1장 들어가는 글
슈뢰딩거가 옳았다
되살아난 양자생물학의 불씨
이 책은 양자생물학을 새롭게 논함에 있어 에르빈 슈뢰딩거와 파스쿠알 요르단으로 거슬러 올라간다. 과학계의 한쪽 서랍에 처박혀 있던 양자생물학의 불씨를 계속 지켜온 사람은 다름 아닌 양자 파동역학을 창안한 슈뢰딩거이고, 양자생물학의 전체 토대를 이룬 이는 요르단이다. 양자이론은 20세기의 가장 혁명적인 패러다임으로 과학자라면 누구나 인정하지만, 다만 극저온의 진공에서, 나노 규모의 연구를 하는 실험실을 연상시킨다. 따라서 대부분의 과학자는 따뜻하고 축축하며 뒤죽박죽의 상태인 살아 있는 몸속에서 양자의 기이함이 어떻게 살아남을 수 있는지 의문을 품는다.
생물학자들 중에는 양자역학이 생물학과 관련 있다고 보는 이가 많지만, 그들은 양자역학의 역할이 사소할 것이라고 주장한다. 양자역학의 규칙은 원자의 행동을 관장하는 것이고 따라서 양자세계의 규칙이 생물학의 가장 작은 규모에서도 작용해야 하는 것은 맞다. 그러나 오로지 그 규모에서만 작용할 뿐, 결과적으로 생명에서 중요한 더 큰 규모의 작용에는 영향이 전혀 없거나 혹은 거의 없을 거라고 보는 것이다.
하지만 이 책의 저자들은 직접 경험한 최첨단 과학과 더불어 지금까지 양자역학에서 발견한 것과 그 중심에 있는 ‘이상한’ 현상들을 밝혀낸다. 다시 말해 최근 세계 전역에서 수행 중인 획기적인 실험들을 통해 광합성 과정이 동시에 여러 곳에 존재할 수 있는 아원자 입자에 어떻게 의존하는지를 보여주고, 세포 내 모든 분자를 만드는 생명의 일꾼인 효소 내부에서는 한 지점에서 사라진 입자가 난데없이 다른 데서 나타나는 현상을 밝힌다.
이들이 여기서 논의하는 논문들은 발표된 지 불과 몇 년 되지 않은 최신의 것이다. 저자들은 다음과 같이 말한다. “생체 세포는 유난스레 복잡한 장소라는 것을 기억하자. 세포에는 끊임없이 뒤섞이고 요동치는 복잡한 분자가 가득하다. 이 분자들은 사방으로 흩어지는 무작위 운동을 함으로써 정교한 양자 결맞음을 방해해서 우리에게 ‘정상적’인 일상세계를 보여준다. 요란한 분자운동 속에서는 양자 결맞음이 살아남기 어려울 것이다. 따라서 분자의 격랑이 몰아치는 바다인 생체 세포 안에서 터널링 같은 양자 효과가 지속된다는 것은 대단히 놀라운 발견이다. 어쨌든 불과 10여 년 전까지만 해도 대부분의 과학자는 터널링과 다른 정교한 양자 현상이 생물학에서 일어날 수 있으리라는 생각 자체를 묵살해왔다. 양자 현상이 이런 장소에서 발견된다는 사실은 생명이 세포를 작동시키기 위해 양자세계가 제공하는 장점을 획득하기 위한 특별한 수단을 강구했다는 것을 암시한다. 그 수단은 어떤 것일까? 생명은 양자 현상의 원흉인 결어긋남을 어떻게 방지할까? 양자생물학에서 가장 큰 불가사의 중 하나인 이 수수께끼가 이제 서서히 풀리고 있다.”
1장 들어가는 글
숨겨진 유령 같은 진실│양자생물학│양자역학이 정상적인 현상이라면, 우리는 왜 양자생물학에 흥분해야 하는가?
2장 생명이란 무엇인가?
“생명력”│역학의 승리│분자 당구대│생명도 카오스?│생명을 더 자세히 들여다보기│유전자│생명의 묘한 웃음│양자 혁명│슈뢰딩거의 파동함수│초기의 양자생물학자들│질서│불화
3장 생명의 엔진
효소: 산 자와 죽은 자 사이│우리에게 효소가 필요한 이유와 올챙이 꼬리가 사라지는 이유│경관의 변화│좌충우돌│전이 상태 이론이 모든 것을 설명할까?│전자 전달하기│양자 터널링│생체에서 일어나는 전자의 양자 터널링│양성자의 이동│동적 동위원소 효과│그렇다면 이것이 양자생물학에서 양자를 형성할까?
4장 양자 맥놀이
양자역학의 핵심적 수수께끼│양자 측정│광합성의 중심을 향한 여행│양자 맥놀이
5장 니모의 집을 찾아서
향의 물리적 실재│드러나고 있는 후각의 비밀│양자 코로 냄새 맡기│코 전쟁│물리학자, 냄새를 맡다
6장 나비, 초파리, 그리고 양자울새
조류 나침반│양자 스핀과 유령 같은 작용│유리기에서 방향의 의미
7장 양자 유전자
충실도│배신│기린, 완두콩, 초파리│양성자를 이용한 암호│양자 도약 유전자?
8장 마음
의식은 얼마나 기이한가?│생각의 역학│마음은 어떻게 물질을 움직일까?│큐비트 계산│미세소관을 이용한 연산?│양자 이온 통로?
9장 생명은 어떻게 시작되었는가
끈끈한 문제│곤죽에서 세포로│RNA 세계│그렇다면 양자역학이 도움이 될 수 있을까?│최초의 자기복제자는 어떤 모습이었을까?
10장 양자생물학: 폭풍의 경계에 선 생명
굿 바이브레이션(밥-밥)│생명의 원동력에 대한 고찰│고전적 폭풍의 양자 경계에 선 생명│상향식 접근법으로 생명 만들기│원시적인 양자 원시세포의 첫 출발
에필로그: 양자적 삶
감사의 글
주석
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