하늘과 바람과 별과 인간 / 김상욱 / 바다출판사

 

하늘과 바람과 별과 인간

〈알쓸인잡〉의 다정한 물리학자 김상욱이 5년 만에 신간으로 돌아왔다. 이번에는 물리학의 경계를 뛰어넘어 원자에서 인간까지 세상 모든 존재들에 대해 이야기한다. 물리학자에게 세상은 차갑게만 보일 거라는 선입견과 달리 김상욱이 과학의 언어로 그리는 세상은 그렇지 않다. 그는 말한다. 물리학자에게 사랑이란 필연의 우주에서 피어난 궁극의 우연이라고. 이보다 멋지게 과학의 언어로 사랑을 표현할 수 있을까? 저자는 기본 입자와 원자에서 시작해 존재의 층위들을 하나하나씩 밟아가며 물질과 생명, 그리고 더 나아가 우주와 인간이 어떻게 서로 연결되어 있는지 조망하며 차갑게만 느껴지던 우주가 물리학자의 시선 속에서 얼마나 따뜻할 수 있는지 보여준다. 세상을 이해하고 싶었던 한 소년의 지적 호기심이 물리학에서 화학과 생물학, 그리고 인문학으로 확장해간 김상욱의 지적 세계를 이 책에서 만나볼 수 있다. 더불어 우주와 우리에 대해 현대 과학이 도달한 지점을 한 권의 책에서 아울러 보여주고 있다는 점에서 현대인이 알아야 할 새로운 시대의 새로운 교양을 제시한다. “이 책은 세상을 이해하기 위해 경계를 넘은 좌충우돌 여행기이자, 세상 모든 것에 대해 알고 싶은 사람을 위한 지도책입니다.” ─ 저자 서문

저자

김상욱

출판

바다출판사

출판일

2023.05.26

29. 원자=원자핵(원자핵에 들어 있는 양성자의 수=원자번호)+전자

주기율표: 원자들을 질량순으로 늘어놓은 표. 주기율표 세로줄의 원자들은 화학적 성질이 비슷, 원자호텔에서 층이 높을수록 전자는 바깥쪽에 위치. 

<3장> 물질을 만드는 세 가지 방법

1. 이온결합: 전자를 버리거나 줍거나

• -두 원자 가운데 하나는 전자를 떼어내기 쉽고(전자가 원자핵에 멀리 있다.) 다른 하나는 전자를 받아들이기 쉬워야 한다.
• 78. 맛은 느끼는 과정은 복잡하지만 혀를 감지하는 것은 원자가 아니라 전하다. 나트륨 이온과 칼륨 이온은 우리 몸에 꼭 필요하다. .. 몸에서 정보는 전기 신호로 전달되는데, 정확히 말해서 나트륨 이온과 칼륨 이온이 세포막을 이동하며 만드는 전류신호다. 이런 이온들이 없으면 신호가 멈출 것이고 우리는 바로 죽을 것이다...나트륨은 짠맛(행복)

2. 공유결합: 전자 나누어 갖기

• 두 객실 사이에 순간이동 통로가 생긴다면 사실상 두 객실은 하나가 되었다. 전자를 좋아하는 원자들이 공유결합을 쉽게 할 거다. 
• 단단하고 구조를 바꾸기도 어렵다.
• 평평한 판 모양의 구조물을 형성하는 데에만 기여한다.
• 작용기: 분자들의 얼굴에 해당하는 부분. 작용기를 이루는 원자들은 종종 공유결합으로 서로 단단하게 묶여 있다.
• 항생제의 효과: 세균은 파라아미노벤조산이라는 화학물에서 엽산이라는 물질을 만든다. 설파제(항생제)의 구조는 파라아미노벤조산과 유사하다. 세균이 항생제 설파제와 파라아미노벤조산을 놓고 혼동을 일으켜 세균의 엽산 생산이 방해를 받고 성장이 둔화된다. 

3. 금속 결합(주기율표 중앙-3번째 세로줄부터 12번째 세로줄까지)

• 금속을 이루는 원자들은 각가 전자를 내놓고 양이온이 된다. 모든 금속 원자가 만들어내는 중첩상태로 엄청나게 많은 동에 있는 객실이 모두 순간이동 통로로 연결된다. 하나의 전자가 동시에 모든 객실에 존재하는 셈. 금속 내 모든 곳에 존재하여 아무런 제약을 받지 않고 자유롭게 움직일 수 있다. 
• 금속 결합은 음전하를 띤 자유전자들의 집단과 모든 양이온의 집단이 집단 대 집단으로 일종의 이온결합을 한 것이다. 
• 쉽게 휘어지고 잘 늘어난다.
• 합금: 전이금속은 서로 뒤섞어 새로운 특성을 갖는 물질을 만들기 쉬움. 
• 부식: 공기 중에 존재하는 반응성 높은 원자인 산소와 금속이 결합하여 산화물이 되는 것. 금속이 잃은 전자를 산소가 가져가며 금속과 산소가 결합한 것=녹. '칼카나마알아철니주납수구수은백금'(금속의 이온화 경향)
• 용융: 녹는 온도가 낮은 금속부터 역사적으로 먼저 사용

97. 제2차 세계 대전 중 나치는 화학 물질로 유대인을 대량학살했다. 하지만 유대인을 학살한 것은 화학이 아니라 인간이다. 그런 물질을 제조한 화학자의 책임도 있지만 오염물질을 버리도록 지시한 사람도 책임이 작다고 볼 수 없다. 사실 화학이 아니었다면 우리들 가운데 절반 이상은 존재할 수도 없다. 인간의 수명이 급격히 늘어나고 삶의 질이 높아진 것은 대부분 화학의 공로다. 양자역학은 인간 지성의 위대한 승리지만, 그것을 실제 세상의 이해와 나아가 응용까지 끌어내려면 화학이 필요하다. 

99. 층위에 따라 다른 법칙을 적용하는 것이 최선이라는 결론에 도달한다. 많은 것은 다르다. More is different.

 

2부. 별은 어떻게 우리가 되는가

 

 

 

3부. 생명, 우주에서 피어난 경이로운 우연

9장 최초의 생명체와 진화-변화의 누적이 만든 기적

원자들이 모여 분자를 이루고 생명체가 되는 것: 창발

277. 역시 과학의 길은 멀고도 험하다. 훗날 유전을 매개하는 물질이 DNA이고 복제하는 과정에서 돌연변이가 일어난다는 것이 확인됨으로써 진화론의 생화학적 토대가 확립된다. 

279. 지구 대기 중 산소 농도는 광합성하는 진핵생물이 탄생한 시기에 가장 빠른 속도로 증가했다. 원핵생물은 세포핵이 없고, 진핵생물은 세포핵이 있다. 진핵생물의 탄생이야말로 진화의 역사에서 가장 결정적인 첫 번째 국면이다. 참고로 인간과 같은 동물은 모두 진핵생물이다. 

원핵세포에서 진핵세포로의 도약

282. 핵막이 없는 원핵생물, 즉 세균은 다른 죽은 세균들의 DNA를 받아들여 쉽게 변이를 일으킨다. 이 때문에 인간과 병원균의 전쟁에서 신약이 개발되는 속도보다 세균의 돌연변이가 빠를 수 있다...진핵생물은 핵막을 만들어 공생 개체들의 DNA로부터 자신의 DNA를 보호할 수 있었지만... 빠른 변이를 일으킬 수 있는 원핵생물의 장점은 잃어버렸다. 좀더 다양한 유전 정보를 갖는 자손을 얻기 위해 진핵생물이 고안한 발명품은 性을 통한 유성생식이었다. 

284. 인간의 경우 산소를 상대하는 것은 허파다. 몸 안으로 들어온 산소는 적혈구라는 특별 호송 열차에 실려 혈관을 타고 몸의 각 부분으로 조심스럽게 전달된다. 참고로 몸 안에서 이런 럭셔리한 방식으로 이동하는 원자는 산소뿐이다. 다른 원자는 그냥 혈액에 녹은 상태로 이동한다. 산소는 대단히 위험한 원자이기 때문이다. 이래저래 생명의 화학에서 산소가 핵심이다. 

 

10장 다세포 생물에서 인간까지-지구상 생물의 장대한 역사

단세포생물이 함께 공생하여 진핵생물 탄생.
단세포 진핵생물이 모여 군락을 이루다가 해면동물이 탄생
해면동물은 조직을 가지고 있지 않으나 자포동물이 되면 촉수와 입항문이 조직을 갖게 된다.
조직을 운용하기 위해 원시적인 신경계가 나타난다.
자포동물은 방사형 형태를 가지나, 운동성이 중요해지자 좌우대칭 동물이 탄생한다.
좌우대칭 동물은 머리와 꼬리, 분리된 입과 항문, 조직화된 신경계와 뇌를 가진다.
운동하는 좌우대칭 동물은 포식자가 되어 캄브리아기 대폭발을 일으킨다.
뇌에서 등을 따라 뻗어나가는 신경삭을 등뼈에 넣은 척추동물이 등장하자 동물은 육지로 여행을 떠난다.
체외수정하는 야야서류를 거쳐 알을 낳는 파충류로 진화가 일어나고 새끼를 낳는 포유류가 탄생한다.
포유류 가운데 완전한 형태의 새끼를 낳는 태반류 영장목의 동물 가운데 하나가 바로 인간이다. 

289. 모든 세포가 동일한 유전자를 갖고 특화된 임무만 수행하는 동물. 최초에 존재했을 다세포 동물의 원형이라 할만한 이것=해면동물

291. 자포동물은 근육 조직과 신경계를 가진 좀 더 본격적인 동물이다. 말미장, 해파리, 해면동물과 달리 몸통, 촉수, 입, 항문과 같이 특별한 기능을 수행하는  진정한 조직을 갖는다. 

297. 캄브리아기가 특별한 것은 동물이 연한 몸에서 단단한 몸으로 변했기 때문이다. 캄브리아기는 동물 종이 다양해진 것이 아니라 이미 다양했던 동물의 몸이 단단해진 시기다. 아마도 날카로운 이빨을 가진 대형 포식자가 등장했던 것 같다. 생명의 역사에서 눈이 등장한 것도 대략 이 시기다. 인간의 역사를 보아도 전쟁이 일어나면 과학 기술이 눈부시게 발전하지 않던가. 지구 환경만이 아니라 포식자와 먹이도 진화의 중요한 요인이다. 

298. 입이 먼저 생기는 선구동물(편형동물, 절지동물, 연체동물 등), 항문이 먼저 생기는 후구동물(척삭동물-인간, 극피동물)

299. 척추동물: 신경삭이 몸의 등을 관통하는 뼛 속에 담긴 동물

300. 식물, 노래기류, 양서류 순으로 바다에서 유지로의 이주가 일어남

301. 진화에는 방향이 없다. 그때그때 필요하면 변화가 오는 것이다. 

303. 멸종은 진화를 이루는 중요한 축이다. 환경 변화에 적응하여 진화한다는 것은 적응하지 못하는 생물이 멸종한다는 말이기도 하다. 그들이 죽어 생긴 빈틈을 조금이라도 적응을 더 잘한 다른 생명체가 메꾼다. 백악기 대멸종이 있을 때 공룡이 진화하여 포유류가 된 것이 아니다. 공룡은 모두 죽었고, 이미 존재하고 있던 포유류가 그 빈자리를 메웠다. 인간이 야기한 환경 변화로 여섯 번째 대멸종이 진행 중이라는 증거가 많다... 물론 생물은 새로운 환경에 적응할 것이다. 하지만 대멸종이 일어날 때, 최상위 포식자는 언제나 멸종했다. 참고로 지금 최상위 포식자는 인간이다.

309. 무한대가 숫자가 아니라는 것을 알아야 한다. 무한은 숫자가 아니라 과정이다. 끝없이 커져가는 과정이다. 점은 무한한 과정으로 만들어지는 존재다. 따라서 점은 명사가 아니라 동사다. 사랑이 점이라면 사랑도 명사가 아니라 동사다.

311. 사랑은 우연한 사건의 누적으로 시작되지만, 결혼은 쌓인 우연을 제거해가는 것이다. 사랑은 우연을 먹고 자라나지만, 결혼은 우연을 제거하고 예측 가능성을 선물하는 일이다.

"결혼은 서로가 서로에게 예측 가능한 사람이 되어 주는 일이야." 서로에게 예측 가능한 사람이 되었다는 건 중요하고 사소한 수없는 약속들을 지켰다는 증거였다. 백영옥의 <애인의 애인에게>

 

4부 느낌을 넘어 상상으로

11장 우리는 어떻게 호모 사피엔스가 되었는가 - 물리학자가 본 호모 사피엔스의 특성

325. 무리를 이루게 되자 다른 이의 마음을 읽고 이해하는 능력이 중요해졌다. 많은 학자는 인류의 뇌가 사회성 때문에 빠르게 진화한 것이 아닌가 생각한다. 인간은 '사회적 동물'이 맞다. 

329. 운동에 대한 복잡한 정보를 하나의 모듈로 파악하기 때문에 가능하다. 뇌 어딘가에 운동 인지 모듈이 있다는 뜻이다. 철학자 칸트가 말한 시간과 공간 같은 선험적 사고의 틀도 이런 인지 모듈의 하나에 해당하는 것 같다. 인지 모듈은 뇌 내부의 신경세포들 사이의 타고난 연결에 의해 형성될 것이며, 그 내용은 우리 유전자 어딘가에 저장되어 있을 것이다. 그렇다면 인지 혁명은 뇌의 물리적 변화에서 왔을 가능성이 크다. 

330. 인간은 인지 혁명을 통해 물리학이 미치지 못하는 허구의 영역을 만들었다. 허구는 인간이 사회를 이루고 문명을 건설하는 토대가 된다...농사와 신석기가 갖는 공통점이 있다. 둘 다 인간이 자연을 변화시키는 행위와 관련된다... 목적에 맞게 돌을 정교하게 다듬는 것은 완전히 다른 차원의 문제다. 우선 나와 주변 세상이 분리되어야 한다. 신화나 전설에서 인간이 다른 동물이나 식물, 심지어 땅이나 물과도 분리될 수 없는 하나의 존재라는 사고방식이다. 신석기를 만들려면 분리에서 더 나아가 내가 대상을 변화시킬 수 있다는 개념이 발명되어야 한다. 

332. 초기 작물은 식량이 아니라 마약의 일종이었을 거라고 일부 학자는 추측한다. 

12장 나는 존재한다, 더구나 생각도 한다 -정보란 무엇인가

342. 정보는 나트륨 이온 파도를 타고 전달된다. 나트륨은 전자보다 5만 배 정도 무겁기 떄문에 속도가 느릴 수밖에 없다. 우리의 뇌가 컴퓨터보다 계산이 느린 이유다. 눈으로 들어온 시각 정보, 귀로 들어온 청각 정보, 손으로 느끼는 촉각 정보는 모두 나트륨 이온의 파도를 통해 뇌로 전달된다.

347. 편지를 전달하는 전령이 '나트륨 이온'이라는 말을 타고 도로를 달린다. 도로 끝에서 시냅스 강을 만나면 아세틸콜린이라는 사공에게 편지를 넘긴다. 사공은 배로 강을 건너, 건너편 나루터에서 대기하고 있는 새로운 전령에게 편지를 전달한다. 전령은 다시 말을 타고 도로를 내달린다... 시냅스의 놀라운 점은 유연하다는 것이었다... 반대로 시냅스 강을 자주 건너지 않으면 사공이 줄어든다. 즉 자주 사용하는 시냅스 연결은 강화되고 사용하지 않는 연결은 약화된다. 이것이야말로 기억과 학습의 근본 원리로 '신경가소성 neuroplasticity'이라 부른다. 

350. 연결세기가 변하는 시냅스를 인공적으로 만들면 학습하는 기계를 만들 수 있지 않을까? 그렇다. 이것이 바로 인공지능이다. 

352. 기억은 시냅스의 결합 강도에 저장되어 있으며, 결합 강도를 바꾸는 것을 학습이라 한다. 

358. 정보는 오로지 사용되는 빈도로만 그 가치가 정해진다. 즉 확률이 정보다. 

13장 느낌과 상상, 인간을 특별하게 만드는 것들 -느낌에서 상상 그리고 문화로

369. 느낌이 일시적인 반응이라면 기분은 지속적인 상태다. 

372. 부정적 정보의 대표적 예인 통증은 뇌에서 느끼는 것이 안디ㅏ. 통증의 근원, 즉 신체의 말단부에서 느낀다. 다마지오의 '신체 표지 가설'에 따르면 신경계에서 감지된 정보는 느낌으로 인지되며 감정은 그다음에 온다. 화가 나서 숨을 거칠게 내쉬는 것이 아니라 숨을 거칠게 내쉬는 행동을 뇌에서 '화'라고 해석한다는 뜻이다. 느낌은 항상성 유지와 직접적으로 관련된다. 주위 환경이 생존에 불리한 상황이라면 부정적인 느낌이, 유리한 상황이라면 긍정적인 느낌이 든다...

진화가 역사에서 장 신경계는 중추 신경계보다 오래되었다. 인간에게도 손발을 움직이는 것보다 중요한 것은 장의 운동이다. 장의 움직임은 의식하지 않아도 자동으로 제어된다. 장에서 뇌로 오는 신호는 느낌의 중요한 기반이 된다. 장이 안 좋은 사람이 좋은 감정 상태를 갖기 힘든 이유랄까.

375. 인간의 문화는 유발된 문화와 전달된 문화를 통해 생성된 인간의 심리적 행동으로, 상상의 산물까지 대상으로 한다는 점에서 동물과 다르다. 

전달된 문화에서 모방은 중요한 역할을 하는데, 인간의 모방은 무조건적인 모방이 아니다... 인간의 모방은 더 좋은 쪽으로 가려는 방향성을 갖고 있다는 뜻이다. 진화심리학에 따르면 문화를 전달받을 때에도 방향성, 즉 '내용편향'이 있다. 선사 시대 이래 인간은 거의 진화하지 않았다. 따라서 지금의 우리는 선사 시대 만들어진 본능에 강한 영향을 받는다. 

나오는 글

393. 진화사를 인간 중심으로 시각으로 보는 오류를 범하기 쉽다.

394. 인간의 세포도 산소가 충분히 공급되지 못하면 무산소 호흡을 한다. 생명의 진화에서 산소 호흡을 당연하다고 볼 근거는 없다.

396. 오히려 모든 것을 하나의 관점으로 설명하는 일이 불가능하다는 점을 말하고 싶었다.

 

  물리가 무엇일까? 학창시절, 물화생지로 배웠는데, 화학은 화학기호로, 생물은 생물로, 지구과학은 천체로 기억이 나는데, 물리가 무엇이었는지 정확히 기억이 나지 않는다. 
  이 책은 물리학자의 시선으로 본 세상이라는 컨셉으로 시작되었다. 1부, 2부가 지나가도 화학 아닌가 싶은 화학기호, 주기율표에 대한 이야기로 가득 차 있었다. 물리는 원자, 화학은 원자 보다 더 큰 존재, 물질에 대한 이야기라는 것을 이 책의 끄트머리에 이르러서야 알게 되었다.
  원자, 원자핵로 설명되는 세상에 대한 이야기는 너무나도 흥미로웠다. 주기율표가 세상을 이루는 원소들을 설명한 지도다. 그것을 원자호텔의 비유로 알기 쉽게 설명해주고 있다. 연소는 산소와 반응하는 과정이고 소화는 이산화탄소와 물, 빛에너지가 산소와 물로 변환되는 과정. 동물의 호흡은 그 반대로 방향으로 에너지를 우리가 움직이고 생각하고 상상하는 데 사용한다. 
  그렇게 다양한 물건들을 들여다 보니 질소, 산소, 수소, 탄소로 이루어져 있었다. 주기율표에 있는 원소도 100개가 채 되지 않는다. 그런데 원소가 모여 다양한 반응을 보이고 물질이 된다. 그리고 원소로 이루어진 물질로 이루어진 이 지구에서, 아니 이 우주에서 상상으로 문화를 만들어 인간의 시각으로 세상을 보고 있다. 
세상을 바라보는 과학자의 시선에서 세상의 단순하지만, 위대함을 느끼고 또 한 번 인간이 겸손해져야 함을 느낀다.