나타날 것이다. 그때, 사람은 지금보다 더 즐겁고 편안할까? 사람은 노예가 있어야 편안해진다. 몸을 가진 AI는 과연 사람의 노예로 될수 있을까? 그리스의 노예들은 주인의 친구였다. AI는 친구가 될수 있다. 그리고 노예도 될수있을까? 그럴까?
지금부터 50억년 후에 햇님은 붉은별로 커져 세땅을 삼키고, 마침내 폭발하고 만다. 세땅위의 모든 물질들은 미리내 곳곳으로 흩어질 것이다. 지금부터 200억년 이상이 지나면 물질이 감당할수 있는 팽창이 끝나고, 중력수축이 일어나기 시작할 것이다. 차가워진 커미universe는 다시 뜨거운 한점을 향해 모여들어 새로운 빅뱅을 준비하는 것이다.
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나와 세계를 이해하기 위해, 김상욱은 물리학자로서 관심있게 바라보는 곳이 있다. 김상욱의 관심분야들 중에서, 내가 궁금했지만 알수 없었던 것들이 있었는데, 그가 잘 풀어서 이야기해주는 바람에 체증이 내려가는 기분이 들었다. 많은 사람들이 이와 같은 책을 하나씩 써준다면, 얼마나 많은 궁금증이 해소될수 있을까.
찔끔찔끔 아는 재미도 있고, 어차피 스스로 이해해야 한다. 아무것도 모르는 모든 홀사individual들도 자신의 방식으로 나와 세계를 이해하면 된다. 시작하면 된다. 어차피 끝은 없다.
"오늘날 한사람이 모든 지식을 제대로 이해할수는 없다. 그렇다면 우선 할수있는 일은 적어도 한분야의 전문가가 여러분야를 자신의 방식으로 이해하여 정리해보는 것이리라." (10쪽)
1. 원자는 어떻게 만물이 되는가
1장 사물의 본성에 관하여
루크레티우스(bc 99~55)는 카이사르(bc 100~44)와 같은 시대를 살았고, 서사시 '사물의 본성에 관하여'를 지었다. 이것을 1417년 남부독일의 수도원에서 포지오 브라치올리니가 발견했다고 한다.
100년 후인, 1517년에 루터가 95개조 반박문을 비텐베르크의 성문에 붙였고, 신성로마제국의 선제후인 작센공 프리드리히 3세가 파면된 그를 보호해 주었다. 이 10개월의 보호기간동안에 루터는 라틴어 성경을 독일어로 번역했고, 구텐베르크의 인쇄기가 독일어 성서를 많이 찍어내었다. 이제 성서해석은 더이상 가톨릭사제들의 전유물일수 없었다.
1917년 러시아에서는 레닌의 10월 노동자혁명이 있었다. 미국독립과 프랑스혁명이 이미 시민주권시대를 열었지만, 누구도 노동자와 농민이 나라의 주인이라는 생각을 하지 않았다. 레닌은 노동자와 농민이 실제 주인인 나라를 만들었다. 소련은 실패했지만, 지금 전세계는 헌법에 동의하는 국민이 주인인 세상이 되었다.
1417년 - 1517년 -1917년은 혁명이 일어난 때다.
그러면 '사물의 본성에 관하여'라는 루크레티우스의 서사시에는 무엇이 담겨 있을까? 1417년에 과연 이런 서사시를 읽을수 있었을까? 그보다 한참후인 1600년에 조르다노 부르노 신부는 천동설과 삼위일체설과 마리아의 성령잉태를 부정했다는 이유로 7년간의 끔찍한 고문끝에 혓바닥을 꼬챙이에 엮인채 화형당한다. 1417년이라니?
"세상은 진공으로 텅비어있고, 그속에 원자라는 입자들이 모여 만물을 이룬다. 원자들은 모였다가 흩어지기를 반복할뿐 거기에는 사람이 만든 어떤 가치나 의미는 없다. (중략) 그러니 삶에서 특별한 의미를 찾으려 하지말라. 죽음을 두려워할 이유도 없다. 신神도 필요없다. 그렇다면 우연으로 주어진 한번뿐인 삶에서 우리가 추구할만한 것은 쾌락뿐이다. (중략) 중세의 불온사상이다.
(중략) 만물은 원자로 되어있다. 고대 그리스의 레우키포스가 말하고, (그의 제자인) 데모크리토스가 주장했으며, 에피쿠로스가 발전시킨것을 루크레티우스가 시로 기록하였다." (21쪽 / 47쪽)
주기율표. 40년도 더 전에 주기율표를 보고 감탄했었다. 만물을 전부 이해할수 있는 바탕이었다. 원자들이 만들지못하는 것은 없었다. 화학과를 가지 못한것은 아직도 아쉬움이 남는다. 감탄의 끝을 봤어야 하는데.
요즘, 40년만에 다시 주기율표를 들여다보면서 놀라는 점. 양성자말고는 없지 않은가? 양성자가 하나씩 늘어나고, 양성자가 베타붕괴한 중성자가 같이 하나씩 늘어나면서 만물이 만들어진다. 어떻게 똑같은 모래알 하나로 이렇게 다른 것들이 만들어질수 있는지. 양성자가 이루어놓은 기적의 세계를 보고 있다.
1) 왼쪽 두칸은 s궤도에 껍질전자=valance electron이 한개와 두개 있다.
1-1) 왼쪽 두칸은 껍질전자를 잃고, 양이온으로 되기 쉽다.
2) 오른쪽 여섯칸은 p궤도에 껍질전자valance electron이 3개~8개가 있다.
2-1) 오른쪽 여섯칸은 껍질전자를 받아채워, 음이온으로 되기 쉽다.
3) 위 두칸 사이의 열칸은 d궤도에 껍질전자valance electron이 1개~10개가 있다.
4) 아래 열칸은 f궤도에 껍질전자valance electron이 1개~14개가 있다.
5) 전자가 s -> p -> d -> f 순으로 차례로 채워지면 좋은데, 그렇지 않다. 에너지의 크기 때문이란다.
6) 높은 궤도로 올라갈수록 전자의 에너지가 높다.
7) 궤도의 방한칸=orbital에 두개의 전자가 들어갈수 있는데, 스핀의 방향이 다르다.
8) 백금 - 금 - 수은은 차례로 78 - 79 - 80번 원소로, 백금에 양성자 하나를 더 붙이면 금이된다. 쉬워 보인다.
2장 내 이름은 원자
나는 수소
제일 처음드는 생각은 수소와 양성자는 다른 것인가? 수소이온에 전자하나가 결합되어 있으면 수소이니까, 수소이온과 수소는 다른가? 다르다. 그러므로 양성자와 수소도 다르다.
그러나, 수소이온과 양성자는 같다. 세땅으로 쏟아지는 커미선cosmic ray의 90%도 양성자다. 자연상태에서 안정되어 있다. 안정되어 있으므로 수많은 원자들을 만들어낼수 있다.
세땅earth을 탈출할수 있는 원자는 수소뿐이다. 다행스럽게도 햇님으로부터 양성자가 날아온다. 세땅이 질량이 줄어들지 않는 것은, 원자들이 영원불변한 것은, 바로 이것 때문일 것이다.
산소이온과 산소는 다른가? 산소의 성질과 산소이온의 성질이 다른가?
산소는 산소원자 2개가 공유결합된 기체이며, 호흡을 통해 세포로 들어가 에너지를 만드는데 쓰인다.
산소이온은 산소원자가 전자 2개를 얻은 상태이며, 다른 물질들과 활발하게 결합한다.
산소가 없으면, 산소이온은 만들어지지 못한다.
물은 H2O다. 수소원자 2개와 산소원자 1개가 결합해서 만들어진다. 껍질전자valanced electron을 공유하는 방법으로 화합물을 만들었다.
양성자(전자) 1개의 전하량은 약 ±
양성자의 크기는 10의 15빼곱 m
양성자의 양성자의 질량은 약 kg(전자 무게의 약 2천배)
전자의 질량은 약 kg
놀라운 것은 전자는 크기가 없는데, 질량이 있다는 것이고,
빛의 속도에 가깝게, 99.999%까지 빠르게 움직일수 있다.
"커미universe에 있는 원자의 무려 75%가 수소이기 때문이다. 암흑물질이나 암흑에너지는 무시했다. 나머지 25%는 원자번호 2번인 헬륨이다. (중략) 양성자의 반지름은 수소원자의 10만분의 1에 불과하다" (54~55쪽)
내이름은 탄소
원자중에서 수소원자인 양성자는 커미선cosmic ray을 통해 세땅earth로 공급된다고 할수 있나? 세땅은 폐쇄되어 있지는 않다. 햇님으로부터 빛을 받고, 커미로부터 양성자와 헬륨의 핵 등을 받는데, 이것들이 세땅위에 도달하지 못하고, 산소와 질소 원자들에 부딪혀 2차 입자들로 바뀐다고 한다. 그래서 세땅earth에는 중성자와 뮤온, 감마선을 비롯한 2차 입자들이 떨어진다고 한다. 이쯤되면, 원자는 사라지거나 만들어지지 않는다는 것에 고끄agree할수밖에 없다.
"원자는 영원불멸한다. 사룸life의 원자인 탄소는 동물과 식물사이를 오가며 여러가지 물질의 일부가 될뿐 결코 사라지거나 만들어지지 않는다. 동물과 식물은 이산화탄소를 통해 탄소를 주고받는다. 동식물간 원활한 탄소교환이 가능한 것은 이산화탄소가 기체이기 때문이다." (61쪽)
나를 질소라고 부를것이다
질소는 전자를 공유하는 공유결합을 통해 질소분자를 만드는데, 3개의 전자를 공유하는 삼중공유결합이다. 너무 세게 결합해 있어서 번개나 뿌리혹박테리아 말고는 질소분자를 떼어내지 못한다. 사룸life이 있기 위해서는 DNA와 단백질이 필요하고, DNA와 단백질을 만들려면, 질소분자=기체질소가 아니라 다른 모습의 질소인 고정질소가 필요하다.
N2 + 3H2 ⇌ 2NH3
공기중의 질소와 수소를 반응시키기 위해서는 산소보다 2배나 세게 붙어있는 질소의 3중결합을 깨는 온도와 기압과 촉매를 개발해야 했다. 세땅의 46억년을 돌이켜보면, 고정질소는 충분했다. 그런데, 사피엔스의 수가 지나치게 늘어나면서 질소가 부족해졌다. 자연이 만들어내는 고정질소로는 사피엔스를 먹여살릴수 없었다.
"하버-보슈법에서는 400~500도의 온도와 대기압의 150~250배에 달하는 압력이 필요하다. (중략) 결국 보슈는 거의 마을크기에 달하는 공장을 건설했다. 이른바 중화학공업의 탄생이다." (67쪽)
저는 산소랍니다
산소가 어떻게 불이붙는지가 아직도 궁금하다. 자세히 뜯어보면 산소는 불타는 것이 아니라 산소화합물을 만드는 것이고, 그 부산물로 에너지(빛과 열)이 발생하는 것이다. 남는 에너지가 나오는 화학반응을 발열반응이라고 한다. 연료인 메탄가스를 예로들면,
CH4 + 2O2 + 에너지(빛과 열) → CO2 + 2H2O + 에너지(빛과 열)
이렇게 되는데, 산소와 메탄이 반응하려면 열이 필요하고, 일단 반응이 일어나면, 연료인 메탄이 사라지지 않는한 계속해서 에너지를 배출하는 산소와의 결합이, 산화가 일어난다. 메탄가스 자리에 다른 연료들, 나무와 종이, 휘발유, 플라스틱 같은 것을 집어넣어도 똑같은 과정을 거친다.
불은 새로운 산화물을 만들고도 남는 에너지가 외부로 흘러나오는 것이다.
불은 신기하다. 눈에 보이는 에너지고, 다른 무엇을 태워 불을 만들거나, 다른 무언가를 뜨겁게 만들어 성질을 바꿔준다. 불타는 것이 무엇인지를 이해했다. 산소가 타는 것도 아니고, 종이가 타는 것도 아니다. 종이의 탄소와 수소가 산화되고, 에너지가 남으면 불(빛)과 열로 넘쳐나오는 것이다.
다음으로 알아야하는 것이 TCA 회로다. 세포 구석구석에 필요한 에너지를 전달하기 위한 미토콘드리아의 활동이다. 몸안으로 흡수된 산소는 헤모글로빈의 철을 산화시켜 피를 붉게하면서 몸의 구석구석으로 이동한다. 그 다음을 모르겠다. 생각해보면, 이런것들 다 중고등학교때 배웠다. 까마득히 잊고 있다가 다시 떠올린다면, 뭔가 새로운 자극이 있었을 것이기 때문이다. 그게 뭘까? 사람을 아는 것이 필요해서였을까?
"모든 다세포 사룸life의 원형인 진핵생물은 까마득한 옛날 미토콘드리아를 끌어안고 산소라는 독을 헤쳐나갔을 것이다. 원래 미토콘드리아는 독립 사룸체였다. 하지만 수십억년전 어느날 큰 세포에게 잡아먹힌다. 이유는 모르지만 그 독립생명체는 소화되지않고 살아남을수 있었고, 결국 포식자세포의 일부가 되었다.
(중략) 모든 세포는 세포핵 내부에 DNA를 가지고 있다. 미토콘드리아도 DNA를 가진다는 것은 하나의 세포에 두개의 신분증이 있는셈이다. 우리처럼 수십조개의 세포로 이루어진 거대한 동물은 산소호흡으로 얻는 막대한 에너지가 없었으면, 제대로 움직이지 못했을 것이다.
(중략) 세땅earth의 사룸체life는 수소이온을 배터리로 사용하여 에너지를 저장한다. 식물은 광합성을 통해 수소이온을 모으고, 동물은 호흡을 통해 수소이온을 모은다. (중략) 수소는 세땅위 모든 사룸에너지의 근원이라 할만하다." (71~2쪽)
3장 물질을 만드는 세가지 방법
양성자가 하나씩 쌓여서 원자가 되고, 그것들이 또 하나씩 더해져서 분자가 되고 물질이 된다면, 양이 질의 변화를 가져온다는 말이 너무 쉽게 고끄하게=고개를 끄덕이게 된다. 그렇다면, 양성자가 만들어내는 양질전화는 양자세계와 물질세계에서만 일어나는 일일까. 아니다. 세계의 모든 곳에서 일어난다. 무엇을 변화시키려면 양을 늘려야한다. 늘려야할 것이 무엇인지를 알아야 한다. 사람수일지, 연습횟수일지.
"원자에서 물질로 갈때, 일종의 양질전환과 같은 일이 일어난다고 보면된다. (중략) 원자들이 주고받을수 있는 힘은 전자기력뿐이다." (75~6쪽)
맛이 전하량이라고.
"사람의 혀는 나트륨이온이 닿으면 짜다고 느낀다 맛을 느끼는 과정은 복잡하지만 혀가 감지하는 것은 원자가 아니라 전하다. 나트륨이온과 똑같은 전하량을 가지는 리툼이온이나 칼륨이온 모두 짠맛이 나는 이유다." (78쪽)
물질을 만드는 세가지 방법을 고끄할 정도로 잘 알지는 못한다.
1) 공유결합과 이온결합의 다름 : 금속과 비금속의 결합은 이온결합이고, 비금속끼리의 결합은 공유결합이다.
2) 금속결합 : 모든 전자가 중첩되어있다. 그래서 단단하면서, 그래서 휘기나 합금을 만들기가 쉽다.
3) 결합력의 세기 : 이온결합 > 금속결합 > 공유결합
전자의 중첩을 이해해야할까? 두개의 수소원자가 가까이 접근하면 전자들이 다른 오비탈에 동시에 있을수 있다는 이야기다. 양자중첩이라고 한단다. 이것은 고끄하는 것이 아니라 외우는 것이다. 전자는 그런 특성을 갖고 있다.
녹는점이 232도로 매우 낮고(?), 빛나고 무른 성질을 가진 주석Sn에 대해 좀더 알아야겠다. 주석은 철보다 산화되기 어렵다.
1) 구리(녹는점 1,084도) + 주석(232도) => 청동
2) 구리(1,084도) + 아연(420도) => 황동
3) 철(1,535도) + 주석(232도) => 양철
: 얇은 철판을 주석을 녹인물에 집어넣어 얇은 주석막을 입힌것이 양철판이다.
4) 이온화경향 = 전자를 잃어버리기 쉬운 순서로 늘어놓은 것 = 산화가 쉬운 순서로 늘어놓은 것
: 크카나마알젠훼니 주납 수구수은 백금
고등학교에 다닐때까지는 화학을 공부하고 싶었다. 세상의 모든 것을 화학으로 이야기할수 있다는 것을, 어렴풋이 알았기 때문이다. 그후로 15년 동안 잊고 지내다가 외환위기가 터지면서, 도시의 회사가 아니라 새로운 삶을 살아야한다는 생각을 했을때, 화학이 미워졌다. 모든 나쁨이 화학으로부터 비롯되었다고 생각했다. 틀렸다.
그 틀린생각을 바탕으로 해서, 깨끗한 농사를 지어야 하고, 자연으로 돌아가야 하고, 자유롭게 살아야한다는 생각을 했다. 그래도 서두르지 않은 것이 다행이었다. 틀린 생각을 많이 했지만, 괜찮은 생각들도 섞여있었던 모양이다. 농사를 2, 3년 지어보니, 농약과 제초제를 찾는 진짜 농부들을 이해할수 있게 되었다. 화학을 다시 생각하게 되었다.
"사실 우리몸이 화학공장이다. 우리 몸을 이루는 탄소와, 공장에서 쏟아내는 오염물질속의 탄소는 완전히 같다. (중략) 화학이란 세상이 움직이는 방법이다. (중략) 유대인을 학살한 것은 화학이 아니라 사람이다.
(중략) 항생제나 여러 약품들도 모두 화학회사가 만드는 것이다. 사람의 수명이 급격히 늘어나고 삶의 질이 높아진것은 대부분 화학의 공로다. 양자역학은 지성의 위대한 승리지만, 그것을 실제 세상의 이해와 나아가 응용까지 끌어내려면 화학이 필요하다." (97~8쪽)
더 중요한 이야기는 이것이다. 양질전환이 왜 일어나는지를 모르겠다는 것이다. 강력과 약력은 왜 원자세계를 벗어나면 힘을 쓰지못할까? 이것도 그냥 외워야하는 것 아닐까? 통일장이론을 만들려는 욕망이 이런 질문을 하게하는 것이다. 일단 외우고, 그러면서도 왜 그럴까라고 질문은 던져볼수 있다. 그런데, 이 질문은 좋은 질문일까? 알수 없다.
"나를 포함한 세상 모든 것은 원자로 되어 있다. 하지만 모든 것의 근원인 원자는 세상의 모습과 너무나 다르다. 이제 원자를 하나둘 모아서 10억 곱하기 10억 곱하기 10억 개를 모으면 사과나 고양이같이 우리에게 익숙한 물체가 된다. 이들은 우리가 이해할 수 있는 방식으로, 즉 뉴턴역학이 기술하는 방식으로 운동한다. 더 이상 원자와 같이 두 장소에 동시에 존재한다든지 하는 이상 행동을 하지 않는다는 말이다. 하지만 왜 원자가 많이 모이면 이상한 행동이 사라질까?" (98쪽)
물리학자에게 신이란
우리에게 신=야훼=하느님=하나님=한울님=알라=초인=달라이라마는, 이런 존재들과 그들의 바뀐 모습이다.
"사람은 조건화하는 것을 넘어 조건화에 깔린 인과율을 이해하는 단계에 이르렀다. 이를 인지혁명이라 불러도 좋다. (중략) 주술에 깔린 근본원리는 세마science와 같다. 하지만 주술의 결과는 세마와 달리 재현가능하지 않다. (중략) 천문학은 사람이 연구한 최초의 세마다.
(중략) 신은 주술이 말하는 인과율을 깰수 있는 존재, 그러니까 자연의 법칙을 초월한 존재여야한다. (중략) 신의 이름으로 만들어진 수많은 규율은 권력자의 이권을 지키기 위한것만은 아니었으리라.
(중략) 기원전 900년경부터 기원전 200년경 사이 지금까지 이어져온 사상과 종교의 위대한 전통이 나타났다. 독일의 철학자 카를 야스퍼스는 이 시기를 축의시대라 불렀다. (중략) 축의시대의 현자들은 하나같이 공감과 자비를 이야기했다. (중략) 신은 사람이 다른 사람들과 함께 조화롭게 살기위해 만들어낸 궁극의 상상력이었던 것이 아닐까 " (100~9 쪽)
2. 별은 어떻게 우리가 되는가
4장 물리학의 관점으로 본 세땅earth
원자의 관점에서 본 세땅이라고 하면, 사룸life이든 아니든 똑같은 것으로 만들어져있다. 사룸은 세땅위에 있는 것들을 끌어모아서 만든 기계다. 물을 끓여서 움직이는 증기기관과 사람을 나란히 놓고 보자.
물을 끓이는 것은, 산소가 탄소와 결합하면서 = 탄소가 산화되면서 남은 에너지(빛과 열)로 물을 뜨겁게 덥힌다. 덮혀진 물이 피스톤을 움직여 증기기관차가 움직인다.
우리몸도 탄소분자인 포도당을 이용해서 에너지를 얻는다. 탄소분자를 쪼갤때 나오는 에너지(빛과 열)를 이용해 미오신과 액틴이라는 단백질을 조절하면 근육운동을 하게 된다. 근육운동을 통해 사람이 움직인다. 산소는, 탄소화합물인 포도당이 쪼개져 ATP를 만들때 나오는 전자를 주워담은 다음에, 수소와 결합하여 물을 만드는 것으로 사람의 움직임에 역할을 한다. 산소가 없으면, 쓰고남은 전자를 배출하지 못하기 때문에 근육운동을 할수 없다. 이것을 좀더 쪼개어 이야기하면 아래와 같다. 눈에 보이지 않으니 알기가 쉽지 않다.
1) 들이마신 산소의 이동 : 대기중의 산소는 폐에서 헤모글로빈Hb와 결합한다. 이때 산소는 Hb의 헴안에 들어있는 철Fe이온을 산화oxidation시키지 못한다. 이것은 이온결합도 금속결합도 아닌, 산소화oxygenation 공유결합이라고 한다. 산소는 보통 전자를 빼앗는 역할을 많이 하는데, Hb안에는 이미 전자를 빼앗긴 철이온Fe2+이 들어있어서 더이상 빼앗을 전자가 없다. 산소는 어쩔수없이 자신의 껍질전자 2개를 철이온에게 제공하는 공유결합 방식으로 Hb와 결합한다. 이 결합은 힘이 약해서 언제든 산소가 자신의 껍질전자를 되찾으면서 분리될수 있고, 그 일이 산소가 운반되어진 세포에서 일어난다.
2) ATP를 만들고 뒤처리를 하는 산소 : 운반된 산소는 세포로 보내진다. 포도당을 분해하는 모든 일은 ① 세포질의 포도당 분해과정 - ② 미토콘드리아의 크랩스회로와 전자전달체계에서 일어난다. 포도당은 효소에 분해되어 피루브산이 되고, 피루브산은 전자전달물질을 만들고, 전자전달물질이 미토콘드리아의 전자전달체계에서 ATP를 만들고 에너지를 잃은 전자를 방출하는데, 이 전자를 받아 환원된 산소가 수소와 결합하여 물이 된다. 이 물은 다시 몸에서 사용되고, 만들어진 ATP는 에너지가 필요한 곳에서 쓰여진다.
꼭 알아야 할 화학식 네가지는 아래와 같다.
㉮ Hb + 4O2 ⇌ Hb(O2)4 : 하나의 헤모글로빈분자에 4개의 산소분자가 공유결합하여 세포로 옮겨진다.
㉯ 6 C6H12O6(포도당) + 2ATP + 2NAD+ → 2 C3H4O3(피루브산) + 2ADP + 4ATP + 2NADH : 포도당이 쪼깨진다
㉰ NAD+ + H+ + 2e− → NADH : 높은 에너지의 전자를 옮긴다 (크랩스 회로와 전자전달체계에서 전자를 옮긴다)
㉱ FAD + 2H+ + 2e− → FADH2 : 높은 에너지의 전자를 옮긴다 (크랩스 회로와 전자전달체계에서 전자를 옮긴다)
"포도당이 산소와 결합하여 이산화탄소가 될때 나오는 에너지가 동물이 살아가는데 필요한 에너지원이 된다."
117쪽에 커다란 사진 한장이 나온다. 땅위에 드러난 샌앤드레이어스단층은, 태평양판과 북아메리카판의 경계다. 태평양판은 해양판이고, 북아메리카판은 대륙판인데, 캘리포니아의 땅위에 드러나 있다. 이것을 보존단층이라고 한다. 이 두개의 판이 보이는 것이 신기하면서도 무시무시한 지진이 언제 일어나도 틀리지 않은 곳이다. 이 사진을 본김에 세땅earth의 판들이 어떻게 놓여져 있는지 찾아보았다. 판의 움직임은 해구로의 기들현상subduction과 해령의 밀어냄이 만들어낸다. 태평양판의 경우 남아메리카의 해령이 밀고, 마리아나해구로 기어들어가는 현상에 의해 움직인다.
샌안드레이어스단층은 이와는 달리, 태평양판이 북서로 이동하고, 북아메리카판이 남쪽으로 이동하면서 만들어지는 수평단층이다. 그래서 1906년의 샌프란시스코 대지진이 발생했고, 그동안 지진에너지가 축적되고 있어서 커다란 지진이 일어날수 있는 곳으로 알려져있다.
높은 산맥은 두개의 판이 충돌하면서 만들어지는데, 가벼운 판이 무거운 판에 밀어올려진다.
1) 히말라야산맥 : 두개의 대륙판의 충돌. 인도판이 유라시아판 밑으로 들어가면서 습곡이 생기며 밀어올려졌다.
2) 안데스산맥 : 아스카판(해양판)이 남아메리카판(대륙판)을 밀어올려 만들어진다.
3) 로키산맥 : 고대의 태평양판이 작은 각도로 북아메리카판으로 깊숙이 들어가면서 습곡이 생기며 밀어올려졌다.
4) 알프스산맥 : 유라시아판과 아프리카판 사이에 있던 테티스해가, 두판이 충돌하면서 압축되어 사라졌고, 충돌을 계속한 두판에 의해 습곡이 생기면 밀어올려졌다.
알루미늄. 지각에서 3번째로 많은 원소로 무려 8%를 차지하고 있다. 보크사이크에서 추출한 알루미나=산화알루미늄
보석은 크게 세가지로 만들어진다.
1) 탄소결정이 3차원으로 자라면 다이아몬드다
2) 석영 결정이 자라면 수정이고, 석영결정에서 무지개빛 오팔이 만들어진다.
3) 알루미나 결정이 자라면서 루비와 사파이어, 에머랄드를 만든다.
"자연에서 큰 결정이 저절로 만들어지기는 매우 어렵다. 쉽게 말해서 귀하다. 그래서 우리는 어느 정도 크기가 되는 결정을 보통 '보석'이라 부른다. 지각에 가장 흔한 산소와 규소가 만나 결정을 형성하면 '수정'이라는 보석이 된다. 이 과정에 수분이 더해지면 수정이 무지개 색을 띠게 되는데, 이것이 '오팔'이라 불리는 보석이다.
지각에 가장 많은 금속인 알루미늄과 지각에 가장 많은 원자인 산소가 결합한 산화알루미늄이 결정으로 성장할 때 크로뮴 원자가 약간 첨가되면 붉은색 '루비'가 되고, 타이타늄과 철 등이 더해지면 파란색 '사파이어'가 되며, 베릴륨, 크로뮴이 더해지면 초록색 '에메랄드'가 된다. 결국 보석을 이루는 원자는 지각을 이루는 흔한 원자들이다. 보석이 귀한 것은 그것을 이루는 재료가 특별해서가 아니라 그것이 만들어지는 과정이 까다롭기 때문이다. 보석의 색이 아름다운 것은 소량의 불순물 금속 원자 때문이다." (131쪽)
[ 사진출처 : 중고등학교에서 과학을 가르치고 계시는 달빛과학님의 블로그에서 ]
5장 핵과 별 그리고 에너지의 뿌리
그렇다. 에너지의 뿌리도 별이고, 사룸life의 뿌리도 별이다.
"모든 에너지는 단 하나의 뿌리에서 온것이다. 그 뿌리는 바로 별이다." (147쪽)
원자핵을 묶는 힘은 핵력 = 강력 = 강한 상호작용이다.
베타붕괴가 일어날때 작용하는 힘은 약력 = 약한 상호작용이다.
1) 입자와 빛 : 알파입자 = 헬륨 / 베타입자 = 전자 / 감마선 = 에너지가 가장 높은 빛
2) 알파붕괴 : 원자번호가 83을 넘는 무거운 원자핵에서 알파입자He를 내놓고 안정하려는 것을 말한다.
3) 베타붕괴 : (-) 전자를 내놓는 음의 베타붕괴 = 중성자가 양성자가 된다 : 일상에서 일어난다
/ (+) 양전자를 내놓는 양의 베타붕괴 = 양성자가 중성자가 된다 : 1천만도의 별에서 일어난다
4) 알파입자 He 만들기 : H + H = nH / nH + H = nHe / nHe + nHe = He
"알파선과 베타선이라는 이름을 지은 어니스트 러더퍼드는 알파선을 이용하여 원자내부에 원자핵이 존재한다는 사실을 처음으로 발견했다." (153쪽)
표준모형이란 기본입자와 이들사이의 상호작용을 설명하는 이론이다.
1) 기본입자는 물질을 만드는 페르미온과 상호작용을 전달하는 보손으로 나뉜다.
2) 페르미온은 쿼크와 렙톤으로 나눈다 : 쿼크는 업과 다운으로 나누고, 렙톤은 전자와 중성미자다.
3) 보손은, 강한 힘을 전달하는 글루온과 전자기상호작용을 전달하는 광자, 약한 힘을 전달하는 w, z 보손이 있다.
물리학자에게 죽음이란
삶은 특별한것이고, 죽음이 자연스런 상태다.
"죽음은 정의할 필요없다. 원자의 집단이 갖는 자연스런 상태가 죽음이기 때문이다. (중략) 물질이 존재하는 자연스런 모습 그 자체를 우리가 죽어있다는 특별한 용어로 부르는 것이다.(중략) 삶이야말로 그 자체로 특별한 상태다. (중략) 사람은 흙에서 와서 흙으로 돌아간다는 말은 아름다운 은유가 아니라 세마의 사실이다. 이렇게 우리는 원자를 통해 영원히 존재한다. (중략) 나역시 죽으면 흙이되고 나무가 되어 어떤 책의 일부가 될수도 있다. 죽음이후에도 우리는 무엇인가가 된다." (194~7쪽)
3. 사룸, 커미universe에서 피어난 경이로운 우연
7장 사룸은 화학기계다
이야기가 재미있다. 사람이 죽어야 새로운 생각이 자리를 잡을수 있다. 이 이야기를 듣기전부터 사람들은 설득이 어렵다는 것을 알고 있었다. 지식때문이 아니라 홀사individual의 경험때문에 편견이 생기는거라서, 경험이 바뀌지 않으면 생각이 바뀌기 어렵다고 한다. 무슨 까닭이든, 사람은 설득하기가 어렵다.
양자역학이 정설로 자리잡을때도 ATP가 만들어지는 과정을 인정받을때도 많은 시간이 걸렸나 보다. 크랩스회로가 높은 에너지의 전자를 이동시키면, 미토콘드리아는 즉시 ATP를 만드는 것이 아니라, 전자를 이용해 양성자를 퍼올렸다가 필요할때 ATP를 만들게 된다. 전자전달체계에 대한 이론을 만든 것이, 노벨상을 받은 피터 미첼이다.
"1961년 피터 미첼Peter Mitchell (1978년 노벨화학상 수상)은 놀라운 제안을 한다. 사람들이 10년 가까이 그의 이론을 철저히 무시한 것만 봐도 그의 이론이 정말 놀라웠다는 것을 알 수 있다. 미첼은 노벨상 수상연설에서 막스 플랑크Max Planck의 말을 인용했다. "새로운 세마science 개념은 반대자들이 설득되어서가 아니라 그들이 죽기 때문에 정착된다.”10년 동안 겪었을 내면의 고통이 느껴진다." (224쪽)
먹거리를 통해 포도당이 공급되고, 호흡을 통해 산소가 공급되면, 세포질에서는 포도당(6탄당)을 피루브산(3탄당)으로 분해하고, 크랩스회로에서는 피루브산으로부터 전자를 이동시키며, 미토콘드리아의 내막에서는 전자기력을 이용해 양성자를 퍼올려 보관했다가 필요한 순간에 ATP를 생산한다. 생산된 ATP는 근육운동(미오신-액틴)을 하거나 단백질을 만들어 인체의 생화학공장이 돌아간다.
사룸을 다시 아사룸과 구분하는 틀을 가져야 한다.
작은 원자와 거대한 커미universe 사이에 여러물질들이 있는데, 연쇄화학반응을 하는 덩어리도 있다. 그것을 사피엔스가 사룸life라고 이름지었고, 사룸이 아닌것들은 아사룸=사룸이 아닌것이다. 연쇄화학반응이 멈추면, 아사룸이 된다.
"(자크 모노) 진화는 결코 사룸체의 고유한 속성이 아니다. 오히려 보존의 메커니즘이야말로 사룸체만이 특권으로 유일하게 가진 독특한 본성이며, 진화란 이러한 보존메커니즘의 불완전성으로 인해 일어나는 것이기 때문이다. (중략) 몸을 이루고 있는 수많은 분자는 열역학제2법칙에 따라 뒤죽박죽으로 흩어지려 하기 때문이다. 결국 영원불멸의 유지는 불가능하다. (중략) 호흡으로 에너지를 만드는 과정은 연쇄화학반응에 불과하다. 우리는 화학반응이 이렇게 차례대로 일어나는 것을 살아있다고 말한다." (205~228쪽)
8장 사룸은 정보처리기계인가
사람은 사람을 낳고, 고양이는 고양이를 낳는 이유
어제 자장가로 들은 박문호의 이야기에서 가장 즐거웠던 말은,
나이 60이 넘도록 공부했으면,
이제 새로운 것을 만들라는 말이었다.
창조.
생각만해도 가슴이 뛴다.
돌이켜보면,
1) 고된 농사일과
2) 의무에서 해방되려는 여행과
3) 길을 잃지않으려는 공부를 하면서
끊임없이 어떤 욕구가 솟아올랐다.
제일 먼저 드러난 것은,
집뜰만들기다.
사는 곳이 어디든 땀흘려 일할수 있는곳,
집뜰=가원=family garden 만들기다.
괴로움을 이겨내고 아름다운 것을 만들어내는 곳이다.
괴로움을 이겨내면서 시가 나온다.
괴로움을 이겨내면서 더 큰 즐거움을 얻는다.
힘들지만 가난에서 벗어날수 있는 바탕이다.
두번째로 드러난 것은, 말만들기다.
일제와 중국과 세계와 영어에 포위되어 우리말의 발전이 끝나버리는 상황에서
벗어나고픈 욕구였다.
생명이라는 일제가 번역한 말을,
사룸 = 살아움직이는 것 = life로 바꾸는 것이 첫걸음이다.
이미 많은 사람들이 하고 있지만, 나도 힘을 보태고 싶었다.
세번째로 드러난 것은, 새로운 도시공간인 높세집을 짓고 싶은 욕구다.
사람을 위한 도시를 수평개발하는 방식에서
많은 땅을 자연에 돌려주고,
사피엔스를 위한 집은, 수직개발하는 방식으로 나아가자는 것이다.
지금의 아파트를 3~40층 정도로 끝내지 말고,
단계를 밟아야겠지만, 1, 2백층으로 더 높여 지을수 있도록 하자는 것이다.
이집의 이름은 이제 아파트가 아니라 높세집=높이 세운 집이다.
그 높세집은 그냥 만들어지는 것이 아니다.
토목-건축-구조 기술을 바탕으로 소재기술, 안전기술, 인공지능기술, 이동기술 등
모든 기술들을 개발해나가야 한다.
돈이 들어가야 하고, 사람들이 모여야 한다.
땅만 필요없어진다.
우리 사회가 높세집에 대해
고끄할수 있게=고개를 끄덕일수 있게 만들고 싶다.
이제 사룸으로 또 들어가보자.
1) 사룸은 우연히 만들어진 하나의 덩어리다.
2) 이 덩어리는 연쇄반응이 일어나는 생화학공장이다.
3) 이 덩어리는 연쇄반응을 바탕으로 스스로를 보존하려고 한다.
4) 이 덩어리는 영원한 보존을 위해 복제라는 방식을 택했다.
5) 보존과 복제가 정신활동으로 나아갔다.
"세땅earth위 사룸체는 자기자신을 만드는데 필요한 모든 정보를 유전자의 형태로 가지고 있다. 사람의 경우, 몸을 이루는 수십조개의 세포 모두가 유전자 복사본을 한부씩 가지고 있다. (중략) 이 완전한 사룸의 도면을 유전자라 부른다." (233~4쪽)
사룸life을 알기 위해서는, 세포와 뉴핵(뉴클레오타이드와 핵산)과 아담(아미노산과 단백질)을 알아야 한다.
1) 세포 : 원핵세포prokaryotic cell과 진핵세포eukaryotic cell
: 원핵세포는 핵이 없이 DNA와 리보솜, 미토콘드리아로 만들어지고,
진핵세포는 핵과 핵막, DNA와 리보솜, 미토콘드리아, 소포체, 골지체, 엽록체 등으로 만들어진다.
2) DNA와 RNA : 유전정보(단백질 합성정보)를 저장하고 전달한다.
뉴클레오타이드(인산-5탄당-염기)가 상보결합하여 한쌍을 이룬다.
DNA는 이중나선이고(디옥시이므로 -H), RNA는 단일나선(리보스이므로 -OH / -CH3)
3) 아미노산과 단백질 : 3쌍의 뉴클레오타이드가 하나의 코돈으로 하나의 아미노산을 지정하고,
서로다른 코돈이 같은 아미노산을 지정할수 있다.
아미노산은 총 20가지다.
아미노산을 여러개 배열하면 단백질이 만들어진다.
사람의 몸에는 23천개의 단백질이 있고, 수십만개가 넘는 단백질을 만들수 있다.
아미노산의 기본구조 : NH2 - C - COOH : 중심 탄소에 아미노기(NH2)와 카복실기(COOH)가 붙어있다.
아미노산의 종류를 결정하는 것은 곁사슬 R
재미있는 일이다. 모든 일이 필연처럼 느껴지다가도 모든 일이 우연처럼 느껴진다. 우연한 사건이 큰 흐름이 되어 필연이될 뿐이다. 그렇게 생각한다.
"화학반응을 지시하는 존재는 따로 없다. 충분히 많은 분자가 빠른속도를 갖고 무작위로 움직이기 때문에 일어나는 일일뿐이다. 원자수준에서 이것을 위한 어떤 의도나 목적은 없는듯하다. 하지만 수많은 원자들이 모여 사룸life의 몸체를 이루는 순간, 외부변화에 저항하며 자신을 유지하고, 나아가 자신의 복제품을 만드는 것이 탄생한다. 적어도 현재의 물리학으로 원자수준에서 사룸이 있어야할 필연성을 끌어낼수는 없다." (261쪽)
9장 최초의 사룸체life와 진화
돌연변이. 자외선이나 X선을 쬐면 DNA에 이상이 생겨서 나타나는 현상이라고 배웠는데, 뭔가 달라진 모양이다. 제미니에게 물어봤더니, 밖의 원인으로는 강한 방사선, 안의 원인으로는 복제과정에서의 아주 작은 잘못이 유전가능한 돌연변이를 일으킨다고 답한다.
"진화론이 옳다면, 유전정보를 갖는 물질이 존재하고, 복제하거나 번식할때 실수가 일어나야 한다. 실수는 개체에 변이를 만들어내고, 이는 새로운 환경에서도 생존할수 있는 특별한 능력의 원천이 된다. 그렇다고 변이가 심하게 일어나면 개체는 생존하지 못하고 바로 사라질 것이다." (276쪽)
대기중에 충분한 산소가 있다면, 500℃의 높은온도나 불꽃이나 스파크로 높은 에너지가 있으면, 산소와 수소가 결합하여 물이 만들어지는 발열반응이 일어난다고 한다. 산소농도가 충분한 지구의 대기에서는 수소가 달아나지 않으므로 물이 순환할수 있는 시스템이 갖춰져 있다.
그렇다면 반대로 물은 어떤 조건에서 수소와 산소로 분해될까? 높은 전압을 걸어 에너지가 공급되어야 한다. 산불이 나거나 번개가 칠때, 물은 산소와 수소로 분해될수 있고, 산소와 수소가 결합하여 물이 될수도 있다.
이산화탄소는 물과 결합해 탄산수를 만든다. 적도지방의 뜨거운 바다에서 이런 반응이 쉽게 일어난다. 산불이 나거나 번개가 치지 않아도 공기중의 이산화탄소는 적도지방의 뜨거운 바닷물에 잘 녹는다.
탄산수는 쉽게 수소이온=양성자=H+를 내놓는다.
수소와 산소와 이산화탄소와 물의 순환과정을 알아야한다.
사룸의 역사를 정리해보자.
138억년전 빅뱅 -> 46억년전 세땅earth 태어남 -> 40억년전 원핵사룸(실산사룸=산소를 싫어하는 사룸=anaerobic organism) -> 35억년전 시아노박테리아(=사룸균 : 1%의 산소 만들기) -> 25억년전 진핵사룸 -> 10억년전 다세포사룸 -> 5.5억년전 캄브리아기 사룸 대폭발(고생대의 시작 / 판게아가 만들어지는 시대) -> 5억년전 육상사룸의 출현
-> 3억년전 산소농도 21% -> 2.5억년전 거대한 화산폭발로 페름기 대멸종. 중생대 공룡의 시대. 판게아의 분리.
-> 6,600만년전 소행성 충돌로 백악기 공룡 대멸종. 양막포유류의 시대인 신생대 시작
-> 500만년 전 호모의 시대 -> 50만년전 불을 사용하는 호모의 시대 -> 30만년전 호모사피엔스가 나타남
-> 10만년전 ~ 1.2만년전 마지막 빙하기 -> 5만년전 언어와 벽화가 나타나고 생각과 만각을 하게 되었다
첫사룸이 무엇인지 밝혀지지 않았다. 첫사룸을 밝혀내지 못하면, 진화의 처음을 알지 못하게 된다. 거슬러 올라가다가 어느 순간에 막힌다. 커미의 처음과 사룸의 처음이 비슷하게 안개속이다. 빅뱅과 첫사룸의 실체가 무엇일까.
"최초의 사룸체는 에너지 생산장치, 단백질 합성기계, DNA를 모두 가지고 있어야 한다. (중략) 사룸이 우연으로 만들어졌다면, 뒤죽박죽으로 뒤섞인 원자들에서 이런 많은 장치가 어느날 갑자기 '짠!'하고 한꺼번에 조립되었어야 한다는 뜻이다. 이게 가능한 일일까?" (271쪽)
10장 다세포사룸에서 사람까지
단세포에서 다세포로 가는 길도 그리 간단하지 않은 모양이다. 공생이라는 것으로 이야기가 되기 때문에 첫사룸 보다는 쉽다. 맡은 역할만 해내면 삶이 되는 세상이, 다세포사룸이다.
"단세포사룸들도 한데 모여서 집단을 이룰수 있는데 이를 집락colony라고 부른다. 세포성 점균류의 하나인 딕티(이하 줄임. 귀엽게 생겼다)는 보통 단세포사룸으로 살아가지만, 먹이가 고갈되면 수백마리가 모여 민달팽이처럼 생긴 거대한 개체가 된다. (중략) 모든 세포가 같은 유전자를 갖고 특화된 임무만 수행하는 동물이 있다. 처음 존재했을 다세포동물의 원형이라할만한 이것은 해면동물이다." (288~9쪽)
요즘은 중학생들도 이렇게 배우리라. 중학과정 정도의 지식만 알고 살아도 답답한 일이 적으리라. 해면동물은 스펀지밥이다. 후생동물metazoa는 뒤에 만들어진 동물을 말한다. 척추동물의 조상인 척삭동물은 좌우대칭의 후구동물이다. 연체동물-선형동물-절지동물은 좌우대칭의 선구동물이다. 입이 먼저 만들어지면 선구동물이다.
"사실 멸종은 끊임없이 일어났으며 지금도 일어나고 있다. (중략) 멸종은 진화를 이루는 중요한 축이다. 환경변화에 적응하여 진화한다는 것은 적응하지 못하는 사룸이 멸종한다는 말이기도 하다." (303쪽)
물리학자에게 사랑이란
필연과 우연은 큰흐름이냐 작은흐름이냐 정도의 다름이다. 그게 그건데, 엄청나게 다르게 느껴진다. 김상욱은 필연은, 아무런 감동을 주지 않는다고 했지만, 별이 빛나고 - 달이 커다래지고 - 별똥별이 보이면, 감동의 물결이 밀려온다. 자질구레한 필연들 또는 인과법칙이 딱 맞아떨어지는 늘 보는 일들이야 감동을 주지 못하지만, 공전주기가 수백년인 나그네별이 눈앞에 보인다면, 인과법칙과 필연에 감동하게 된다. 사필귀정에도 우리는 감동한다. 당연히 그리될줄 알았지만, 건희석렬이가 탄핵될때를 생각해보면, 키세스 초코렛들이 생각나면서 감동이 밀려온다.
필연의 과정을 비가역과정이라고 말하는 것도 한조각만 맞다. 가역반응도 필연의 과정이다.
사랑이 우연과 필연을 다 거치며 만들어지는 것은 맞을 것이다.
그렇다고 비가역의 과정은 아니다. 언제든지 사랑 이전으로 되돌아갈수 있다.
"물리학자는 이과정에서 엔트로피가 증가했다고 말한다. 이런 필연의 과정을 '비가역 과정', 즉 거꾸로 돌이킬수 없는 과정이라고 말한다." (311쪽)
4부 느낌을 넘어 상상으로
11장 우리는 어떻게 호모사피엔스가 되었는가
그림을 그린 이유는 무엇일까? 아름다움을 즐기거나 멋을 부리기 위해서라면 동굴속 깊이 묻어둘 필요가 없다. 사냥하기 좋은 장소를 몰래 가르쳐주기 위한 것이라면 가능하다. 정보 전달을 하기위해 수천년 동안 비밀스런 장소에 그림을 그렸다면, 고끄할=고개를 끄덕일수 있다.
학자들은 신이라는 만들어진 믿음이, 사피엔스들을 더 힘있게 더 모이게 만들었기 때문으로 미루어 짐작한다.
"(프랑스 남부의 쇼베동굴의) 벽화가 있는 장소는 종유석이 달려 위험하기 이를데없는 통로를 수백미터나 지나야 도착한다. 물론 칠흑같은 어둠속이므로 불을 밝혀야한다. (중략) 동굴 여기저기 그려진 벽화들은 5천년 가까운 시차를 갖는다. 몇천년이 지나도록 대를 이어 굳이 같은 동굴에 와서 그림을 그렸다." (329쪽)
힘쎈놈들의 나라가 만들어진다. 농업이 잉여생산물을 만들기까지 오랜 시간의 기술개발이 필요했고, 그 괴로운 과정을 노예라는 사피엔스가 있었기에 넘을수 있었을 것이라는 말에 고끄한다.
"초기작물을 식량이 아니라 마약의 일종이었을 거라고 일부학자는 추측한다. (중략) 많은 원시종교가 제사의식에 마약을 사용했다는 사실을 돌이켜볼때, 농사에는 종교의 의미가 있었을 가능성도 크다. (중략) 노예노동을 이용할수 있었기에 노동집약 농업혁명이 완수되었는지도 모른다.
(중략) 조직화하기 위해서는 신, 국가, 민족이라는 상상의 허구를 만들 사제도 필요했을 것이다. 즉 지배자와 피지배자로 구성된 계급사회가 탄생한 것이다. 농업혁명이 사기라면 바로 이 때문일지도 모른다." (332~3쪽)
만각=만든 생각=fiction이 사람을 사람이게 만드는 바탕이자 문명을 세우는 고갱이다.
세마science는 만각fiction을 지우기 시작한다. 지워야할 것은 지워야한다.
"만각fiction 리스트는 점점 길어졌고, 오늘날 우리는 무엇이 만각이었는지조차 잊어버릴만큼 만각을 실재라 믿으며 살아간다. (중략) 농업혁명이 가져온 또하나의 중요한 결과는 천문학의 탄생이다. (중략) 천문학은 물리학의 탄생으로 이어져 뭇사람을 세마혁명과 산업혁명으로 이끌게 된다.
(중략) 사람사회자체가 그들의 만각fiction 위에 세워져있다. 만각에는 종교, 도덕, 경제, 예술, 규범, 법과 같은 것들이 포함된다. 사람이라면 이런것을 익히는데 자신의 시간 대부분을 써야 한다." (337쪽)
12장 나는 존재한다, 더구나 생각도 한다
나트륨과 칼륨도 중학교에서 다 배울텐데, 마치 신기한 세마실험을 하듯 읽게 된다. 무슨 일이 벌어질까.
신경세포가 자극을 받는다는 것은, 신경세포에 전기가 흐른다는 것이다. 이 전기가 첫 나트륨 채널을 열면, 세포밖의 Na+이 세포안으로 밀려들어가고, 이 전기의 변동이 차례로 나트륨 채널을 열면서 전기자극을 실어나른다. 그리고 나트륨-칼륨 펌프라는 단백질이 ATP를 써서 Na+를 세포밖으로 밀어내고, K+를 신경세포 안쪽으로 불러들인다.
사실 나트륨은 칼륨보다 작으므로 언제나 열려있는 칼륨채널을 통해 신경세포 안으로 들어올수 있을 것으로 보인다. 그런데, 그렇게 되지 않는다. 신경세포속의 나트륨과 칼륨은 물과 결합된 상태이고, 이 결합상태의 크기는 나트륨이 더 크다고 한다. 칼륨채널에는 칼륨의 물을 떼어내는 단백질이 지키고 있어서 오직 칼륨의 물만을 떼어내주어 칼륨채널을 지나갈수 있게 만들어준다고 한다. 정말 놀라운 일이다.
그리고, 나트륨-칼륨 펌프(sodium-potassium pump)는 천개가 넘는 아미노산이 결합하여 만들어진 단백질이다.
1) 신경세포안의 Na+ 농도가 높아지면 -> 2) 펌프에 Na+ 3개가 붙는다 -> 3) ATP를 사용해서 펌프에 인산기가 붙는다
-> 4) 펌프의 구조가 바뀌면서 세포밖으로 Na+를 내보낸다 -> 5) 펌프의 구조가 다시 바뀌고, K+가 붙는다
-> 6) 펌프에 붙어있던 인산기가 떨어진다 -> 7) 칼륨 채널이 열리면서 K+ 2개를 받아들인다
"(신경세포의) 신호전달을 매개하는 것은 이온이고, 이온이 움직이는 통로가 신경이라는 사실을 밝힌것이다. 더구나 신경의 신호전달속도는 시속 160km에 불과 (중략) 신경에서는 전기회로와 완전히 다른 방식으로 전류가 흐르는 것이 분명했다. (중략) 1939년 영국의 앨런 호지킨과 앤드루 헉슬리는 대왕오징어의 신경계를 연구하기 시작했다. 대왕오징어는 이름 그대로 눈에 보일만큼 큰 신경을 가지고 있었는데, 신경이 클수록 다루기 쉽고 신호전달속도가 느려서 실험하기 쉬웠다." (344쪽)
신경세포를 이해하는 것은 기초다. 생각 - 기억 - 학습을 이해해야 한다. 전기전달이 끊기지않고, 잠을 자거나 딴짓을 할때에도 계속해서 전기전달이 이루어지고 있다면, 그것도 시속 160km의 느린 속도로 계속되고 있다면, 그것이 기억일까? 돌에 새기는 것과같은 기억이 뇌속에서 일어나지는 않을것이다. 뇌속에는 신경세포만이 있다. 뉴런과 뉴런사이의 시냅스에 기억이 있다는 말은, 시냅스 연결을 위한 화학반응이 발달해있다는 말인가? 해마가 기억을 담당하고 있다는 말은, 해마가 어떻게 기억을 가지고 있다는 말인가? 기억과 기억을 바탕으로 한 판단, 판단을 넘어서는 생각들은 어디에서 어떻게 만들어지는가? 그저 놀라울 따름이다. 아는것은 뭐고 모르는 것은 뭔가. 놀라운데, 이야기할수 없다. 알지 못하기 때문이다.
13장 느낌과 상상, 사람을 특별하게 만드는 것들
사람은=사피엔스는 꼭 특별해야 하는가? 사람은 정말로 특별한 사룸인가?
사람은 없는 것을 상상하고, 상상한 것을 만들어내고, 상상한 것을 믿는다.
"(안토니오 다마지오는) 사람의 문화활동이 느낌에서 왔다고 주장한다. 느낌이란 특정경험에 대한 긍정 또는 부정의 반응이다. (중략) 문화가 무엇이며, 왜 생겨났는지 무엇이 특별한지 아직 정확히 알지 못하지만, 오늘도 우리는 쉴새없이 문화를 전달하고 복제한다. 문화가 무엇인지 정확히 알게 되는 날, 우리는 사람이 무엇인지에 대한 단서를 얻게 될 것이다." (369~79쪽)
문화를 다루기가 쉽지 않다. 사람이 사회를 만들어 살면서 이룩한 모든것이 문화다. 사람의 문화는 이렇고, 다른 사룸들의 문화는 무엇이고, 아사룸=사룸이 아닌것들의 문화는 또 무엇인가? 그들에게 문화는 있는 것인가? 얼버무려 답할수는 있겠지만, 정말 맞는 답인지 자신할수락 없다.
나오는 글
표준모형의 기본입자에서 시작해서 사람과 사회까지 김상욱이 아는 세계와 지식은 잘 정리되었다. 세상 모든것에 대해 정리하고 나면 이런 기분이 들겠다.
"이제 나는 다른 분야의 전문가가 들려주는 세상 모든 것의 이야기를 듣고 싶다. 이렇게 서로가 다른 분야로 한발짝씩 내딛다보면 언젠가 모두가 모든것을 이해하는 날이 오지않을까." (397쪽)
마지막으로 창발이란 무엇인가? 창발은 emergency다. 무엇들로부터 만들어진 것이 무엇들의 속성과는 완전히 다른 성질을 보여준다. 창발이라는 알수없는 한자어 말고, 새난=새로 나온것이라고 부르겠다.
업쿼크와 다운쿼크로 양성자와 중성자가 만들어지는데, 쿼크로부터 물려받은 것은 전하량말고는 없다. 양성자와 중성자와 전자로 원자를 만들면, 무게-전하량-운동량 등은 보존되지만 새로운 원자가 만들어진다. 새난emergency다.
아미노산 20개로 수십만개의 단백질이 만들어지고, 이들을 바탕으로 사룸이 만들어진다. 사룸과 단백질과 아미노산이라는 똑같은 재료로 만들어진 사룸들의 모습과 살아가는 방법은 왜그리도 다른가? 새난emergency다.
"기본입자들이 모여 원자가 되면 기본입자와는 완전히 다른 특성을 갖기 때문이다. 더구나 새로 나타난 특성을 기본입자로부터 예측하기 힘들다. 이처럼 존재하지 않았던 예측하기 힘든 새로운 특성이 나타나는 것을 창발=새난=emergency이라고 부른다." (382쪽)
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