살아있는 이유 – 생명과 에너지, 그리고 ATP (KISTI)

지금 이 순간, 당신은 삶과 죽음 사이의 경계에 서있습니다
아마 당신은 느끼지 못하겠지만, 당신의 몸속에서는 엄청난 양의 놀라운 일들이 벌어지고 있습니다. 그리고, 이 일들은 멈출 수 없죠. 올라가는 에스컬레이터를 역행해 내려가는 무지개링을 상상해 보세요 내려가는 무지개링은 세포 복제 시스템을 의미하고, 올라가는 에스컬레이터는 당신을 인도하는 물리 법칙을 의미합니다. 살기 위해선 계속해서 아래로 내려가야 하지만 그 어디에도 도착하지 않죠. 만일 무지개링이 에스컬레이터의 정상에 도달하면, 더 이상은 내려가지 못하게되고 그 이후론 죽은 상태가 됩니다.

안타깝게도, 우주는 당신을 정상에 도달시키려 합니다. 당신은 어떻게 그 상황을 모면하고, 왜 살아있는 걸까요? 모든 생명체는 세포로 이루어져 있습니다. 죽어있는 우주에 동떨어져 있는 세포는 잠깐이나마 활동이 가능합니다 우주로부터의 분리가 무너질 때 쯤이면, 세포는 죽으며 다시금 우주와 하나가 됩니다 불행하게도, 이 우주는 모든 생명체가 죽어서 아무것도 하지 못하는 상태로 있었으면 합니다

몇몇 이유로, 우주는 활동적인 것 보다는 최대한 무덤덤하고 지루한 상태를 유지하려고 하죠 우리는 이러한 원리를 '엔트로피'라고 부릅니다 이는 우리가 속한 우주의 가장 근본적인 법칙이죠 꽤나 복잡하고, 반(反)직관적이니 자세히 알아보도록 하죠

지금, 알아야 할 것은 모든 살아있는 생명체는 본질적으로 활동적이라는 것입니다 하나의 세포는 수백만개의 단백질과 물과 같은 더 단순한 분자들로 채워져 있습니다 매 초, 수 천개의 복잡한 자아복제의 과정들이 최대 수 십만번 이루어집니다. 살아있는 상태와 활동적인 상태를 유지하기 위해서, 세포는 지속적으로 일을 하는데, 엔트로피의 법칙으로 후에는 죽으며 비활성화 됩니다. 세포는 자신이 속한 우주로부터의 분리를 반드시 유지해야합니다

예를 들어, 세포 내부와 외부의 특정 분자의 농도를 다르게 유지하는데, 이는 세포가 능동적으로 초과된 분자를 뿜어 냄으로서 이루어 집니다 이러한 행동을 하기 위해선, 하나의 세포는 에너지를 필요로 합니다. 에너지는 우주에 속한 물체가 가진 능력으로 일을하고, 이동하고, 움직이고, 또 변화를 만들어 냅니다. 이 에너지는 따로 만들어지거나, 파괴되지 않으며, 우주가 가진 에너지의 양은 절대로 변하지 않습니다 이것이 왜 그런지는 모르지만, 그저 이런 식인 겁니다.

수십억년 전, 초기의 생명체에게 있어 가장 중요했던 도전은 사용가능한 에너지를 수급하는 것이었습니다 초기의 세포에 대해선 아직 모르는게 많지만, 세포들은 단순한 화학작용으로부터 에너지를 얻는다는 사실은 알고 있습니다 그리고 그 세포들은 궁극적인 에너지운송시스템을 발견하게 되는데, 에너지로 꽉 찬 세포뭉치인, 아데노신3인산, ATP 입니다
이 분자의 구조는 에너지를 흡수하거나 발산하는데에 특이할 정도로 뛰어납니다 분자를 세포외부로 내보내거나, 고장난 전자레인지를 고쳐야할 때 처럼, 세포가 에너지를 필요로한다면 ATP를 분해하여 화학적인 에너지를 이용해 다른 일을 하거나, 변화를 만들어 내죠 이것이 살아있는 생명체가 무언가를 할 수 있는 이유입니다

지구에서 처음으로 ATP가 언제, 그리고 어떻게 만들어 졌는지는 모릅니다 하지만, 인간이 아는 모든 생명체들은 ATP를,
혹은 ATP와 유사한 것을 이용해 생명을 유지합니다 이 세포는 식물, 곰팡이, 박테리아, 그리고 동물이 생존하기 위해 필요한 과정에서 중요합니다 ATP없이는, 지구에 생명체는 존재하지 않을 것 입니다 아마, 어디에도 없을겁니다 화학물질들은 분해해 에너지를 만드는게 좋았었다지만, 초기의 생명체들은 가장 위대한 에너지원인 태양을 알아채지 못했었죠
태양은 원자를 융합해, 광자력을 발산하는데 이는 에너지를 태양계로 이동시킵니다 하지만 이는 원유와 마찬가지로 곧바로 이용할 수 없습니다  정제되어야 되죠 수억년의 진화의 시간이 흐른 뒤, 세포는 마침내 이 태양에너지를 사용할 수 있는 방법을 알아냅니다

방사능을 흡수하여 간단한 화학물질로 전환시킵니다. 전환된 화학물질은 세포가 생명을 유지하는데 사용되죠 우리는 이러한 과정을 광합성이라고 부릅니다 불안정한 전자기 에너지, 광자기 에너지를 흡수해서 그 중 일부를 각기다른 분자들을 융합하거나 조합하는데에 사용합니다 전자기에너지는 화학에너지로 변화되어서 ATP에 보관됩니다 이 과정은 몇몇 세포들이 더 나은 화학물질 저장방법을 찾아내면서 더욱 효율적이게 됩니다 그 세포가 바로 '당'인 '포도당'입니다 분해하기도 쉽고, 에너지 수용량도 많으며, 또한 맛있기까지 합니다 이는 너무나도 편리해서 몇몇 세포들은 귀찮은 광합성을 스스로 하는 대신에 광합성 과정을 마친 세포를 흡수해서 그들의 포도당과 ATP를 가져옵니다

이는 진화역사에서 손꼽히는 배신이라고 널리 알려져 있습니다 그리고 시간이 지나 광합성 세포는 주로 표면에다가 에너지를 축적하는데 에너지 생산량에 제한이 걸리게 되고 이는 진화의 과정을 밟게 됩니다 그 이후로 시간이 지나서 어느 세포들은 당을 만들었고, 다른 세포들은 당을 섭취했죠

진화는 일어났지만, 전체적으론 큰 변화는 없었습니다 수억년 동안이나요
그러던 어느날, 한 세포가 다른 세포를 먹었는데, 소화시키지 못한 적이 있습니다 소화시키진 못했지만, 하나의 세포가 되었죠 그 당시엔 아무 일도 일어나지 않았지만 하지만 그 이후로 지구는 바뀌었습니다 이 세포는 이 행성에 있는 모든 동물의 조상이 되었습니다 흰긴수염고래라던가, 아메바라던가 공룡이라던가, 해파리라던가, 애기아르마딜로라던가, 박쥐원숭이라던가 그리고 당신도 포함되죠

모든 생명체들은 이 세포를 뿌리로 두고 있습니다 살아있는 두 생명체의 융합은 너무나 중요했는데, 왜냐면 이들이 융합했을 때, 그들은 더욱 더 강해졌거든요 이전에는 독립적이었던 세포는 이젠 생존을 위해 발버둥 칠 필요가 없어졌기에 단 하나의 행동에 집중할 수 있게 되었는데, 이 행동이 바로 ATP 생산입니다 기생하는 세포의 동력실과도 같은 존재가 되었고 이는 최초의 미토콘드리아 입니다

숙주세포의 임무는 위험한 상황에서 생존을 보장하는 것과 미토콘드리아에게 영양분을 제공하는 것으로 바뀌었습니다
미토콘드리아는 기본적으로 광합성의 정 반대의 일을 합니다 광합성과 비슷한 복잡 과정을 통해서 말이죠 다른 살아있는 생명체로부터 흡수한 당분자를 가져와서 산소와 전구체분자로 연소시켜 에너지가 풍부한 ATP를 생산해내죠 이 과정은 마치 자그마한 용광로처럼 작동하고 폐기물을 배출하는데 이산화탄소, 물, 그리고 약간의 운동에너지를 뿜어냅니다
이는 여러분들이 체열로 느낄겁니다

이런한 첫 번째 분업은 새로운 세포가 과거의 세포보다 훨씬 더 많은 양의 에너지를 가진다는 걸 의미했고 또한 더 복잡한 세포를 향한 더 높은 진화의 가능성을 의미했습니다 어떠한 시점에, 이 세포들이 하나의 작은 무리나 집단을 형성하기 시작했고 그리고 더 나아가 다세포생명체로 이어졌으며 끝내 당신을 이루게 됩니다

 

오늘 날, 당신은 한 곳에 쌓여진 수조개의 세포들입니다 각 세포들은 수십, 혹은 수백개의 에너지를 공급하는 기계들로 채워져 있는데 이 기계들이 살아있기 위해서 필요한 에너지를 만들어주죠 만약 이 과정 단 몇분이라도 망가지게 된다면
당신은 죽게됩니다 만약 생명이 이렇게 손상되기 쉽다면, ATP를 저장해 놓는게 좋은 방법 아닐까요? 마치 우리가 지방조직에 당을 저장해 놓아서 숨쉬지 못한다 해도 몇분간 살 수 있는것 처럼요

만약 생명이 오늘 당신이 살 수 있게 많은 문제들을 해결해줬다면, 사람이 일찍 죽는 일들은 왜 일어나는 걸까요? 대장균과 같은 단순한 박테리아도 자기 무게에 50배에 달하는 ATP를 생산해 냅니다 모든 세포분열 마다요 당신을 이루고 있는 수조개의 세포는 상태를 유지하기 위해 많은 ATP를 필요로 하는데 매일, 신체가 생산하고 전환시키는 ATP의 양은 약
90
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90,000,000,000,000,000,000,000,000개입니다 (90양 개)
당신의 몸무게와 비슷하죠

단 하루를 살아가기 위해서, 당신은 한 사람과 맞먹는 양의 ATP가 필요한 겁니다 또한 몇분을 살아갈 수 있는 ATP를 저 장하는것도 사실상 불가능합니다 ATP는 빠르게 에너지를 전달하는데에 효율적이지만 저장되기에는 매우 비효율적인데
왜냐면 포도당의 1퍼센트에 해당되는 에너지를 가지고 있지만, 질량은 3배 가까이 되기 때문이죠 따라서 ATP는 지속적으로 생산되면서도 빠르게 사용됩니다

지금까지 이 죽어있는 우주에서 당신을 다르게 만들어주는, 그리고 에스컬레이터 위의 무지개링으로 만들어주는 분자에 관한 짧고 간단한 이야기였습니다 참으로 이상한 이야기입니다 살기위해선 매번 꼭 필요한 분자가 있다는데... 항상 움직이기 위해선 이 분자가 필요하죠 왜냐면 잠깐의 휴식이 무지개링을 멈출테니까요 그리고 이 분자를 직접 만들어야 하다니 마치 최고속력으로 차를 타고 달리는데 트렁크에서는 길가에 있는 쓰레기들을 주워다가 연료로 주입하는 셈이네요

 

우리가 아는 사실은, 수십억년 전 죽어있는 우주의 조그마한 부분이 한 곳에 모여 잠시동안 한곳에 모여서 이 모든게 시작됐습니다 스스로 살아갈 수 있었죠 성장할 수도 있었습니다 그 때, 무지개 링이 굴러가기 시작했고 지금까지 굴러가고 있습니다 최초의 세포부터 이걸 보고있는 당신까지 언젠가 당신은 다시금 죽어있는 우주의 일부가 될 것입니다 아마 당신만의 모험을 알려줄 수 있겠네요 아닐 수도 있겠지만요

하지만, 그걸 알아보기 전에 생명이 가장 잘 하는 것부터 해봅시다 죽은 우주를 훨씬 더 흥미롭게 만드는 일 말이죠