진화를 빚어내는 물리 법칙을 찾아서

김범준(성균관대학교 물리학과 교수, 『관계의 과학』 저자)

무당벌레는 왜 바퀴가 아니라 다리가 달렸을까? 생물마다 세포의 크기는 왜 비슷할까? 모든 생명은 왜 규소가 아니라 탄소를 기반으로 할까? 생명은 오직 〈우연〉에 의해 진화하지 않았다. 진화에 우연이 작용한 것은 분명하지만, 그것이 전부는 아니다. 『생명의 물리학』은 다채로운 생명의 이면에 놀랍도록 단순한 원리가 숨어 있음을 보여 준다. 생물은 우주를 구성하는 물질로 이루어져 있으며, 물리 법칙의 지배 아래 탄생하고 번성한다. 이 책은 물리 법칙이 생명 현상에 속속들이 관여하고 있다는 사실을 드러냄으로써 우주 보편적인 맥락에서 생명을 설명하고 예측하기 위한 탄탄한 기초를 마련한다. 우주생물학자 찰스 S. 코켈은 〈물리 법칙은 진화의 길을 안내하고 진화의 길은 다채롭게 뻗어나간다〉는 관점으로 물리학과 진화생물학의 연결 고리를 찾는다. 그는 물리 법칙과 진화를 연결함으로써 〈생명이란 우주에서 증식하고 진화하는 물질 중 한 가지에 불과하다〉는 진실을 보여 준다. 코페르니쿠스의 지동설이 지구가 우주의 중심이라는 인식을 깨고, 다윈의 진화론은 인간이 다른 동물과 다르게 특별하다는 인식을 깬 것처럼, 생명을 물리학의 관점에서 설명하려는 시도는 어쩌면 나중에 〈우주에서 생명은 지구에서 유일하다〉는 인식을 깨는 출발점이 될지 모른다.

들어가는 말

1장 생명의 말 없는 지휘관
2장 많은 것을 조직화하다
3장 무당벌레의 물리학
4장 크고 작은 모든 생물
5장 생명의 꾸러미
6장 생명의 가장자리
7장 생명의 부호
8장 샌드위치와 황에 대하여
9장 물, 생명의 액체
10장 생명의 원자
11장 보편 생물학이 가능할까?
12장 생명의 법칙: 진화와 물리학의 통합

감사의 말
주
옮긴이의 말
찾아보기

*첫 문장: 과학에서 아직도 명확하게 답하지 못하고 있는 가장 매혹적인 질문들은 전통적 학문 분야들이 만나는 경계에 있다.물리 법칙이 생명 구조의 모든 수준에서 진화 과정의 범위를 얼마나 좁히는지 밝히고자 한다. - 21면물리 과정과 그 수학적 표현을 이용하여 생명 계층의 여러 수준에서 생명을 서술하는 능력이 점차 발전하고 있는데, 〈생명의 방정식〉이라는 문구는 이 능력을 한마디로 표현한 것이다. 이 책 곳곳에서 방정식의 예를 제시하겠지만 독자 여러분이 그 뉘앙스와 세부 내용이나 그 용법을 이해하리라 기대하지는 않는다. 내가 방정식을 제시하는 것은 진화 밑바탕에 깔린 물리적 원리가 이처럼 간결한 수학식으로 표현될 수 있음을 보여 주기 위해서이다. - 21면심지어 거시적 규모에서도 물리학은 생물계를 설명하는 동시에 그 작용을 제약한다. 대형 동물이 어떻게 물에서 헤엄칠 수 있는지 규명하려다 보면 왜 물고기에게 프로펠러가 없는가와 같은 질문에 맞닥뜨리게 된다. 바다를 누비면서 상어를 피하는 데 인간 공학자의 해결책인 프로펠러보다는 유연한 몸이 더 나은 방법인 것은 어떤 물리 법칙 때문일까? 유체와 그 속을 이동하는 물체의 행동은 그 속에서 어떤 유기체가 진화할 수 있는가를 엄격히 제약하며, 유기체가 이 제약 안에서 살아가기 위해 찾아내는 해결책 또한 제약한다. - 24면수업을 마치고 나서 나를 놀라게 한 것은 물리 법칙이 작용하는 생물학적 사례를 어떻게 찾을 수 있었느냐가 아니라, 전자에서 코끼리에 이르기까지 생명 계층의 모든 수준에서 단순한 물리 법칙이 생명의 특징들을 얼마나 속속들이 만들어 내고 선택하는가였다. - 25면우리가 생명을 어떻게 판단하든, 어떤 정의나 개념을 선택하든 이 모든 가능성은 단순한 물리 법칙에 완전히 들어맞는다. 노벨상을 받은 오스트리아의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거는 1944년에 출간한 매혹적인 책 『생명이란 무엇인가?What is Life?』에서 생명을 물리적 측면에서 정의했는데, 그것은 환경에서 〈음의 엔트로피〉를 추출하는 특징을 가졌다는 것이다. 이 정의가 유명하기는 하지만, 물리학에서 정형화할 수 있는 의미가 거의 들어 있지 않다는 점은 좀 아쉽다. 하지만 그가 이 문구를 선택한 것은 생명이 엔트로피(에너지와 물질이 확산하고 소산하여 열역학적 평형을 이루는 경향)에 맞서는 것처럼 보인다는 개념을 담기 위해서였다. 엔트로피는 물질과 에너지의 기본 성질을 〈사물이 그런 평형을 얻으려고 하는 경향을 나타내는〉 열역학 제2 법칙으로 압축한 것이다. 많은 경우에 이 성질은 사물이 더 무질서해지는 것과 같다. 슈뢰딩거는 엔트로피에 맞서는 투쟁이야말로 생명의 본질이라고 생각했다. - 30~31면이 책에서는 생명의 정의를 장황하게 곱씹기보다는 우리가 생명이 라고 부르는 〈번식하고 진화하는 물질〉의 보편성에 관심을 둔다. - 33면생물학 현상이 물리 법칙을 따른다고 생각하면 생물학에 대한 보편적 견해를 확장하여 이런 근본적 질문을 제기할 수 있다. 지구 밖에도 생명체가 존재한다면 그 생명체는 지구 생명체와 닮았을까? 외계 생명체의 구조와 형태도 우리와 비슷하지 않을까? 외계 생명체는 조직화의 어느 수준에서 지구 생명체와 같을까? 무당벌레 다리에서 선택된 요소들은 다른 은하에서도 선택될까? 원자가 모여 만들어진 분자는 어떨까? 무당벌레 다리를 만들고 빚는 분자는 다른 은하에서도 같을까? 무당벌레 자체는 어떨까? 다른 은하에도 무당벌레
를 닮은 생물이 있을까? 그 무당벌레가 구조의 모든 수준에서 지구 무당벌레와 똑같을 수 있을까? - 34면일찍이 1894년에 외계 생명체를 다룬 『새터데이 리뷰Saturday Review』 기사에서 과학 소설가 허버트G . 웰스Herbert G. Wells는 규산염(규소가 함유된 물질로, 암석과 광물의 구성 성분이다)이 고온에서 흥미로운 화학 반응을 나타낼지도 모른다는 주장을 언급했다. 〈규소-알루미늄 유기체가 ─ 규소-알루미늄 인간이 아니란 법이 있을까? ─ 용광로보다 몇 천 도 뜨거운 액체 철 바다의 해변에서 기체 황 대기 속을 거니는 광경을 묘사하면 사람들은 기이한 상상에 깜짝 놀란다.〉 - 35면다윈과 내가 갈라서는 지점은 그의 결론이 전반적으로 지향하는 방향이다. 세상이 중력 법칙처럼 평범하고 단순한 것에서 생겨나 생물학의 무한한 형태로 만발했다는 주장은 예술적으로는 매혹적이지만 과학적으로는 오해의 소지가 있다. 그가 중력을 기본적 물리 법칙으로 고른 것은 아이러니하다. 중력 법칙은 동물 크기의 비례에서 나무의 형태에 이르기까지 커다란 규모에서 생명을 빚는 데 어마어마한 역할을 하기 때문이다. 중력은 생명 진화의 처음부터 지금까지 줄곧 함께했으며 만물의 형태에 분명한 흔적을 남겼다. 중력 법칙은 생물이 바다에서 기어올라 뭍을 차지했을 때 생명의 성질 변화를 지배했으며 지구상의 생명이 무한하지 않고 한계를 지니도록 했다. 물리 법칙은 지금도 생명의 형태를 빚어내고 있다. 하나하나 뜯어보면 무한하긴 하지만 제한된 형태로 말이다. - 139면여기서 궁금한 것 한 가지는 최초의 세포가 어떻게 생겨났을까이다. 무엇이 이 작은 상자를 만들었기에 분자가 여기 모여 자기복제 기계가 될 수 있었을까? 이것은 생명의 역사에서 일어난 우발적 사건일까, 아니면 물리적으로 필연적이었을까? 질문에 답하려면 이 캡슐이 어떻게 형성되고 무엇으로 만들어지는지 알아야 한다. - 149면제정신이 박힌 과학자라면 규소를 생명의 토대 후보에서 빠뜨리지 않을 것이다. 규산염이 지각의 90퍼센트를 차지하는 지구에서도 규소가 규산염에서 산소와만 결합해야 하는 것은 아니다. 규소와 탄소의 화합물인 탄화규소(SiC)는 자연적으로 생성된다. 성간 매질에서는 SiN(질화규소), SiCN(시안화규소), SiS(황화규소) 같은 여러 규화물이 관찰되었으며, 이는 규소가 우주 규모에서 특이한 화합물을 만들 수 있음을 보여 준다. - 310~311면

생명은 놀랍도록 다양하지만,
더 놀라운 것은 다양성 안에 담긴 공통점이다.
- 김범준(성균관대학교 물리학과 교수, 『관계의 과학』저자)〈외계인은 어떤 모습일까?〉라는 질문에
과학적으로 답해 보는 짜릿한 지적 유희를 즐길 수 있다.
- 윤성철(서울대학교 물리천문학부 교수, 『우리는 모두 별에서 왔다』저자)물리학의 눈으로 생명의 단순함을 발견하다
푸르른 공원에 앉아 가만히 주위를 둘러보라. 하늘에는 새나 잠자리가 날고 잔디밭에는 개미가 줄지어 기어 다닌다. 운이 좋다면 나무를 가뿐히 오르는 다람쥐를 만날 수도 있다. 진화학자라면 아마 이 광경을 보고 생명이 어떻게 이토록 다양해졌는지를 설명하려고 할 것이다. 그렇지만 물리학자라면 생물에서 어떻게든 물리 법칙을 찾으려고 할 것이다.
코켈은 지구에서 진화해 온 생물을 개체군에서 아원자 규모까지 역추적하며 각 수준에서 물리 법칙과 물리적 제약 조건이 작용한다는 사실을 드러낸다. 손등 위를 수직으로 기어오르는 무당벌레 다리의 점착력과 다리를 다시 떼는 데 필요한 에너지는 방정식으로 표현될 수 있다. 이러한 방정식은 모든 곤충에 적용된다. 땅속에서 흙을 밀어내며 땅을 뚫는 두더지의 작달막한 앞발은 표면적이 작을수록 압력이 크게 작용한다는 법칙이 최적화된 형태다. 지렁이는 두더지와 다른 동물군에 속하지만 긴 원통형 몸에 끝이 뾰족한 모습은 두더지의 앞발과 마찬가지 원리에서 비롯된 것이다. 작은 규모의 계층으로 내려갈수록 물리 법칙의 영향력은 뚜렷하게 드러난다. 세포는 중력에 찌그러지지 않고 내용물을 잘 담기에 적합한 크기이며, 유전 부호의 복제와 전달 과정, 에너지를 얻는 화학 과정은 궁극적으로 원자의 힘에서 비롯된 것이다.
생명에 관한 물리학의 시선은 진화론과 상충하지 않는다. 오히려 다양한 생물의 모습에서 생명의 단순성을 포착하는 눈을 길러 준다. 이 책을 다 읽고 나면 생명을 폭넓게 이해하게 될 것이다.지구 너머에도 생명체가 있다면 그들은 우리와 닮았을까
드넓은 우주에 유일하게 지구에만 생명이 존재하는 걸까? 천문학자들은 일찍이 외계 생명체의 존재 가능성에 대해 논의해 왔으며 생명이 거주할 수 있는 조건의 행성을 찾고 있었다. 우주 탐사는 현재 진행형이다. 과연 척박한 우주 환경에 생물이 존재할까?
영국의 불비 광산 지하 깊은 곳 짜디짠 암염 환경에서 미생물이 발견된다. 미국 옐로스톤 국립공원의 끓는 웅덩이에도 미생물이 살며, 해양의 열수구에 사는 미생물은 섭씨 122도에서도 번식할 수 있다. 이 책에서는 극한 환경에서 서식하는 미생물이 개발해 낸 생존 방법을 살펴봄으로써 생명의 물리적 한계를 이해한다. 이를 통해 고온과 저온, 고압과 저압, 고방사선 등 극한 조건의 외계 행성에서 생명이 존재한다면 어떤 모습일지 물리적 환경을 근거로 예측해 볼 수 있을 것이다.
『생명의 물리학』은 생물을 우주의 한 부분으로서 넓은 시야로 이해할 수 있게 한다는 점에서 참신하며, 생물 진화가 우연의 산물인 동시에 예측 가능성을 지니고 있음을 보여 준다는 점에서 혁신적이다. 생물의 형태와 행동을 읽어 내는 방정식부터 생명이 탄생할 수 있는 우주 환경 탐색까지, 물리학의 렌즈를 통해 생명에 관한 시야를 확장할 수 있을 것이다.물리학과 생물학의 연결 고리를 찾다
이 책은 물리학과 진화생물학의 연결 고리를 탐구한다. 물리학이 관심을 갖는 생명이라는 물질과, 생물학이 연구하는 대상은 모두 우주에 있다는 공통점이 그 연결 고리이다. 〈생명이란 우주에서 증식하고 진화하는 물질 중 한 가지이다〉라는 정의를 받아들인다면 생명은 우주의 질서를 이끌어 내는 보편적 원리를 따를 가능성이 열린다. 외계 행성에서 실제로 생물이 발견되지 않았고, 지구라는 표본 하나를 관찰해 생명에 관한 결론을 이끌어 내야 한다는 것이 물리학자나 천문학자로서는 꺼림칙할 것이다. 그렇지만 우주 보편적인 맥락에서 생명체의 물리적 원리를 표현하고자 하는 시도는 진화의 과정과 결과를 예측하는 새로운 영역을 보여 줄 것이다. 이 책을 통해 진화와 생명을 새로운 시각으로 바라보고 다양한 과학적 질문을 떠올려 보자.