서문

  • 오늘날의 세계는 개인이 모든 면을 이해할 수 없음.
  • 그러나 이를 통합하는 것은 대학(university)의 사명임. — universe

 

주제에 대한 고전물리학자의 접근

  • 생명체의 크기가 원자에 비해 매우 큰 것은 우연적이라기보다는 필연적인 결과임.
    • 유기체의 작용이 물리법칙을 정확히 따르지 않으면 안 되기 때문임.
    • 원자 각각의 운동은 무질서하고 불규칙하여 예측가능하지 않음.
    • 원자의 수가 증가함으로써 통계법칙을 따르고, 질서 있는 동작이 가능하게 됨.
      • 상자성, 브라운 운동, 측정의 한계
      • $\sqrt n$규칙: 물리법칙과 물리화학법칙은 $1/\sqrt n$크기 내에서 부정확함.

 

유전기전

  • 생명체의 four-dimensional pattern은 수정란의 chromosomes에 의해 구성됨.
    • 수정란은 비슷하고 chromosome의 정보가 개체 분화에 결정적임.
  • ontogenesis (ontogeny; 개체발생)
    • mitosis (유사분열): 2배로 분화하는 과정, 염색체 복제
    • meiosis (reductive division; 감수분열)
      • diploid가 생식세포를 만들 때에는 meiosis함.
      • 반수체 구조를 갖는 개체도 존재—수펄, 일부 식물
      • 부모로부터 전달받는 유전자
      • 감수분열 전 종종 교차되므로 항상 분할되지 않는 것은 아님.
  • $\sqrt n$ 관점에서는 작은 숫자라서 질서정연할 수 없음.
    • 그럼에도 개체는 permanent함.

 

돌연변이

  • Charles Darwin의 주장과 달리, 작은 형질의 변화(slight accidental variations)는 유전되지 않음.
  • quantum jump가 발생한 mutation만 유전됨.
    • De Vries의 표현에 의하면, discontinuity가 존재하는 mutation
  • mutation은 두 유전자쌍의 한 부분에 발생함.
    • 열성적 돌연변이가 더 자주 발생함.
    • 열성적 대립유전자는 유전형질이 동형접합일 때에만 표현형질의 발현에 영향을 미침.
      • 근친결혼시 돌연변이 발생률이 증가함.
  • X선에 의해 생기는 돌연변이
    • mutation은 X선 조사량에 비례해 증가함.
    • 방사선 파장 변화시 $\gamma$ 단위가 동일하다면 계수는 일정함.

 

양자역학적 증거

  • X선의 발달로 밝혀낸 유전자의 크기는 1000개 이하의 원자임.
    • 이 경우 통계적인 물리학으로는 안정성을 설명할 수 없음.
    • 화학적 구조에 의한 것임.
  • 원자는 불연속적 에너지 준위 간 이동인 quantum jump만 가능함.
    • 분자의 경우도 다른 분자구조로 변하기 위해서 준위만큼 에너지를 공급해야 함. $$t=\tau e^{W/kT}$$ $t$: 기대시간, $\tau\approx10^{-13}$: 상수(s), $W$: 에너지 차이, $T$: 절대온도, $k$: 볼츠만 상수($1.380649\times 10^{-23} J/K$)
  • 필요로 하는 양 $W$가 축적될 확률은 낮지만 이를 $10^{13}$번 진동하며 반복함.
  • 수정1: 작은 준위변화(미세진동구조)는 분자구조에 영향을 미치지 않음.
  • 수정2: 분자구조는 가장 낮은 에너지 준위인 것처럼 행동함.
    • 이성체로 변화하기 위해 많은 에너지가 필요함.

 

델브뤽 모델에 대한 토의와 검증

  • Delbrück 모델에 대한 내용은 아래 Appendix에 따로 정리하였음.

  • 유전자 구조는 불연속적 변화만이 가능한 거대 분자구조임.

    • 하나의 유전자는 하나의 분자임. $$\text{분자}=\text{고체}=\text{결정}$$ $$\text{기체}=\text{액체}=\text{비결정}$$

  • 실제 물질구조는 진정한 면에서 위 방정식과 같이 구성됨.

    • 비결정 고체는 비결정도 아니고 고체도 아님.
      • 결정구조를 발견하지 못하는 경우에는 점성도 (내부 마찰)이 매우 높은 액체임.

  • 분자는 구조의 견고함이 결정과 같음.

  • 물질 구조에서 중요한 것은 원자들이 ‘견고함을 주는’ Heitler-London force로 결합되어 있는가 하는 것임.

  • 고체가 발생하는 방식은 두 종류임.

    • 작은 분자가 같은 구조를 세 방향으로 되풀이하여 반복하는 방식 (주기적 결정)
    • 복잡한 유기분자를 이루는 방식 (비주기적 결정)
      • 염색체사 전체는 비주기적 고체임.

  • 고도화된 분자의 quantum jump로 인한 이성체화는 자연돌연변이만큼 드물게 발생.

    • 자연돌연변이는 quantum jump로 인해 발생함.
    • 돌연변이가 적절히 발생할 수 있는 분자의 크기를 자연이 선택하였음.
    • 실제로 온도를 높이면 돌연변이율이 증가하였음. $$t=\tau e^{W/kT}$$ $$\frac{tT+10}{tT}=\tau e^{-10W/kT^2}$$ 지수가 음의 값이므로 온도가 높아졌을 때 돌연변이에 대한 기대시간이 짧아짐.

 

질서와 무질서 그리고 엔트로피

  • 자연에서 진행되는 모든 사건은 system 내의 엔트로피가 증가하는 현상을 동반함.
  • 모든 사물은 무질서하게 전환되려는 성질이 있음.
  • 생명은 질서 상태를 유지하려고 함.
    • 열역학적 평형상태 또는 최대 엔트로피에 천천히 이르는 것은 생명의 성질이 아님.
  • 유기체는 ‘평형’이라는 불활성 상태로 빠르게 변하는 상태에서 벗어나 있음.
    • 이는 대사(Stoffwechsel)를 하기 떄문임.
    • 대사의 어원인 μεταβάλλειν는 재료의 교환을 의미함.
    • 그러나 아무것이나 교환할 수 있는 것은 아님.
  • 생명체는 계속해서 자체 내의 엔트로피를 증가시켜 죽음을 뜻하는 최대 엔트로피의 위험한 상태로 나타내는 경향을 나타냄.
    • 따라서 유기체는 환경으로부터 계속 음의 엔트로피를 얻어야 죽음에서 벗어날 수 있음. $$\text{Entropy} = K\log D$$ $k$: voltzman constant, $D$: 미시상태에서 시스템이 가질 수 있는 경우의 수
  • 엔트로피는 신비스럽거나 모호한 개념이 아님. $$\text{-Entropy} = K\log \frac{1}{D}$$
  • 유기체는 환경으로부터 ‘질서’를 얻어내며 유지됨.
    • negative entropy를 질서라고 정의할 수 있음.
    • 자연에서 질서를 흡입하는 것으로 이해할 수 있음.
  • 비판
    • 그러나 이는 왜 특정 유기체만 먹을 수 있는지에 대한 대답이 되지 못함.

 

생명은 물리법칙들에 근거해 있는가?

  • 생명 현상도 물리법칙에 근거하고 있음.
  • 이는 시계장치가 미시세계의 무질서에도 불구하고 통계적으로 안전하게 동작할 수 있는 이유와 비슷함.
    • 이것은 순전히 확률적인 것임.
    • 절대영도가 아니더라도 하이틀러-런던 힘에 의해 무질서한 경향을 피할 수 있음.
  • 다세포 유기체에서 톱니(염색체 섬유)는 진기하고 흥미로운 분포를 하고 있음.
  • 개개 톱니는 인간의 조잡한 작품이 아니고 신이 양자역학의 방향을 따라 이룩한 걸작임.

 

자유의지에 관하여

  • 의식은 동시에 다중적으로 경험되는 것이 아님.
  • ‘나’는 새로운 경험과 기억들이 쌓이는 근간을 의미함.
    • 이는 고정적인 것이 아님. 언제나 변화하며 그러한 변화의 누적과 경험의 주체를 의미함.

 

 

Appendix

Delbrück Model

  • 1940년대 Max Delbrück이 제안한 돌연변이 모델.
    • mutation은 환경에 의해 유도되지 않음을 설명함.
    • 세포 분열 중 확률적이고 spontaneous하게 발생함.
    • mutation은 이후 selection에 의해 살아남거나 도태됨.
  • experiment
    • 1943년 Lucia와 Delbrück은 bacteria가 bacteriophage에 내성을 가지는 mechanism을 실험적으로 분석함.
    • mutation은 bacteria가 bacteriophage에 노출되기 전부터 무작위적으로 발생했음.
  • modern biology에서는 Delbrück의 모델을 받아들임.
    • 다만 환경이 mutation rate에 영향을 줄 수 있음.
    • stress-induced mutagenesis: stress 상황에서 DNA 오류가 증가.

 

Heitler-London Force

  • 1927년 Walter Heitler와 Fritz London에 의해 제안.
    • $H_2$의 결합을 처음으로 양자역학적으로 설명.
  • Heitler-London theory에 의해 설명되는 결합 에너지 기원.
    • 교환 상호작용(exchange interaction)에 기반하여 전자 스핀과 파동함수 대칭성으로 인해 결합이 생성되거나 반발력이 생기는 현상
    • 이는 쿨롱 인력만으로 설명되지 않는, 전자 간의 파동함수 중첩에 따른 에너지 변화에서 비롯됨.