이때까지만 해도 사람들은 대체로 밤 하늘에서 관찰할 수 있는 성운들(nebulae)-안드로메다자리에 있는 M31이나 오리온자리에 있는 M42 같은 것들-이 은하수(Milky Way)의 일부이며, 우리가 속한 태양계도 이 은하수 안에 자리해 있다고 추측했다.(물론 모든 사람이 그렇게 추측하지는 않았다.)
에드윈 허블(Edwin Hubble)은 캘리포니아 윌슨 산에 새로 세운 100인치짜리 망원경으로 관찰한 결과를 토대로 이런 것들(즉 안드로메다자리에 있는 M31이나 오리온자리에 있는 M42 같은 것들)이 우리가 속한 은하와 다른 은하이며 우리 은하에서 아주 멀리 떨어진 곳에 있다고 주장했다.
Ediwn Hubble
허블은 스펙트럼에 나타나는 이 은하들의 적색 이동을 토대로 연구를 진행해, 어떤 두 은하 사이의 거리가 멀면 멀수록 그들이 서로 멀어지는 속도도 더 커진다는 주장을 내놓을 수 있었다. 우주는 팽창하고 있었다. 팽창 속도는 더 커지고 있었으며, 팽창에서 수축으로 돌아설 가망성도 분명 없어 보였다.
당시에는 이런 주장이 받아들이기 힘든 생각이었다. 이런 주장은 우주가 틀림없이 엄청나게 압축된 첫 상태로부터 발전해 왔다는 것-다시 말해 우주에 시작이 있다는 것-을 시사하는 것처럼 보였기 때문이다.
그러나 허블의 이런 주장은 단지 주장으로서 관찰 결과를 설명하는 한 가지 방식에 불과했다.
달리 생각하는 것도 틀림없이 가능했다.
1948년 프레드 호일(Fred Hoyle)과 몇몇 사람들은 '정상' 우주론(steady state theory of the universe, 우주가 계속 팽창하긴 하지만 우주의 평균 밀도는 늘 변함이 없다는 이론)을 펼쳐 보였다.
이 우주론은 우주가 비록 팽창하고 있기는 하지만 우주에 시작이 있었다고 말할 수는 없다고 주장했다. 물질이 끊임없이 만들어져 우주팽창으로 생겨나는 빈 공간들을 채워 주기 때문이라는 것이 이 우주론의 주장이었다.
1960년대 들어와 견해가 바뀌기 시작했는데, 무엇보다 우주배경복사(cosmic background radiation)를 발견한 것이 주된 원인이었다.
1965년, 아노 펜지어스(Arno Penzias)와 로버트 윌슨(Robert Wilson)은 뉴저지의 벨 연구소(Bell Laboratories)에서 실험용 극초단파 안테나(microwave antenna)로 연구 작업을 하고 있었다.
그들은 몇 가지 어려움을 겪었다. 그들은 안테나 방향을 어느 쪽으로 돌려도 쉭쉭 소음을 내며 불쑥 끼어드는데 도통 제거할 수 없는 불청객인 히싱 잡음을 발견했다.
처음에 그들은 이 현상을 안테나 위에 둥지를 튼 비둘기들이 안테나 전파를 방해하기 때문이라고 설명했다. 그런데 새들을 강제로 제거해 버린 뒤에도 쉭쉭 소리는 여전히 이어졌다.
이 골치 아픈 배경의 쉭쉭 소리가 지닌 엄청난 의미를 완전히 인식하는 것은 시간 문제였다.
랠프 알퍼(Ralph Alpher)와 로버트 허먼(Robert Herman)은 1948년에 그 소리를 우주에서 일어난 첫 폭발-뜨거운 '빅뱅'-의 '잔광'(afterglow)으로 이해할 수 있다는 주장을 제시했다.
이 열복사는 그 근원은 알 수 없지만 절대온도 2.7K 상태에서 우주 공간을 제멋대로 돌아다니는 광양자들(photons)에 해당하는 것이었다.
이 배경복사는 다른 증거들과 더불어 우주에 시작이 있다는 것, 그리고 그 때문에 반대설인 정상 우주론에는 심각한 난점들이 있다는 것을 증명하는 중대한 증거 역할을 했다.
그 뒤로 과학계에서는 표준우주론 모델의 기본 요소들이 분명하게 밝혀져 이 요소들이 폭넓은 지지를 확보하게 되었다. 물론 아직도 심각한 논쟁이 벌어지는 영역이 있다.
하지만 학자들은 이 모델이 관찰 결과와 가장 잘 일치한다는 데 널리 동의한다. 이제 과학자들은 우주가 약 140억 년 전에 생겨났으며, 그 뒤로 계속해서 팽창해 식고 있다고 믿는다. 이 이론을 뒷받침하는 가장 중요한 두 가지 증거는
1. 우주 극초단파 배경복사와
2. 빅뱅 직후에 결합한 빛의 핵들[수소, 중수소(deuterium)], 그리고 헬륨 같은 것들]이 상당히 풍부하다는 사실이다.
이는 결국 우주의 기원이 어떤 유일무이한 사건이라는 것-결코 되풀이할 수 없고, 따라서 일부 사람들이 과학적 방법의 특징이라고 주장하는 정확한 실험 분석이 불가능한 독특한 사건이라는 것-을 인정할 수 밖에 없음을 인식시켜 준다.
그러나 일부 사람들은 반대 의견을 제시하고 싶어 할지도 모르겠는데, 그것이 이치에 어긋나는 일은 아니다.
예측 능력이 없어 보이는 자연신학을 두고 그 자연신학이 어떻게 '설명을 해준다'고 말할 수 있을까? 결국 과학 이론의 타당성을 평가할 수 있는 척도 중 하나는 그 이론이 새로운 현상들을 예견할 수 있느냐 여부다.
이 점에서는 자연신학이 다소 한정된 잠재력을 가진 것으로 보인다. 이것은 곧 자연신학이 결함이 있고 수준이 낮은 '설명' 형태를 대변하면서도 정작 자신이 '설명'이라는 개념으로 생각될 수 있는 권리를 가졌다고 지레 짐작한다는 것을 암시하는 게 아닐까?
이 문제는 과학 방법으로서 귀납법의 역할을 둘러싸고 윌리엄 휴얼(William Whewell)과 존 스튜어트 밀(John Stuart Mill) 사이에 벌어진 논쟁에서 중요한 이슈로 등장했다.
휴얼은 과학 방법에서는 새것을 예측하는 것이 중요하다고 강조했다. 반면 밀은 단지 새로운 관찰 결과들을 예측하는 것과 기존 관찰 결과들을 이론에 수용하는 것(theoretical accommodation)을 심리적으로 구분하는 것만이 있을 뿐이라고 주장했다.
하지만 이 문제들은 아직 해결되지 않았기 때문에 여전히 중요하다.
히치콕(Christopher Hitchcock)과 소버(Elliott Sober)는 근래 이 문제를 논하면서, 때로는 예측이 수용보다 우월할 수 있지만 늘 그렇지는 않다고 주장했다.
수용이 예측보다 우월한 상황들을 쉽게 상상해 볼 수 있다. 사람들이 처음부터 늘 변함없이 수용보다 예측을 선호하는 것은 아니다.
삼위일체 자연신학이란 것이 이미 알려진 관찰 결과들을 든든히 수용할 수 있다면, 이 자연신학이 새로운 관찰 결과들을 반드시 예측해 주지 않더라도 이 자연신학 자체가 이 신학이 내세우는 개념들에 충분히 정당성을 부여해 준다고 볼 수 있다.
수용이 과학 이론의 발전에서 매우 중요한 역할을 한 상황들을 역사 속에서 쉽게 사례를 찾아 제시할 수 있다.
다윈의 자연선택설이 아마도 가장 쉽게 살펴볼 수 있는 사례가 아닌가 싶다.
다윈의 자연선택설은 주로 광범위한 관찰 데이터를 새롭게 설명해 주었는데, 이 데이터 중 일부는 다윈 자신이 결합한 것이었고, 다른 일부는 그보다 앞선 시대 사람들과 같은 시대 사람들이 한 일들에서 가져온 것이었다. 다윈이 가장 중요하게 생각한 문제는 이런 관찰 결과들을 어떻게 커다란 발전 이론 안에 담아낼 수 있을까라는 문제였다.
자연선택설은 생물학 세계를 이전보다 더 심오하게 이해할 수 있는 유리한 지적 관찰 지점을 제공함으로써 놀랍거나 수수께끼 같은 현상들 - 가령 흔적 기관들이 계속해 존재하는 현상 같은 것-을 상당히 쉽게 이론으로 담아낼 수 있게 해주는 것처럼 보였다.
예측은 이론을 선택할 때 어떤 역할을 하지만, 어떤 이론들은 예측이 부적절하거나 말 그대로 불가능한 실재나 상황들과 관련되어 있다. 자연신학이 주로 수용에 의존한다면, 그 자연신학은 과학의 좋은 벗이다.
그의 만유인력의 법칙은 지구상의 친숙한 운동(대포알의 궤도)부터 멀리 떨어진 하늘의 운동(행성궤도)에 이르는 광범위한 자연현상을 단일한 수학 공식으로 기술할 수 있음을 보여주었다.
너무나 단순했다!
너무나 우아했다!
뉴턴이 과학계 최초의 슈퍼스타가 된 것은 당연한 일이었다.
그의 극적 돌파구는 성경적 통찰을 통해 열렸다. 아리스토텔레스는 변화와 부패의 영역인 지구와 불변하고 영원한 곳으로 여겨지던 하늘을 날카롭게 구분했다.
아리스토텔레스는 그 둘이 전혀 다른 물질로 이루어졌다고 판단했다.
지구상에서 작동하는 물리학의 원리를 별과 행성 같은 하늘의 천체들에 적용할 수 없다는 결론을 내렸다.
아리스토텔레스의 우주관은 거의 2000년 가까이 사실상 의심 없이 받아들여졌다.
그렇듯 유서 깊은 지적 전통이 어떻게 무너지게 되었을까?
그것은 성경의 창조 개념을 숙고한 결과였다.
클라인은 "하나님이 우주를 설계하셨으므로 모든 자연현상이 단일한 기본 계획을 따를 것이라는 예상이 가능했다"고 설명했다.
"우주를 설계한 단일정신이 한 묶음의 기본 원리를 활용해 연관된 현상들을 다스릴 것이 거의 확실하다"는 생각은 자연스러웠다.
뉴턴은 그러한 생각에 입각해 연구를 진행했고, 결국 하늘이 다른 물질로 이루어져 있지 않음을 보여주었다.
우주는 통합된 코스모스다. 우주 어디서나 동일한 수학 법칙을 적용할 수 있다.
뉴턴은 신학을 과학 안에 엮어 넣었을 뿐 아니라, 과학을 이용해 신학을 옹호했다.
그는 과학의 '본업'이 기계적 인과관계의 사슬을 거슬러 올라가 '기계적이지 않은 것이 분명한 제 1원인', 곧 인격적 창조주에게까지 마침내 이르는 것이라고 말했다.
뉴턴은 이러한 추론의 몇가지 사례를 제시했는데, 태양계의 절묘한 균형을 설명하려면 "맹목적이거나 우연적인" 자연의 원인만으로는 부족하고, "역학과 기하학에 대단히 능통한" 지적 원인을 상정해야 한다는 것이 그 중 하나다.
뉴턴이 볼 때는 그가 발견한 가장 중요한 과학적 성과물인 중력 개념조차도 하나님의 증거였다.
중력은 질량과 전충성(물질이 공간을 메우는 성질) 같은 물질의 고유한 특성에서 끌어낼 수 있는 것이 아니었다. 그래서 뉴턴은 중력을 하나님이 세상을 직접, 적극적으로 다스리시는 증거라고 생각했다.
뉴턴은 시간과 공간을 포함한 우주의 가장 기본적인 요소들이 사실 하나님의 특성이라고 보았다.
절대시간은 "영원부터 영원에 이르는" 하나님의 지속이었다. 절대공간은 "무한부터 무한에 이르는" 하나님의 무소부재였다.
뉴턴 물리학이 본 우리는 말 그대로 하나님 안에서 살고 움직이고 존재한다.
하지만 결국 계몽주의 이론가들이 손을 썼고, 뉴턴의 새로운 과학도 세속화의 부식 과정을 거쳤다. 볼테르는 뉴턴의 연구 결과를 유럽 대륙에 소개했는데, 그 과정에서 위대한 과학자 뉴턴의 성경적 시각은 전혀 언급하지 않는 주도면밀함을 보여주었다.
대신에 그는 뉴턴의 물리학을 끌어다 계몽주의의 입장에 유리한 방향으로 사용했다.
뉴턴의 중력 개념이 유물론적으로 해석되었다. 그것은 더 이상 우주를 붙드시는 창조주의 능력이 나타나는 방식이 아니라 물질 안에 내재하는 힘에 불과했다. 뉴턴의 절대시간과 절대공간은 논리적 범주 정도로 축소되었다. 그의 이론은 결국 그가 반박하려 했던 유물론적 세계관으로 흡수되었다.
얄궂게도, 유물론적 세계관은 '뉴턴 세계관'이라고 불리게 되었다.
뉴턴이 결코 받아들이지 않았을 세계관인데 말이다. 이 세계관은 우주를 변하지 않는 수학 법칙으로 작동하는 거대한 기계로 그렸다. 수학적 모델은 과학뿐 아니라 사회, 정치, 도덕에도 적용되었다. 너무나 간단해 보였다. 갈릴레이는 경사면에서 공이 굴러 내려오는 것을 관찰한 끝에 움직이는 모든 물체의 가속도를 밝히는 수학 법칙을 발견했다.
뉴턴은 떨어지는 물체(일설에 따르면 사과)를 관찰하여 모든 물체에 작용하는 수학적 중력 법칙을 계산해 냈다.
동일한 방법론을 사회과학에 적용해서는 안 될 이유가 무엇이겠는가?
몇 가지 단순한 사례를 관찰하면 인간 행동을 지배하는 보편법칙을 발견할 수 있지 않을까?
한 역사가에 따르면, 18세기에는 "보편적 물리학의 관점에서 만물이 설명될 때가 멀지 않았다고 많은 이들이 믿었다."
물리학에서 통했던 수학적 방법이 다른 모둔 분야에서도 통할 것처럼 보였다. 그렇게 되면 자연뿐 아니라 인간 본성을 지배할 수단까지 확보하게 될 터였다.
그는 하늘이 '완전'하고 원이 '완전한' 형태이므로 천체는 원운동을 할 것이 분명하다고 추론했다.
(그리스인들이 과학에서 연역법을 사용한 사례)
케플러는 2000년 동안 지배력을 행사했던 원궤도에 대한 확고한 믿음을 어떻게 돌파할 수 있었을까?
화성의 공전궤도를 그리다가 어려움을 겪은 것이 그 출발점이었다. 케플러가 관찰에 근거하여 내놓았던 가장 정확한 원은 약간 기우뚱한 형태였다. 그가 그리스적 사고방식에 붙들려 있었다면 그 정도의 사소한 오차는 무시했을 것이다.
원래 물리적 대상은 기하학적 이상과 딱 맞아떨어지지는 않는다고 생각하고 말았을 것이다.
그러나 케플러는 독실한 루터파 교인이었다. 그는 하나님이 어떤 선이 원을 이루기를 원하신다면 정확한 원이 될 것이라고 확신했다.
그런데 그것이 정확한 원이 아니라면 무언가 다른 것임이 분명했다. 이상적인 원에서 제멋대로 벗어난 것으로 대충 정리하고 넘어갈 수 없었다. 이러한 신학적 확신에 힘입어 케플러는 6년에 걸친 지적 분투와 수천 쪽이 넘는 과학적 계산 끝에 마침내 타원 개념을 생각해 낼 수 있었다.
나중에 케플러는 화성 궤도의 사소한 오차를 '하나님의 선물'이라고 부르며 고마워했다.
그것이 그가 최대의 과학적 돌파구를 열도록 박차를 가해 주었기 때문이다. 그는 과학의 주된 목표가 "하나님이 부과하시고 수학의 언어로 우리에게 계시하신 합리적 질서와 조화를 발견하는 것"이라고 말했다.
갈릴레이도 케플러처럼 하나님이 세상을 수학적 구조로 창조하셨다고 믿었다.
그러나 모두가 그 확신에 동의한 것은 아니었다.
그 유명한 '갈릴레이 논쟁'의 핵심에 바로 이 문제가 자리 잡고 있었다. 흔히 갈릴레이가 코페르니쿠스의 태양중심설(지동설)을 옹호했기 때문에 박해를 받았다는 식으로 알고 있다.
그러나 진실을 말하자면, 당시에 태양중심설에 반대하는 사람은 없었다.
그것을 측정 도구로만 쓴다면 아무 문제가 없었다. 태양중심설과 지구중심설(천동설) 중 어느 한쪽을 선택할 만큼 경험적 자료가 충분하지 않던 시절이었다.
당시 천문학의 주된 실용적 용도는 항해였는데, 두 체계 모두 항해에 활용하기에 무난했다. 대부분의 사람들은 잘 들어맞기만 하면 지동설이든 천동설이든 사용할 의향이 있었고, 그것이 물리적으로 옳은지의 여부는 염려하지 않았다.
갈릴레이가 논쟁에 말려든 이유는 코페르니쿠스 체계가 유용한 측정 도구일 뿐 아니라 물리적으로도 옳다고 주장했기 때문이었다.
여기서 관건은 수학적 진리의 지위였다. 수학은 물리계에서 무엇이 옳은지 말해 주는가? 이것은 신학적 질문이 아니라 철학적 질문이었다. 그리고 갈릴레이의 주된 적수는 교회 사람들이 아니라 아리스토텔레스를 신봉하는 대학교의 철학자들이었다.
그들은 세상을 지금의 모습으로 만드는 데 수학이 크게 기여했다고 보지 않았다. 아리스토텔레스는 우주의 핵심 특징이 양이 아니라 뜨거움과 차가움, 젖음과 마름, 부드러움과 단단함 같은 '질'이라고 보았다. 당시 대학에서는 수학의 지위가 물리학보다 훨씬 낮았다. 수학자 따위가 물리학자에게 어떤 이론을 받아들여라 마라 지시하는 것은 있을 수 없는 일이었다. 갈릴레이의 적수였던 피사 대학 철학교수의 말에서 당시의 사고방식을 읽어낼 수 있다.
"자연은 사실을 수학적 추론의 방법으로 입증하려 하는 이들은 진리에서 멀어도 너무 멀리 떨어져 있다. 수학적 논증으로 자연의 특성을 입증할 수 있다고 생각하는 이는 정신이 나간 사람이다. 두 과학은 성질이 전혀 다르다."
강연 시간에 이 인용문을 읽어 주면 청중들은 어김없이 웃음을 터뜨린다. 오늘날에는 수학 공식을 써서 자연을 설명하는 일이 과학이라고 당연히 생각하기 때문이다.
갈릴레이 당시에는 그렇지 않았다. 그가 하나님이 수학의 언어로 자연의 책을 쓰셨다고 선언했을 때, 그것은 도발적인 언사요 아리스토텔레스 철학에 대한 선전포고였다. 갈릴레이 이야기는 흔히 과학과 종교의 갈등으로 제시된다.
그러나 실제로 그것은 올바른 자연철학이 무엇인가를 놓고 그리스도인들끼리 벌인 싸움이었다.
톰슨에 의해 ‘전자’가 발견되고, 골드슈타인에 의해 ‘양성자’가 발견되고 , 채드윅에 의해 ‘중성자’가 발견되고 , 러더퍼드에 의해 ‘원자핵’이 발견됨.
(러더퍼드가 제안하기를, 이 질량이 양성자 질량의 2배 더라. 그래서 채드윅이 그걸 찾아낸 거다)
중성자가 발견되던 해에 미국에서 엔더슨이 ‘양전자’를 발견함 (전자는 전자인데 + 를 띄는 전자다…원자에는 양전자가 존재하지 않는다.)
디렉이 그 전에 ‘반입자’설을 예언했었다. (엔더슨이 우주로부터 날라온 입자로부터 양전자를 찾아냈고 말이다.)
‘양전자’는 일반 상태에서는 존재할 수가 없다. 이건 바로 전자와 합쳐져서 2r 광자가 되어 버린다.
1934년도 즈음에 ‘핵’속에, 핵자들을 뭉쳐 있게 만드는 무언가가 있을 것이라 생각함 -> ‘중간자’를 예언한 것이다…어떤 일본인이…-> 이게 중간자(파이온) 으로서, 핵력의 매개체라고 본다.
양성자,중성자-> ‘중입자’다. (여기서 ‘중’은 무거울 ‘중’자다.) , 중간자에서 ‘중’은 가운데 ‘중’자를 쓴다. 질량이 양성자와 중성자의 중간인 입자인 것이다.
앤더슨이 ‘뮤온’을 발견해 냄 -> 전자보다 질량이 훨씬 크다.
중성미자-> 지금도 이게 뭔지 잘 모른다. (베타 붕괴시, E 보존을 성립시키기 위해 뭔가 필요한데, 그래서 파울리가 질량도 없고, 전하량도 없고 , 보이지도 않고 단지 E를 지닌 무언가를 상정하기에 이름) -> neutrino(중성 작은 입자) -> 이 이름은 페르미노가 지어줌(이게 30년 후에 실험적으로 증명됨)
전자에 대한 중성미자 -> Ve , 뮤온에 대한 중성미자 -> Vu , 타우에 대한 중성미자 -> Vt
[입자동물원] 뭔가 규칙이 있을 거라 믿고, 미국의 머리겔만이 이 모든 것들의 기본 입자로 ‘쿼크’를 가정함. 실험적으로 밝혀짐
‘중입자는 쿼크 3개로 이뤄짐’
Up 쿼크, down 쿼크, strange 쿼크 , charm 쿼크, bottom 쿼크 , top 쿼크 로 총 6가지다.
(쿼크는 ‘부수전하’다.) (주로는 up, down 쿼크만을 논한다) (U,C,T 쿼크는 + 2/3 을 띄고 , D ,S , C 는 -1/3 전하를 띈다.) (bottom 과 top쿼크는 수명도 짧고 존재하기가 어렵다.)
물은 세포가 특정기능을 수행할 수 있도록 도와주며, 체내 항상성을 유지하게 하는데 큰 역할을 한다. 또한 “적절한 수분 조절” 은 정상적인 대사활동에 필수적이다. 따라서 생명을 유지하는데 근원이 되는 물은 체내에서 체외로의 유출을 최소화 시키기 위하여 여러가지 막으로 둘러싸여 보호를 받게 된다
2. Aquaporin 의발견
삼투압 현상만으로는 세포가 신장을 빠져나가는 물의 98.8% 를 재흡수하는 건 불가능하다는 고민에서 시작되어, 물 흡수를 조절하는 단백질이 세포벽에 존재함을 밝혀내게 되었다. 우리 몸의 세포들이 물을 수송하는 특정 channel 을 포함하고 있어야 할 것이라는 것은 19세기 중반에서부터 추정되어졌었다. 밝혀진 단백질에게는 Aquaporins(AQPs) 라는 이름이 붙게 되었는데, 어원을 찾아 보면 이 이름은 “물 구멍” 이라는 뜻을 담고 있다.
이 Aqauporin 이 친숙한 이유가 있다면 그건 바로 이 Aquaporin 을 밝혀낸 과학자 Peter Agre 박사가 2003년도에 노벨 화학상을 수상했기 때문일 것이다. 이 Peter Agre 는 1988년에 하나의 세포막 단백질을 분리하는데 성공했는데 , 1년 정도 지나고 나서 그것이 바로 지금까지 추정만 해 왓던 Water Channel 이라는 것을 확인하였다. 공동 수상자인 MacKinnon 박사는 칼륨 이온 채널들의 공간적 구조를 결정한 공로로 상을 받았다.
3. Aquaporin 의중요성
사람의 몸의 약 70% 가 소금물이기에 염(이온들) 과 물이 어떻게 우리 몸의 세포 안팎으로 수송되는 가를 규명해 낸 발견은 굉장한 중요성을 내포하고 있음을 알 수 있다. Aquaporin 단백질의 기능을 알게 된 이 시점에서 , 이것을 응용할 수 있는 분야는 실로 다양하다. 과학계의 관점에서 보자면 , 박테리아 , 식물 , 그리고 포유류에서의 물 채널에 대한 폭 넓은 생화학적, 생리적, 그리고 유전적 연구의 길을 열어주는 격이 될 것이고, 인간에게 적용할 수 있는 응용 분야를 찾아 보자면 Aquaporin 단백질을 잘 통과할 수 있는 물질을 개발하여서 건조한 피부를 촉촉하게 만들어 주는 보습제를 개발할 수도 있을 것이고, 신장이 어떻게 1차 소변으로부터 물을 회수하고 우리 신경 세포들 속의 전기적 신호들이 어떻게 생성되고 전달되는 가를 기본적인 분자 수준에서 이해할 수 있게 될 것이다.
또한 신장 , 근육 , 신경계통 , 심장 등에 문제가 생긴 많은 사람들의 질병을 이해하는 데도 요긴하게 쓰일 수 있게 될 것이다. 그리고 질병 치료에 요긴 하게 쓰일 수 있다는 말은 바꿔 말하면, 이 단백질에 결함이 발생하면 질병에 걸릴 수도 있음을 의미한다. 가령 예를 들자면 이 단백질의 결함으로 인해 요붕증(diabetes insipidus)1나 , 청력 상실 등의 질병이 유발될 수 있다.
II. 본론
1. Aquaporin 의정의
Aquaporin 은 일종의 water channel proteins 으로 정의될 수 있다. 동물과 식물 세포 모두에 존재하는 Aquaporins 은 세포의 파열(bursting) 을 방지하고 사람의 경우 신장과 적혈구 세포, 눈 수정체(eye lens) , 뇌의 수분 이동을 조절하는 기능을 한다. 한마디로 Aquaporin 은 수분 재흡수에 중요한 역할을 하는 조절자이다. 세포 외부의 삼투 농도의 급격한 변화를 늘 직면하게 되는 적혈구는 급격히 팽창하거나 수축해야 하는데, 이는 적혈구 형질막에 높은 농도로 존재하는 Aquaporin 에 의하여 해결된다. (세포 당 2*105 복사물). 콩팥단위(nephron) 에서 proximal renal tubule cell 형질막에 5가지 다른 종류의 Aquaporin 이 있다. 이 단백질은 수분 채널을 형성한다. 수분 채널은 소수포(small storage vesicles) 에서 세포 표면으로 수송되어 수분을 모아서 신장 조직으로 되돌려 준다.
세포의 수분 이동 과정에는 다른 분자 물질의 이동이 수반되면 안된다. 다시 말하면 수분이 이동할 때 당 분자(sugar molecule)나 이온(ions) 의 손실이 발생해서는 안되는데 이 같은 기능을 담당하는 것이 바로 Aquaporin 이다. 이 같이 정밀한 선택성(selectivity)을 갖고 있으면서도 Aquaporin 은 매 초당 30억 개에 이르는 물 분자를 이동시킬 수 있다. 이는 10 평방 센티미터의 Aquaporin 필터로 단 7 초만에 1리터의 물을 여과할 수 있는 수준에 해당한다. 그리고 인간에게는 13 개의 Aquaporin(AQP-0 ~ AQP-9) 이 존재한다고 알려져 잇는데, 이들은 각각 특별한 역할을 담당하고 있다. (이 중 6개가 신장에 존재한다.). 그리고 가장 연구가 많이 된 Aquaporin 은 AQP1 과 AQP2 , AQP3 , AQP4 이다.
2. Aquaporin 의구조 , 특성 , 기능
Aquaporin 에게 이러한 기능을 가져다 주는 이유는 바로 구조에 있다. Aquaporin 은 2nm 의 길이를 지녔고 , 폭 0..3 m 의 전달 통로를 세포막에 형성시킨다. 이 구조는 정확히 물을 손쉽게 통과시킬 수 있고 다른 거대 분자는 통과하지 못할 정도의 크기라고 볼 수 있다. 좀 더 자세히 이야기 하자면 물 분자 하나 보다 약간 더 큰 폭이라고 보면 된다. 그리고 Aquaporin 의 원자 구조는 가상의 이중 세포막(bilayer membrane) 에 파묻혀 있으면서 많
은 수의 물 분자가 이를 둘러싸고 있는 형태를 띄고 있다. 그 다음으로 Aquaporin 의 특성들을 몇 가지 살펴보자면, 일단 Aquaporin 을 통해 이동하는 물 분자는 매우 정렬된 상태로 움직이기 때문에 물의 이동 속도를 크게 높일 수 있다. 그리고 Aquaporin 의 두 번째 특성은 “수소 이온의 차단 기작” 관련된 것이다. 수소 이온 이동을 차단하는 것은 이동하는 물 분자 사이의 수소 결합이 깨지면서 유도되는 것으로 밝혀졌는데 , 일반적으로 수소 결합이 깨지는 과정은, 물이 끓는 현상에서도 볼 수 있듯이 에너지를 요구한다.
Aquaporin 은 단백질을 통해 이동하는 물 분자에 일시적으로 수소 결합을 형성시키는 방식으로 이 같은 에너지 불균형 문제를 해결한다. 좀 더 세밀하게 알아보자면,X-선 회절 분석을 통해 본 AQP-1 의 구조는 4 개의 단일체(각각의 분자량 28,000) 로 구성된 tetramer 며 각각의 단일체는 물분자의 통과가 충분한 직경(2-3Å)의 막횡단 구멍을 가지고 있다. 각각의 단일체는 또한 6개의 나선 부분과 2개의 짧은 나선을 가지는데, 여기에 Asn-Pro-Ala(NPA) 의 특징적인 아미노산 서열이 포함되어 있다. NPA 를 포함하는 짧은 나선은 반대편에서 이중층의 중간으로 뻗쳐져 있고, 이 부분이 특이 여과 기능을 담당하여 오직 물 분자만이 통과하는 구조를 형성하는 것이다.
각 AQP-1 단일체의 통로를 구성하는 잔기들은 대개 비극성이지만 펩타이드 결합의 뼈대에 존재하는 카보닐 산소는 통로의 좁은 부위로 빠져나와 각각의 물 분자와 수소 결합을 형성할 수 있도록 한다. ; 특히 물 분자와 수소결합을 하는데 NPA 고리에 있는 두 개의 Asn 잔기(Asn76 과Asn 192) 가 관여한다. 이 구조는 proton hopping2을 허용하는 사슬을 형성하지 않는다. 즉, 이 통로 중간에 돌출 되어 있는 특정 아미노산인 Asn-76 과 Asn-192 와의 상호작용이 에너지 측면에서 불리한 물질은 배제되는 것이고, 이 두 아미노산과 수소 결합을 이룰 수 있는 물 분자는 안정하기 때문에 통과되는 것이다. 중요한 Arg 와 His residue 및 전기 쌍극자는 NPA 고리의 짧은 나선에 의하여 형성되며, 이는 구멍을 통하여 새어나올지 모르는 어떠한 양성자도 원래 자리로 밀어낼 수 있는 양전하를 공급한다. 즉, Aquaporin은 양성자(hydronium 이온 , H3O+) 의 이동을 허락하지 않는다는 특징이 있다고 볼 수 있는데, 이것은 막의 전기화학 전위가 깨지지 않는다는 것을 의미하므로 상당히 중요한 특징 중 하나이다.
ar/R(aromatic/ arginine) selectivity filter 는 NPA 고리의 양 옆에서 발견되는 helices 2(H2) 와 helices 5 (H5) 그리고 loopE(loop E1 과 loop E2) 로부터 두 residue 에 의해 형성되는 tetrad 이다. 이러한 ar/R 지역은 대개 extracellular vestibule 을 향하는 방향에서 발견되는데, 대략 NPA 고리보다 8Å 위에 있다.
그리고 종종 pore 에 있어서 가장 좁은 부분이기도 하다. 이 좁은 구멍은 물이 positively charged 된 arginine 과 상호작용하도록 만들어서 물 분자 사이의 수소 결합을 약화시키는 역할을 담당한다. 여기서 positively charged arginine 은 구멍을 위해 proton filter 로써의 역할도 담당한다.
그리고 이들 세포들은 소변 형성 과정 동안 물을 재흡수하게 되는데, 이 기능은 막을 가로질러 물이 이동하게 되는 필수 과정이다.Arabidopsis thalinana 는 38 종류의 Aquaporin 형성 유전자를 가지고 있는데 , 이는 식물 생리에서 물의 움직임이 얼마나 중요한지를 보여주는 예가 될 것이다.
예를 들어, 팽압의 변화는 막을 가로지르는 급격한 물의 움직임을 요구한다. 물 분자의 흐름 속도는 AQP-1 을 통하여 진행될 때 109s-1 에서 104s-1 인 것을 고려하면 비교가 될 것이다. Aquaporin 통로를 이용한 물의 이동에 필요한 활성화 에너지는 매우 낮아서 (∆ G’≠ < 15 Kj/mol) 물 분자가 삼투 농도에 의하여 형성된 방향으로 지속적으로 흐르게 될 것임을 알 수 있다.
AQP1 은 널리 발현된 water channel 이다. 그리고 이 AQP1 의 생리학적인 기능은 신장 내에서 가장 철저하게 특정화되어 있다. AQP1 은 proximal tubule 의 basolateral plasma membrane 과 apical plasma membrane 에서 주로 발견된다. 좀 더 자세히 말하면 Henle
loop 의 아래쪽에 갈라지는 부분과 , vasa recta 의 아래쪽 부분에 위치한다고 볼 수 있다. 또한 AQP1 은 red blood cell 과 vascular endothelium , gastrointestinal tract , sweat glands 그리고 lungs 에서 발견된다. 이것은 vasopressin(ADH) 에 의해 조절되지 않는다
2) AQP2
AQP2 는 cell 전체에 존재하는 intracellular vesicle 과 신장의 principal collecting duct 의 apical cell membrane 내에서 발견된다. 이 Aquaporin 은 펩티드 호르몬인 vasopressin 에 의해 두 가지 방식으로 조절된다. 즉, APQ2 가 aplical plasma membrane 가 연합하는 장소인 apical region 으로 AQP2 를 이동시키는 short-term regulation(몇 분 소요됨) 가 있고, 두 번 째로 AQP2 유전자 발현을 증가시키는 long-term regulation(몇 일 소요됨)이 있다.
이 Channel 내의 돌연변이가 바로 nephrogenic diabetes insipidus 를 일으킨다. 그리고 bipolar disorder 를 치료하기 위해 주로 사용되는 Lithium 은 AQP2 유전자의 발현을 감소시킴으로써 aczuired diabetes insipidus 를 일으킬 수 있다. 이 병은 ‘오줌 생산 속도의 증가’ 를 약하게 만든다. AQP2 유전자의 발현은 임신이나 congestive heart failure 와 같은 수분 보유와 관계된 조건에서 증가된다.
3) AQP 3 과 AQP 4
AQP3 와 AQP4 는 principal collecting duct cell 의 basolateral cell membrane 에서 발견되어지며 물이 이러한 세포들을 빠져 나갈 수 있는 통로를 제공해 준다. 신장에서 AQP3 의 발현은 vasopressin(ADH) 에 의해 조절된다. 반면에 AQP4 는 본질적으로 발현된다. 좀 더 자세히 말하면 AQP4 는 성상세포(astrocyte) 에서 발현된다. 그리고 중추 신경계(central nervous system) 에 직접 공격을 가하여 조절할 수도 있다.
5. 포유류에서의 Aquaporins
다양한 포유동물에서 발견되는 Aquaporin 은 구조와 기능에 따라서 분류할 수 있다. 첫 번째 그룹은 AQP0 , AQP1 , AQP2 ,AQP4 ,AQP5 ,AQP6 ,AQP8 이 7개의 Aquaporin 을 묶을 수 있는데 이 분자들은 물을 선택적으로 전달하고 , glycerol 과 urea 는 전달하지 않는다. 두 번째 그룹은 AQP3 , AQP7 , AQP9 이 3가지의 Aquaporin 으로 묶을 수 있는데 이들은 물만 전달하는 것이 아니라 glycerol 과 urea 같은 small nonionic molecule 도 전달한다. 이러한 AQP 들은 조직 내에 광범위하게 분포되어 있고, 생리적인 조절을 하기에 체내에서 물과 용질의 전달에 있어서 매우 중요한 기능을 담당하고 있는 듯 하다.
하지만 최근 연구에 다르면, Aquaporin 을 기능하지 못하게 만든 인간과 동물을 가지고 한 실험에서 phenotypic effect 가 거의 나타나지 않았다. 이 말은 즉, 아직 발견되지 않은 Aquaporin 이 존재하여서 이와 같은 결핍을 매꿔 준다는 것을 의미한다
6. 식물에서의 Aquaporins
Plant Aquaporin 은 plant 내에서 water-selected channel 이다. 그리고 (씨앗 발아)seed germination 과 (세포 신장)cell elongation , (기공 이동)stoma movement , fertilization 등에도 관여한다. 몇 몇 plant Aquaporin 은 stress 에 반응하여 중요한 역할을 수행한다. 그리고 plant 내의 Aquaporin 은 네 개의 주요 homologous subfamiliy 로 분류될 수 있는데, Plasma membrane intrinsic Protein(PIP) 와 Tonoplast Intrinsic Protein(TIP) 와 Nodulin-26 like Intrinsic Protein(NIP) 와 Small basic Intrinsic Protein(SIP) 가 바로 그것이다.
그리고 이 네 가지의 subfamiliy 들은 다시 자신들이 지닌 DNA 서열의 특정성과 밀접하게 관련을 맺는 subgroup 들을 지니고 있다. PIP 는 PIP1 와 PIP2 라는 subgroup 을 지니고 잇고, TIP 은 5가지 subgroup 을 지니고 있다. (TIP1 ,TIP2 ,TIP3 ,TIP4 ,TIP5). 그리고 각 subgroup 은 다시 PIP 1;1 , PIP 1;2 와 같이 isoform 으로 나뉠 수 있다.
7. 식물 내에서의 Aquaporin 의 gating
Aquaporin 의 gating(출입 통제) 는 단백질의 구멍을 통해 물이 출입하는 걸 막기 위해 시행된다. 이것은 많은 이유 때문에 시행될 수도 있다. 즉 plant 는 가뭄 때문에 cellular water 를 적은 양 포함할 수도 있다. Aquaporin 의 gating 은 gating mechanism 과 aquaporin 사이의 상호작용에 의해 시행되는데 여기서 Aquaporin 은 구멍을 막아 물의 출입을 막기 위해서 단백질 내에서 3D change 를 일으킨다.
Plant 내에서는 최소 2가지 형태의 Aquaporin gating 이 발견되었는데, 첫번 째 형태는 특정 serine residue 의 dephosphorylation 에 의한 gating 인데 여기서 serine residue 들은 drought 와관련되어 있다. 그리고 두 번째 형태는 flooding 에 반응하여서 특정 histidine residue 의 protonation 에 의한 gating 이다. 그리고 Aquaporin 의 phosphorylation 은 온도에 따라 반응하는 plant 의 개폐와 밀접한 관련이 있다.
8. PIPs
Plasma membrane intrinsic protein 은 이름처럼 plant cell 의 plasma membrane 에서 발견된다. 좀 전에도 살펴 봤지만 PIP 에는 두 가지 subgroup 이 있는데 그게 바로 PIP1 과 PIP2 다. 이렇게 구분을 짓게 해 주는 기준은 바로 이들의 ‘펩티드 서열 차이’ 인데 , PIP1 은 흔히 PIP2 보다 더 낮은 water channel activity 를 지닌다. 왜 그러한 지는 아직 밝혀지지 않은 영역이다. 그러나 PIP1 의 Water channel activity 도 PIP2 와 같이 tetramer 형태로 존재하면 증가하는 것으로 예상되고 있다.
9. Aquaporins 과 질병
Aquaporin 에 돌연변이가 생겨서 초래되는 질병 중 명확히 알려진 두 가지 예가 있다. 일단 AQP2 유전자에 이상이 생기면 유전이 가능한 nephrogenic 요붕증(diabetes insipidus)이 발생한다. 그리고 mice homozygote 에서 AQP0 유전자를 돌연변이 시키면 cogenital cataracts 가 발병한다. 소수의 사람들에게서 심각한 수준의 AQP1 결핍 또는, AQP1 의 완전한 결핍이 발견되어졌다. 흥미로운 것은 이들이 대부분 건강하다는 것이다. 그러나 오줌내에 용질을 농축시킨다거나 마실 물이 부족할 때 물을 저장하는 능력에 문제가 생겼다.
AQP1 이 제거된 쥐는 또한 countercurrent multiplication(역 증식) 에 의해 신장 수질 내에 용질을 농축시키는 능력이 결핍되어 수분 저장에 있어서 결함을 보이게 된다. 유전적으로 결정되는 nephrogenic diabetes insipidus 에 미치는 영향 뿐만 아니라 Aquaporin 은 후천성으로 얻게 된 nephrogenic diabetes insipidus 에 있어서도 중요한 영향을 미친다. 이 병은 위에서도 언급했지만, 오줌의 생산량이 과다하게 증가하는 disorder 다. 좀 더 자세히 살펴 보자면 후천성 nephrogenic diabetes insipidus 는 lithium salts 의 주입으로 인해 AQP2 의 조절이 약화되어서 발생한다. 또한 혈액 내의 낮은 potassium 농도(hypokalemia)에 의해서라던지 , 혈액 내의 높은 calcium 농도(hypercalcemia) 에 의해서나 또는 일반적인 요구량보다 훨씬 많은 양의 물을 만성적으로 섭취해도 발생할 수 있다.
4. Aquaporin 이 사용되는 응용 분야
Aquaporin 을 가장 잘 이용하고 있는 대표적인 응용 분야를 소개하자면 그건 바로
“No needle Mesotherapy”영역일 것이다. 엄격한 의미의 Mesotherapy 는 “주사 놓는 방법의 일종”인데, 즉 Mesotherapy 는 피부에 조금씩 , 여러 번에 걸쳐 주사를 놓는 방식을 통틀어 일컫는 말이다. 즉 , 주사량도 다른 주사제에 비해 상대적으로 적은 양이고, 주사를 놓는 부위는 피부에 국한되며, 한번에 주사하는 것이 아니라 계속 반복하여 주사 놓는 것을 말하는 것이다. 이 시술법은 주로 통증치료에 쓰이는 것이지만, 요즘은 미용목적(얼굴의 주름, 대머리, 국소비만 및 cellulite3등) 으로 그 영역이 확대대는 중이다. 이렇듯 미용 분야에 있어서 Aqauaporin 의 원리를 최대한 활용한 장비가 있으니 그것이 바로 Dermawave 라는 장비이다.
이 장비는 세포막에 있는 수분과 소금의 이동통로인 Aquaporin water channel 을 통해 물질을 주입하는 최초의 transdermal delivery method 다. (이러한 method 를 Aquaphoresis 라고 부른다.)이 장비는 세계적으로 많은 의과 대학, MIT 에서 이용되고 있으며, 그 원리를 알아본다면 Dermawave 는 685nm 와 830nm Diode Laser 와 3가지의 Electrical waveforms 를 조합시켜 주사바늘을 이용하지 않고 지방분해 약물이나 피부 재생에 도움이 되는 약물을 원하는 피부의 피하지방층, 즉 신체의 부분비만 치료부위나 얼굴 부위에 통증 없이 투여갸 가능한 최신의 무통증, 무혈, 무마취, 무수술이 가능한 no needle mesotherapy 이다. 전달되는 혈액을 원활하게 하고, 피부 세포에 영양소와 산소 전달을 강화하여 콜라겐을 증진시켜 준다.
여기서 685nm 는 Cellular Energy , 미토콘드리아 자극 , ATP condition 증가 , 피부의 얕은 곳에 영향 을 미치는 등의 작용을 하고, 830 nm 는 약물 주입 전 신체의 heating 작용 , 세포의 투과율 증가(각종 노폐물 배출에 효과적) , 피부의 깊은 곳까지 영향을 미치는 작용을 한다.
이러한 시술의 장점을 꼽아 본다면 일단 일반적인 주사 바늘을 이용해 피부에 많은 구멍을 낸다면 , 통증이 생기고 주사에 대한 공포감이 유발되며 , 멍 자국이 생기고, 병원균의 침입에 의한 감염이 생길 수 있고, 지방 제거 수술을 하는 중이라면 요요 현상도 생길 수 있지만, 이러한 Dermawave 를 이용하면 Aquaphoresis 방식으로 물질을 전달하기 때문에 주사 바늘 없이 유요한 약물 성분의 90% 정도를 침투시킬 수가 있다.
이러한 Dermawave 기법이 활용될 수 있는 분야는 크게 피부 회복(Skin Rejuvenation) 과 Cellulite Treatment, 그리고 Circulation Treatment 가 있다. 피부 회복과 관련된 구체적인 분야는 Acne 치료 , Dark Circle 제거 , Pigmentation 등을 치료할 때 쓰이고 , Cellulite Treatment 에는 엉덩이 , 허벅지 , 뱃살 , 넓적다리 등의 국부 지방을 감소시키는 치료와 이중턱 제거 , 얼굴&목 치료 등이 있다. 마지막으로 Circulation Treatment 에는 부종 감소 , 혈액순환 촉진 , 림프순환 촉진 등의 효과가 뒤따른다. 이와 같이 Aquaporin 에 대한 발견 하나로 인해 일상 생활 속에서 수 많은 응용이 가능케 되었으며, 이로 인해 삶의 질을 향상시키는 결과를 가져왔다.
III. 결론
Aquaporin 의 발견으로 인해, 앞으로의 Aquaporin 연구가 세상에 미칠 놀라운 파급 효과
들을 기대해 보는 시간이었다. 앞에서 “응용”에 대한 이야기를 해 봤듯이, Aquaporin 의 발견이 일상 생활 속에 가져온 이득은 상당했다. 하지만 학자들은 여기서 만족하지 않고,이에 대한 후속 연구를 다양하게 시도하고 있는데, 가령 Aquaporin 의 기능을 인위적으로 차단하거나 조절하는 방법을 알아내고 있는 것 등이 그 예일 것이다. 이 Aquaporin 은 신장과 적혈구 , 각막, 뇌 등 인체의 여러 곳에 존재하기 때문에 만약 신장에 위치한 Aquaporin 유전자에 돌연변이가 생기면 제 기능을 못해 신장 기능에 이상이 생기게 될 것이다. 하지만 이 원리를 치료를 위해 “역 이용”해 본다면 가령 뇌에 물이 차는 뇌수종의 경우 Aquaporin 유전자를 조절하면 치료가 가능하다는 결론이 나온다.
이러한 다양한 시도와 연구로 인해 ‘Aquaporin 에 문제가 생겨 발생하는 질병’을 치료하는데 유용하게 쓰일 수 있는 신약 물질 개발이 속히 개발되었으면 하는 바람이다. 또한 Aquaporin 으로 Novel prize 를 수상했던 Peter Agre 박사님의 일화가 상당한 깨달음을 주기도 했는데, 이 Agre 교수님은 “적혈구를 연구하다 우연히 나무에서 발견한 단백질과 비슷한 단백질을 세포 막 내에서 발견하고 집중 연구한 끝에 Aquaporin 을 발견하게 되었다”라는 일화를 한국에 와서 소개해 주셨었다. 늘 보던 나무 , 그리고 준비된 때가 아닌 ‘우연한’때에 얻게 된 깨달음. 이러한 사연을 통해 얻게 된 놀라운 발견은 결코 가벼운 과정이 아니었을 것이다.
이 박사님이 걸어온 땀과 눈물의 시간들을 잠시 생각해 봤다. 이렇 듯, 과학자의 길을 걷을 때에는 내가 어느 위치에 있고, 무엇을 보고 있으며, 무슨 생각을 하는 지에 상관 없이 늘 흔들리지 않는 목표를 지니고, 그 푯대를 향해 달려가야 하는 분명한 의식이 있어야 함을 알게 되었다.그 동안 배우고, 느끼고, 생각하고, 봤던 모든 것들을 하나로 연결시켜 어떤 상황에서도 유용하게 이용할 수 있는 창의적인 사람 , 진취적인 자세로 현상을 대하고, 해결되지 않은 문제를 하나하나 밝혀나가는 자세, 그리고 끊임없는 노력. 이런 것들이 뒷받침 되었기 때문에 Agre 박사님은 1.일상적 소재, 2.우연한 시기 , 3.집중적인 연구라는 단 3가지 요소만으로 Novel Prize 라는 명예를 누리게 되었던 것이라 생각한다.
이것이 어쩌면 이 Aquaporin 공부를 통해 얻게 된 가장 큰 성과일 것이라 생각된다. Biomembrane 에 대한 공부를 하다가 이 Aquaporin 이라는 protein 에 관심을 가지게 되었고, Aquaporin 에 대한 전반적인 개념과, 배경 등을 알아가는 것도 참 귀한 시간이었지만, 가장 큰 성과는 바로 이 작은 protein 을 통해 궁극적으로 얻게 된 “삶의 깨달음”이 아니었을까 생각해 본다.
1하루 30리터 이상의 소변을 보게 되는 병으로써 끊임없이 갈증을 느끼게 된다. 여러 가지 이유가 있겠지만 ADH의 불충분한 분비, ADH수용기를 코드한 2개의 돌연변이 유전자의 유전, 아쿠아포린을 코드하는 2개의 돌연변이 유전자의 유전으로 요붕증이 생긴다.
2양성자의 매우 빠른 원거리 이동에 영향을 미치는 현상으로써, 실제 확산보다 훨씬 빠르고, Na+ 나 K+ 같은 다른 일가 양이온과 비교하여 수소 이온이 매우 빠르게 이동할 수 있는 이유가 되어주는 현상이기도 하다
세월이 흘러감에 따라 앞서 언급된 세 가지 전통들은 서로 혼합되어 상호간에 영향을 미치면서 일종의 하이브리드(hybrid)를 창출하게 되었다. 예를 들면, 뉴턴(1642~1727)은 얼핏 보기에도 기계론자처럼 보이므로, 후대의 학자들은 그의 물리학을 과학에 대한 기계론적 접근의 전형으로 여긴다. 그의 저작 또한 이런 추정에 어느 정도 정당성을 부여했다.
뉴턴은 신을 위대한 기술자로 이해했기에, 행성체계의 창조자는 역학과 기하학에 능숙한 존재임이 틀림 없다고 기술했다.
뉴턴은 만유인력의 법칙(the law of universal gravitation)은 지구상과 천체상의 물체에 동일한 원리를 적용해야 한다고 했는데, 이는 지구상의 물체와 전체상의 물체가 서로 대조되는 물질로 구성되었다는 아리스토텔레스의 주장에 익숙했던 당시 사람들을 깜짝 놀라게 하는 것이었다.
또한 빛에 대한 실험으로 빛은 다양한 중간 매개체를 통과했을 때에도 역학의 법칙을 따라 움직인다는 사실을 증명했는데, 이는 빛을 영적 상징이라고 이해하던 신플라톤주의자들의 주장을 뒤엎은 것이었다. 그는 빛을 입자들의 흐름으로 해석했는데, 이는 보일의 화학에 관한 견해와 유사한 것이었다.
더욱이 뉴턴은 신플라톤주의의 세계영혼(World Soul)에 관한 주장에 강력하게 반박하였는데, 이는 그것이 신으로 간주될 때 범신론에 가까워지기 때문이었다. 그는 [제네럴 스콜리움](General Scholium)이라는 책에서 다음과 같이 말하고 있다:
이 존재는 세상의 영혼으로서가 아니라 모든 것의 주인으로서 만물을 다스린다. … 그리고 신성은, 신을 세상의 영혼으로 생각하는 사람들의 상상처럼, 신 자신의 몸에 대한 지배력이 아니다. 그것은 그의 종들에 대한 지배력이다.
결과적으로 볼테르와 다른 계몽주의자들은 뉴턴의 업적을 전혀 다른 기계론적 세계관을 장려하는데 사용한 것이었다.
그들은 성경적 창조주를 우주라는 태엽을 감은 후에 그대로 돌아가도록 내버려 두는 이신론적 시계공으로 축소해 버렸다. 경제학자 존 키네스(John Maynard Keynes)의 말을 빌리면, 뉴턴은 “우리로 하여금 냉철하고 무미건조한 이성으로 사고하도록 가르친.. 현대과학의 처음이자 가장 뛰어난 과학자로 간주되었다.”
그러나 뉴턴 자신은 이신론자도 합리론자도 아니었다. 그는 기계적인 세상의 질서 속에서도 기계적인 세계 이상의 것에 대한 증거를 발견했는데, 그것은 바로 살아있는 지적 창조주였다.
[제너럴 스콜리움]이란 책에서 뉴턴은 “가장 아름다운 체계인 태양과 행성, 그리고 혜성은 오직 지적이고 능력이 가득한 존재의 지혜와 지배로부터 나왔다”고 주장했다.
그리고 광학[Optics]에서는 과학의 임무를 “결코 기계적이지 않은 첫째 원인에 도달할 때까지 원인을 결과로부터 추론하는 것”이라고 보았다. 뉴턴이 생각하기에 과학의 가장 유용한 혜택은 종교적이며 도덕적인 것이었다.
과학은 우리에게 “첫째 원인이 무엇인지, 그가 무슨 힘으로 우리를 지배하는지, 그리고 그로부터 우리가 받아 누리는 혜택이 무엇인지”를 보여줌으로써, “서로를 향한 우리의 의무만이 아니라 그를 향한 우리의 의무도 자연의 빛에 의해 우리에게 나타나게 될 것이다.”
더욱이 뉴턴이 이룩한 대부분의 과학적 업적의 동기들이 변증적이었다는 것은 이미 그가 살던 시대에도 잘 알려져 있었다. 로저 코테스(Roger Cotes)는 뉴턴의 [프린키피아](Principia) 재판 서문에서 이 책이 “무신론자들의 공격에 대한 가장 안전한 보호책이 될 것이며, 불경건한 무리들에 대항하는 미사일이 될 것이다”고 기록했다.
그렇다면, 뉴턴은 기계론자였는가? 최근 뉴턴의 철학적 입장을 명확히 하기 위해 많은 양의 글들이 집필되었다. 키네스는 뉴턴의 필사본을 연구한 후, 뉴턴에 대한 표준적 견해와는 달리, 뉴턴이 상징과 마술에 매혹되어서 신플라톤주의적 입장을 취했다는 결론을 내렸다. 그는 “왜 내가 뉴턴을 마술사라고 부르는가?”라는 질문을 던진 후 다음과 같이 설명했다.:
그는 우주를 바라보면서 이 우주 안에 담겨 있는 모든 것을 수수께끼로 보았는데, 이는 순수한 사고를 어떤 증거에 적용했을 때 비로소 해독될 수 있는 비밀이었고, 신이 세상에 내리신 어떤 신비로운 실마리였다. …. 그는 우주를 전능자가 만들어 놓은 암호문으로 간주했다.
키네스는 뉴턴이 이성의 시대의 첫 인물이 아니라 오히려 마지막 마술사였다고 결론지었다. 역사학자 라탄시(P. M. Rattansi)도 비슷한 맥락에서 뉴턴을 신플라톤주의의 전통 위에 올려놓았다. 뉴턴은 신플라톤주의적 전통의 능동적 원리를 채용하여, 이를 이 세상에서 신적 행위의 통로로 간주했다. 그는 자신이 발견한 중력을 능동적 원리의 가장 중요한 실례로 간주했다. 따라서 라탄시는 힘의 개념이 “뉴턴에게는 지각의 세계에서 신의 현시로 보였다”고 기록했다
DNA nucleic acid+histone 8개=nucleosome->Nucleosome 이 모여서->chromatin fiber -> chromosome
나.유전정보의 전달
복제->전사-> 번역
복제(replication): parental DNA 를 복사하여 동일한 염기 배열을 지닌 daughter DNA 를 만드는 단계
전사(transcription): DNA 에 있는 유전 정보가 RNA 로 전달되는 과정
번역(translation): RNA 가 담고 있는 유전 정보를 ribosome 이 20개의 A.A 로 구성된 polypeptide 또는 protein structure 로 바꾸는 단계.
1.gene replication and repair
DNA 분자는 방사선이나 알킬화제에 의해 끝없이 손상을 받는다.
è이 손상을 제거하기 위해 DNA repair system(DNA 수복 체계) 를 보유함.
èDNA 손상이 심하면 이상한 repair 가 이뤄지고 , 오히려 유전자 변이를 초래하여 암 등의 질병이 생겨버림
2.gene transcription
m RNA(messenger RNA): polypeptide 의 합성을 위한 정보를 보유
t RNA(transfer RNA) : 아미노산을 활성화시켜서 운반하는 역할을 함.
r RNA(ribosomal RNA): ribosome 을 구성하여 단백질 합성을 보조함.
3.gene translation
m RNA chain 에 있는 유전정보가 ribosome 에서 단백질의 polypeptide 로 번역됨.
Start codon 의 앞부분의 번역되지 않는 부위-> 5’-UTR(untranslated region)
Stop codon 의 뒷부분의 번역되지 않는 부위-> 3’-UTR
(역할: m RNA 의 안정도에 영향을 미침 , 단백질 합성을 조절하는 역할)
다.영양과 유전자 발현 조절
1.regulatory gene sequence 와 gene transcription regulatory factor.
Gene expression regulation 의 많은 부분이 transcription 의 initiation 단계에서 일어남.
è이걸 조절하는 곳 promoter
<종류>
보전 유전자(constitutive gene)
: 거의 모든 세포에서 낮은 수준으로나마 활성을 갖는 promoter를 가지는 gene.
유도 유전자(inducible gene)
:몇 개의 tissues 나 특정의 발달 단계에서만 강하게 발현되는 genes.
-> 이들은 promoter region 에 TATA box , GC box , CAAT box등의 독특한 base sequences 를 지닌다. (여기에 단백질로 구성된 gene transcription regulatory factor가 결합하여 RNA polymerase 에 의한 gene transcription 을 조절하게 됨)
이 외에도 enhancer , silencer가 존재함.
(이들에게 유전자로부터의 위치와 방향은 안 중요함)
2.영양소와 유전자 전사 조절
영양소가 유전자 발현을 조절하는 방식
1.영양소나 그 대사산물과 결합하는 물질들이 직접 유전자 전사 조절인자들을 활성화시킴으로써 유전자 발현을 조절
2.영양소나 그 대사산물이 세포내의 신호전달 체계를 변화시켜 간접적으로 유전자 발현을 조절
Ex) 식이지방
-> 세포막의 지방산 조성을 변화-> 신호 전달 체계에 영향을 미침.
3.hormone 분비와 nervous system 의 action potential 을 변화시켜 간접적으로 유전자 발현을 조절.
Ex) 소화기관과 내분비기관을 구성하는 상피세포들이나 미주신경과 CNS 를 구성하는 신경세포들은 영양소를 인지하는 sensor , 또는 영양소가 결합하는 receptor 가 존재하며 이들을 통하여 영양소의 수준을 인식하고 , 신경과 내분기계를 통하여 뇌와 말초조직 사이에서 영양소에 대한 정보를 교환함.
3.영양소나 대사산물에 의한 유전자 전사 조절인자의 활성화 예
가. 아연
나.레티노익산(중요함)
* 비타민 A 로부터 합성됨.
*역할: 배아형성 , 골격형성 , 세포의 성장과 분화 , 대사 조절
*retinoic acid receptor 가 직접 유전자 전사 조절인자로 작용!
*retinoic acid receptor 는 RAR(retinoic acid receptor)과 RXR(retinoid X receptor)로 나눈다. (각각은 여러 종류의 이소형<RAR-a , b ,r 와 RXR-a,b,r 등) 으로 구성됨.)
*retinoic acid receptor 가 결합하는 부위-> RAR과 RXR 이 dimer 를 형성해야 하며 , RXR 은 homodimer 를 형성하거나, 갑상선 호르몬이나 , 비타민 D receptor 와 같은 다른 유전자 전사 조절 인자들과 함께 heterodimer 를 형성하기도 함.
다.비타민 D
소장에서 ->칼슘의 흡수를 촉진시킴,
신장에서-> 칼슘의 재흡수를 촉진시킴
뼈에서->칼슘의 이동을 촉진시킴
결국: 칼슘의 항상성을 유지시킴.
라. 지방산과 지방산 유도체
지방산이나 지방산 유도체와 결합하여 활성화 되는 유전자 전사 조절인자: PPAR(peroxisome proliferator-activated receptors)
è기능: 1.핵에서 RXR 과 heterodimer 를 형성하여 지질과 당질 대사에 관여하는 다양한 유전자의 transcription 을 촉진.
PPAR-a : 1)간 , 근육 , 심장, 신장에 주로 존재함. 2) free fatty acid 의 섭취 및 b-oxidation 을 촉진시킴
PPAR-r : 1) 지방저장조직에 존재2) 지방세포의 증식 및 분화 3) 지방 합성 4) 지방을 복부 지방조직에서 피하지방조직으로 재배치 5) 아디포넥틴의 분비를 증가시킴.
PPAR-d(델타) : 1) 간, 근육에 주로 존재 2) 지방 섭취의 변화를 감지하여 지방 산화를 조절 3) 이게 계속 활성형으로 유지되면 과식에 의한 지방간 생성이 저해됨. 4) leptin recptor 에 이상이 있는 db / db mouse 에서도 비만이 초래되지 않음. (즉 이게 비만치료의 main target 이다)
리놀렌산 , 아라키돈산-> 1) 둘 다 polyunsaturated fatty acid 다. 2) fat synthesis 과 glycolysis 에 관여하는 enzyme 들 , glucose receptor 등의 발현을 유전자 전사 단계에서 억제함.
원리:polyunsaturated fatty acid 에 결합하는 전사 조절인자(PUFA-RF)가 존재하여 이 부위에 결합하는 다른 전사조절 인자인 HNF4 의 활성을 억제할 듯.(그림 14-9)
(이것도 불완전한 원리다)
마. NAD+/NADH 비율의 조절과 유전자 전사 조절
CtBP 1(C-terminal binding protein) -> NADH 를 인지하는 E sensor 로 작용함.
NADH 농도가 낮을 때-> monomer 로서 보조활성인자인 p 300 에 결합하여 histone 의 acetylation 을 저해함. (gene transcription 이 inhibit 된 상태)
NADH 농도가 높을 때-> CtBP1 이 서로 결합하여 dimmer 를 이루면서 p 300 이 자유롭게 방출되어 histone 이 acetylation reaction 과 gene transcription 을 촉진하게 된다.
SirT1-> 1) 사람에게 존재하는 Sir2 의 일종 2) histone deacetylase3) E sensor 로 작용하는 대표적 단백질
원리: NAD+ 를 만나면 의존적으로 활성이 증가하여 보조전사활성인자 인 PGC1a(peroxisome proliferator-activated receptor-gamma-coactivator-1 alpha) 와 결합하고 이 단백질의 deacetylation 을 유도하여 gene expression 을 조절함.
Starvation 일 때
->SirT1 은 PGC1a 를 통해 gluconeogenesis 에 관여하는 gene 의 expression 을 증가시킴!
->SirT1 은 “포도당 분해”에 관여하는 gene 의 expression 은 억제하여 혈중 포도당 농도를 일정하게 유지시킴.
열량제한식이 제공-> 1) 노화가 억제 2) 수명이 연장됨
원리: SirT1 이 이번에는 p53 의 deacetylation 에 관여함.
즉, p53 의 전사활성을 억제하여 스트레스나 DNA 손상에 의한 노화와 세포 사망을 줄임.
4.영양소와 단백질 합성 조절(* 여기는 정리 안 함)
영양과 유전자 이상
영양소의 ADME 등에 관여하는 효소나 호르몬의 유전자에 이상이 생기면 영양소의 metabolism 에 문제가 발생할 가능성이 높아짐.
