보이지 않는 것을 살펴보면 무엇이 밝혀지는가?

인간이 새로운 발명품을 사용하여, 비유적으로 말해서 커튼을 젖히고 전에는 볼 수 없었던 것을 보게 되면 어떤 일이 이루어지게 됩니까? 그렇게 되면 이전에는 알려져 있지 않던 것을 어느 정도 확실하게 아는 데 도움이 될 수 있습니다.—아래에 있는 네모 참조.

한때는 통상적으로 지구가 우주의 중심이라고 믿었던 적이 있습니다. 그러다가 망원경이 사용되면서 지구를 포함한 행성들이 일정한 궤도를 그리며 태양의 주위를 돈다는 사실이 밝혀졌습니다. 좀 더 최근에 와서는 성능이 좋은 현미경들이 발명되면서, 인간은 원자 자체를 조사하여 특정한 종류의 원자가 어떻게 다른 종류의 원자와 결합하여 분자라고 불리는 것을 형성하는지에 대해서도 알게 되었습니다.

생명에 필수적인 물질인 물 분자의 구성에 대해 생각해 보십시오. 설계상, 수소 원자 두 개는 산소 원자 한 개와 독특한 방식으로 결합하여 물 분자 하나를 형성하는데, 물방울 하나하나에는 이러한 물 분자가 수십억 개나 있습니다! 물 분자를 조사하고  각기 다른 환경에서 물 분자가 어떤 반응을 나타내는지 고려해 보면 우리는 무엇을 배울 수 있습니까?

경이로운 물

물방울 하나하나는 매우 단순해 보이지만, 물은 극히 복잡한 물질입니다. 사실, 영국 런던에 있는 임페리얼 대학에서 과학 저술가로 활동하고 있는 존 엠슬리 박사의 말에 따르면, 물은 “모든 화학 물질 가운데 가장 많은 연구가 행해진 물질에 속하면서도 여전히 이해가 가장 미흡한 물질”입니다. 「뉴 사이언티스트」지에서는 이렇게 보도하였습니다. “물은 지구상에서 가장 친숙한 액체이면서도 가장 신비에 싸여 있는 액체 가운데 하나이다.”

엠슬리 박사의 설명에 따르면, 물은 구조가 단순한데도 “타의 추종을 불허할 정도로 기능이 복잡”합니다. 예를 들면, 엠슬리 박사는 이렇게 말하였습니다. “H₂O는 기체여야 하지만, ·⁠·⁠· 액체이다. 더욱이 물이 얼 경우 ·⁠·⁠· 고체 형태인 얼음은 물에 가라앉지 않고 뜬다.” 이러한 경우, 보통은 가라앉을 것으로 예상됩니다. 이러한 특이한 반응에 관해, 미국 과학 진흥 협회의 회장을 지낸 폴 E. 클롭스테그 박사는 이렇게 말하였습니다.

“이것은 물고기와 같은 수중 생물의 생명을 유지하기 위한 놀라운 설계인 것 같다. 빙점까지 온도가 낮아질 때 물이 위에 묘사한 것과 같은 반응을 나타내지 않는다면 어떤 일이 일어날지 생각해 보라. 얼음이 끝없이 계속 생성되는 바람에 결국 호수 전체가 얼어붙어 수중 생물은 대부분 혹은 전체가 죽게 될 것이다.” 클롭스테그 박사는, 물의 이러한 예상치 못한 반응은 “목적을 가진 위대한 정신이 우주에서 활동하고 있다는 증거”라고 말하였습니다.

「뉴 사이언티스트」지에 의하면, 오늘날 연구원들은 물이 이처럼 특이한 반응을 보이는 이유를 알고 있다고 생각합니다. 그들은 물의 팽창을 정확히 예측하는 최초의 이론적 모델을 고안하였습니다. “그 신비의 열쇠는 이 구조물 속에 들어 있는 산소 원자들 사이의 간격에 있다”는 사실을 그 연구원들은 깨달은 것입니다.

참으로 놀랍지 않습니까? 그토록 단순해 보이는 분자가 인간의 이해력을 시험하다니 말입니다. 또한 물이 우리 몸무게의 대부분을 차지한다는 사실도 생각해 보십시오! 두 가지 원소의 원자 겨우 세 개로 이루어진 이 분자의 놀라운 특징 속에서, 당신도 “목적을 가진 위대한 정신이 활동하고 있다는 증거”를 볼 수 있습니까? 하지만 물 분자는 극히 작으며 다른 많은 분자들보다 훨씬 덜 복잡합니다.

매우 복잡한 분자들

어떤 분자들은 지구상에 자연 상태로 존재하는 88가지 원소 가운데 다수의 원자 수천 개로 구성되어 있습니다. 예를 들어, 어떤 생명체이든 그 생명체의 암호화된 유전 정보가 담겨 있는 DNA(디옥시리보 핵산의 약자) 분자는 여러 가지 원소의 원자를 수백만 개나 가지고 있을 수 있습니다!

DNA 분자는 믿어지지 않을 만큼 복잡한데도 지름이 0.0000025밀리미터밖에 안 됩니다. 성능이 좋은 현미경의 도움이 없이는 너무 작아서 볼 수가 없습니다. 과학자들은 1944년이 되어서야 DNA가 인간의 유전을 담당한다는 사실을 발견하였습니다. 이 발견이 계기가 되어, 극히 복잡한 이 분자에 대한 집중적인 연구가 시작되었습니다.

하지만 DNA와 물은 물질을 구성하는 데 들어가는 많은 종류의 분자 가운데 두 가지에 불과합니다. 그러면 생물과 무생물에서 공통적으로 발견되는 분자가 많이 있으므로, 생물과 무생물의 차이 즉 간격은 어쨌든 그다지 크지 않다고 결론 내려야 합니까?

오랫동안 많은 사람들이 그렇게 생각하였습니다. “1920년대와 30년대에 많은 권위자들은 생화학에 대한 지식이 증가하면서 그 간격이 메워질 것이라는 희망을 구체적으로 표명하였다”고, 미생물학자 마이클 덴턴은 설명하였습니다. 하지만 실제로는 결국 어떤 사실이 밝혀졌습니까?

생명은 특별하고 독특하다

과학자들은 생물과 무생물 사이에 과도기적인 중간 단계들 즉 점진적으로 변해 가는 일련의 과정들이 발견될 것으로 기대했지만, 덴턴의 말대로, “1950년대 초에 분자 생물학을 통해 혁명적인 사실들이 발견된 뒤로 마침내” 명확한 불연속성이 존재한다는 사실이 “확증”되었습니다. 지금은 과학자들도 확실히 알고 있는 주목할 만한 사실을 언급하면서  덴턴은 계속해서 이렇게 설명하였습니다.

“이제 우리는 생물계와 무생물계 사이에 간격이 존재한다는 사실뿐 아니라, 그 간격이 자연에 존재하는 모든 불연속성 가운데서도 가장 뚜렷하면서도 근본적인 것임을 알고 있다. 수정이나 눈송이 같은 가장 질서 정연한 비생물 체계와 살아 있는 세포 사이에는 상상하기 어려울 정도로 크고 절대적인 차이가 있다.”

그렇다고 해서 분자를 생성시키기가 쉽다는 말은 아닙니다. 「분자에서 살아 있는 세포로」(Molecules to Living Cells)라는 책에서는 “작은 분자로 이루어진 단위를 합성하는 것 자체도 복잡한 일”이라고 설명합니다. 하지만 그 책에서는 그러한 분자를 만드는 일도 “살아 있는 최초의 세포를 발생시키기 위해 뒤따라야 했던 일에 비하면 어린애 장난”이라고 부언합니다.

세포는 세균과 같이 자유롭게 살아 가는 유기체로서 단독으로 존재할 수도 있지만, 사람과 같은 다세포 유기체의 일부로 기능을 발휘할 수도 있습니다. 보통 크기의 세포가 이 문장 끝에 있는 마침표와 크기가 같아지려면 500개는 있어야 할 것입니다. 따라서 세포가 기능을 발휘하는 모습이 육안으로 보이지 않는 것도 놀라운 일이 아닙니다. 그러면 현미경을 사용하여 인체 세포를 들여다보면 무엇을 알 수 있습니까?

세포—우연인가, 설계인가?

우선, 살아 있는 세포가 얼마나 복잡한지를 알면 놀라지 않을 수 없게 됩니다. 한 과학 저술가는 이렇게 말하였습니다. “살아 있는 가장 단순한 세포라도 정상적으로 성장하려면, 수만 가지 화학 반응이 조화를 이루는 방식으로 일어나야 한다.” 그는 이렇게 질문하였습니다. “하나의 미세한 세포 안에서 어떻게 2만 가지 반응이 모두 한꺼번에 잘 조정되며 일어날 수 있단 말인가?”

마이클 덴턴은 심지어 살아 있는 가장 미세한 세포도 “정교하게 설계된 복잡한 분자 기계를 대량으로 보유하고 있는 초소형화된 실제 공장”에 비하면서, 그 분자 기계도 “인간이 만든 어떤 기계보다도 훨씬 더 복잡하고 무생물계에는 필적할 상대가 전혀 없는 모두 1000억 개의 원자로 이루어져 있는 것”이라고 말하였습니다.

 과학자들은 세포의 복잡성에 아직도 당혹스러워하고 있습니다. 「뉴욕 타임스」지 2000년 2월 15일자에서 이렇게 지적한 바와 같습니다. “살아 있는 세포에 대한 생물학자들의 이해가 증가할수록, 세포가 하는 모든 일을 밝혀 내는 일은 점점 더 요원해 보인다. 인간의 보통 세포는 너무 작아서 보이지 않지만, 매 순간 10만 개의 유전자 가운데 많게는 3만 개가 켜졌다 꺼졌다 하면서 세포 운영상의 필요를 충족시키거나 다른 세포들에서 온 메시지에 반응을 나타낸다.”

그 「뉴욕 타임스」지에서는 이렇게 질문하였습니다. “그토록 작고 복잡한 기계를 과연 분석해 낼 수 있겠는가? 더욱이, 설령 엄청난 노력을 기울여 언젠가 인체의 세포 한 가지를 온전히 이해한다 하더라도, 인체에는 적어도 200가지 세포가 있다.”

「자연」(Nature)지는 “창조된 실제 기계”라는 기사에서, 각각의 인체 세포 안에서 미세한 모터를 발견한 일에 관해 보도하였습니다. 이 모터는 회전하면서 세포의 동력원인 아데노신삼인산(ATP)을 생성합니다. 한 과학자는 깊은 생각에 잠기며 이렇게 말하였습니다. “세포에서 발견하게 되는 분자 체계와 유사한 분자 기계 체계를 설계하고 만드는 법을 알게 될 경우 우리는 무슨 일을 해낼 수 있을 것인가?”

세포의 창조 능력에 관해서 한번 생각해 보십시오! 우리 몸의 단 하나의 세포에 들어 있는 DNA에 담겨 있는 정보의 양은 이 잡지 크기의 지면 약 100만 페이지를 가득 채울 정도나 됩니다! 더욱이, 세포가 분열하여 새로운 세포를 생성할 때마다, 이와 동일한 정보가 그 새로운 세포에 전달됩니다. 우리 몸에는 총 100조 개에 달하는 세포가 있는데, 당신은 각각의 세포에 어떻게 그 많은 정보가 프로그래밍되었다고 생각합니까? 이러한 일은 우연히 발생한 것입니까, 아니면 설계의 대가가 한 일입니까?

아마 당신은 생물학자 러셀 찰스 아티스트와 동일한 결론을 내렸을 것입니다. 그는 이렇게 말하였습니다. “이성에 근거한 논리적인 생각으로, 지성 곧 정신의 소유자가 [세포]를 존재하게 했다고 주장하지 않는다면, 우리는 [세포]의 시작 과정과 또한 세포가 계속 기능을 발휘하는 과정을 설명하려고 애쓰느라 감당하기 어려운 난관, 아니 도저히 극복할 수 없는 난관에 부딪치게 된다.”

사물의 경이로운 질서

커틀리 F. 매더는 여러 해 전에 하버드 대학교 지질학 교수로 재직하고 있을 당시 다음과 같은 결론에 도달하였습니다. “우리는 우연이나 변덕에 의해 좌우되는 우주가 아니라 법칙과 질서에 기초를 둔 우주에 살고 있다. 우주의 운영은 철저히 이성에 근거를 두고 있으며, 최고의 경의를 표해 마땅하다. 물질의 모든 원소에 일련의 원자 번호를 부여할 수 있게 해 주는 자연의 놀라운 수학적 구성을 생각해 보라.”

그 “자연의 놀라운 수학적 구성”을 간단하게 고려해 보도록 하겠습니다. 고대인들에게 알려져 있었던 원소들 * 가운데는 금, 은, 구리, 주석, 철 등이 있었습니다. 중세에 연금술사들은 비소와 비스무트와 안티몬의 존재를 확인했으며, 나중에 1700년대에는 더 많은 원소가 발견되었습니다. 1863년에는 각 원소가 발하는 독특한 빛깔을 분리할 수 있는 분광기를 사용하여 인듐의 존재를 확인했는데, 이것은 63번째로 발견된 원소였습니다.

그 당시 러시아의 화학자 드미트리 이바노비치 멘델레예프는 원소가 우연히 생성된 것이 아니라고 결론 내렸습니다. 마침내 1869년  3월 18일에 “원소 체계의 개요”라는 그의 논문이 러시아 화학 학회에서 낭독되었습니다. 그는 그 논문에서 ‘나는 우연이 아니라 어떤 명확하고 엄격한 원칙의 인도를 받는 모종의 체계를 확립하고 싶다’고 선언하였습니다.

이 유명한 논문에서 멘델레예프는 이렇게 예측하였습니다. “우리는 아직도, 알려져 있지 않은 많은 단순한 원소들을 발견하게 될 것으로 예상해야 한다. 예를 들면, 원자량이 65와 75인 알루미늄이나 실리콘과 유사한 원소 말이다.” 멘델레예프는 16개의 새로운 원소를 위해 빈칸을 남겨 두었습니다. 그러한 예측을 뒷받침할 만한 증거를 대 보라는 요구를 받았을 때 그는 이렇게 대답하였습니다. “증거는 필요하지 않습니다. 자연의 법칙은 문법 규칙과는 달라서 예외를 허용하지 않습니다.” 그는 이렇게 부언하였습니다. “내가 예측한 원소들이 발견되면 더 많은 사람들이 우리의 말에 주의를 기울일 것이라고 생각합니다.”

그런데 바로 그러한 일이 일어났습니다! 「아메리카나 백과사전」에서는 이렇게 설명합니다. “그 후 15년 동안 멘델레예프가 예측한 원소들과 성질이 매우 흡사한 갈륨과 스칸듐과 게르마늄이 발견되면서 주기율표의 타당성과 그 표의 창시자의 명성이 공고해졌다.” 20세기 초에는, 존재하는 모든 원소가 발견되었습니다.

확실히, 화학 연구가 엘머 W. 마우러가 지적한 바와 같이, “이러한 아름다운 배열은 도저히 우연의 산물일 수가 없”습니다. 원소들이 조화롭게 질서를 이루고 있는 것이 우연의 산물일 가능성에 관해, 화학 교수인 존 클리블랜드 코스란은 이렇게 말하였습니다. “[멘델레예프가] 그러한 원소들이 존재할 것으로 예측한 후에 실제로 그 원소들이 모두 발견되었고 또 그 원소들이 그의 예측과 거의 일치한 성질을 지니고 있었으므로, 그것이 우연의 산물일 가능성은 사실상 사라졌다. 그가 일반화하여 만들어 낸 그 위대한 법칙은 결코 ‘주기 우연’이라고 불리지 않는다. 그것은 ‘주기율’이라고 한다.”

원소들에 대해 그리고 그것들이 어떻게 함께 짝을 이루어 우주 만물을 형성하는지에 대해 자세히 연구한 다음 케임브리지 대학교 수학과 교수였던 유명한 물리학자 P.A.M. 디랙은 이렇게 말하였습니다. “하느님은 매우 고차원의 수학자이며 그분은 우주를 만드는 데 매우 고등한 수학을 사용하였다는 말로 아마 상황을 설명할 수 있을 것이다.”

극히 미세한 원자나 분자나 살아 있는 세포에서부터 육안으로는 결코 볼 수 없는 곳에 있는 별들로 이루어진 거대한 은하들에 이르기까지 보이지 않는 세계를 들여다보는 것은 참으로 흥미진진한 일입니다! 그러한 경험은 우리를 겸손해지게 만듭니다. 당신은 개인적으로 어떠한 영향을 받았습니까? 그러한 것들에 무엇이 반영되어 있는 것을 보게 됩니까? 당신은 육안으로 볼 수 있는 것 이상을 봅니까?

[각주]

[5면 네모와 삽화]

너무 빨라서 눈으로 볼 수 없는 것

달리는 말은 매우 빠르게 움직이기 때문에, 19세기의 사람들은 달리는 말의 발굽이 모두 동시에 땅에서 떨어지는 순간이 있는가를 놓고 논쟁을 벌이곤 하였다. 마침내 1872년에 에드워드 마이브리지가 사진을 찍는 실험을 시작했는데, 나중에 이 실험을 통해 문제가 해결되었다. 그는 최초로 고속 영화를 찍는 기술을 개발하였다.

마이브리지는 약간의 간격을 두고 24개의 카메라를 한 줄로 배치하였다. 각 카메라 셔터에 줄을 연결하여 말이 지나가는 길에 쳐 놓음으로, 말이 달려갈 때 줄을 건드려서 셔터가 눌리게 하였다. 그렇게 해서 얻은 사진을 분석한 결과, 말은 때때로 네 발이 모두 바닥에서 완전히 떨어진다는 사실이 밝혀졌다.

[자료 제공]

Courtesy George Eastman House

[7면 삽화]

얼음이 물에 가라앉지 않고 뜨는 이유는 무엇인가?

[7면 삽화]

DNA 분자는 지름이 0.0000025밀리미터이지만, 그 안에 들어 있는 정보는 100만 페이지 분량이나 된다

[자료 제공]

컴퓨터로 만들어 낸 DNA 모형: Donald Struthers/Tony Stone Images

[8면 삽화]

총 100조 개에 달하는 각각의 체세포에서는 수만 가지 화학 반응이 조화를 이루는 방식으로 일어난다

[자료 제공]

Copyright Dennis Kunkel, University of Hawaii

[9면 삽화]

러시아의 화학자 멘델레예프는 원소들이 우연히 생성되지 않았다고 결론 내렸다

[자료 제공]

Courtesy National Library of Medicine