생명은 어떻게 작동하는가 : 박문호 박사의 생명 현상 특강 (양장)

박문호

경북대학교전자공학과를졸업하고,미국텍사스A&M대학교에서석사학위와박사학위를받았다.이후한국전자통신연구원(ETRI)에30년간재직하면서반도체레이저,반도체통신소자를연구했다.자연과학의세계관을통합적으로이해하고싶다는열망으로방대한양의자연과학서를섭렵하면서삶의근원을캐는공부에매진했고,이를바탕으로강연과집필을이어가며큰반향을일으키고있다.

2008년출간한《뇌,생각의출현》은주요중앙일간지와인터넷서점에서‘올해의책’에선정되었고,2013년에는《그림으로읽는뇌과학의모든것》으로한국과학기술도서상저술상을받았다.2017년에는10년간의뇌과학강의를집대성해《박문호박사의뇌과학공부》를출간하면서뇌과학3부작을완결했다.2019년출간한《생명은어떻게탄생하는가》는236컷의이미지를통해생명현상의신비를파헤치고,통합과학을향한한걸음을내디뎠다.2015년미래창조과학부와한국과학창의재단이수여하는대한민국과학문화상을수상했다.

과학의대중화가아닌‘대중의과학화’를모토로시민학습모임인‘(사)박문호의자연과학세상’(www.mhpark.co.kr)을꾸려15년가까이이끌어오고있다.현재1만명이넘는회원들이강의와공부모임,탐사활동에참여하고있다.특히매주4시간씩8~12주에걸쳐진행하는‘특별한뇌과학’,‘137억년우주의진화’특강에는다양한직종과연령대의회원들이찾아와현재14년째코스가진행되고있다.공부모임회원들과몽골고비사막,하와이마우나케아산,서호주,뉴질랜드,칠레아타카마사막등지를21차례탐사하고,그내용을책으로엮어내기도했다.그중지질생명탐사는EBS〈세계테마기행〉에방송되었다.

서문│분자와생명현상

1.생물학을공부하는방법
자연세계를일상용어로묘사하기는어렵다|결정적지식이새로운세계를열어준다|사실을모르기때문에의견을말한다|생각은꺼내보아야한다|분자식,화학반응식,생화학회로를기억하는형상화훈련을하자|학습은용어단계,구조단계,작용단계로구분된다|정보는한페이지에통합되어야한다|생물학은분자학이다|사물은분류되고생물은분화된다|창의성은머릿속이미지를문자와수식과도형으로표현하는과정이다|개념의힘|학습욕망은훈련으로자란다|기억생성,기억활용,기억편집|멘탈이미징훈련|패턴인식과패턴생성|생명의분자는대부분포도당분자와관련된다

2.생명진화의단계
생명은전자,양성자,광자상호작용의중첩된현상이다|수소원자핵은빅뱅에서생성된다|생명의원자들은별의핵융합에서만들어진다|생명진화의10단계|생화학의결정적지식은주기율표와최외각전자수이다|탄수화물,지질,단백질|생명의출현을보는8개의프레임|생화학분자식50개를기억하면생명이보인다|한장에정보를모으면상호관계가드러난다|원핵세포에서진핵세포가출현한다

3.광합성과호흡
미토콘드리아의산소호흡이다세포생물을만들었다|시아노박테리아의물분해형광합성이대기중산소의기원이다|혐기성박테리아는무산소호흡으로에너지를얻는다|물과이산화탄소그리고수소만으로생명은가능하다|광합성과TCA회로에익숙해지면글루코스가보이기시작한다|미토콘드리아의활성산소가DNA를손상시킨다|활성산소|생명현상은산화와환원과정이며전자와양성자의이동이다|호흡은호흡효소에서물분자로전자가이동하는과정이다|포르피린의헴구조는동물헤모글로빈과식물엽록소의핵심분자구조이다|광합성캘빈회로는해당과정의역순이다|호흡은산소가물로바뀌는작용이다|생명의에너지는ATP합성효소가만든다|세포내공생이미토콘드리아와엽록체의기원이다|미토콘드리아는핵의DNA와기원이다른독립된DNA를갖고있다

4.지질과생체막
생체막은인지질로구성된다|단백질입체구조접힘이효소작용의핵심이다|콜레스테롤은아세틸-CoA로부터합성된다|스테로이드호르몬은콜레스테롤로부터합성된다|세포질에서아세틸-CoA분자에의한지방산생합성이일어난다|지방산의베타산화는에너지생산과정이다|비타민|레티날|아이소프렌분자에는2만5,000종의분자대가족이있다|효소는대부분단백질로구성된다

5.DNA에서단백질합성까지
핵산A,G,C,T사이의결합은인산에의한공유결합이다|DNA와RNA구성단위는뉴클레오타이드이다|수소결합으로DNA단일나선들이이중나선을만든다|분자는공유결합으로연결된원자들의집합이다|mRNA의정보가아미노산서열로되는과정이유전정보의번역이다|아데닌은티민과2개의수소결합,구아닌은시토신과3개의수소결합을한다|ATP는생물학에서글루코스다음으로중요하다|DNA주형가닥의복제는3’→5’방향으로진행할수없다|RNA중합효소I,II,III의작용으로rRNA,mRNA,tRNA가생성된다|리보솜에는E,P,A자리가있다|세포질에서합성된단백질은핵,미토콘드리아,엽록체,퍼옥시솜으로이동한다

6.해당과정,TCA회로,캘빈회로
생명은C,H,N,O,P,S원자들이결합하여만든분자들의이야기다|분자식기억하기는뇌인지훈련의지름길이다|4개의화학결합|용어에답이있다|생화학핵심분자10개|질소원자가생명현상에참여하다|오르니틴회로는아미노산과TCA회로의상호작용이다|아미노산의생합성은해당과정과TCA회로와관련된다|세린과글리신의생합성|해당과정전반부는G6P가분해되어G3P와DHAP가생성되는과정이다|해당과정후반부는G3P에서피루브산이생성되는과정이다|글루코스분해에는아세틸-CoA,젖산,알코올생성의3가지과정이존재한다|아미노산티로신에서도파민,노르에피네피린,에피네피린이생성된다|코리슴산에서프리펜산과안트라닐산이생성된다|안트라닐산은트립토판을만들고,트립토판에서생성된세로토닌이감정을만든다|트립토판이세로토닌을만들고,세로토닌은수면물질인멜라토닌을만든다|고리분자에익숙해지면생화학공부가가속된다|탄소원자고리를통해전자가이동하여기억과감정을만든다|모든생화학과정은TCA회로로통한다|5탄당인산회로의분자식에익숙해지면생화학공부가즐거워진다|캘빈회로의RuBP분자가이산화탄소와결합한다|캘빈회로의순환과정은Ru5P로모인다|NADH분자에서분리된전자에서30개의ATP분자가생성된다|퓨린과피리미딘의생합성의중간단계는이노신1인산이다|우라실과티민의생합성|아데닌과구아닌의생합성|DNA디옥시뉴클레오타이드분자들의생성과정|DNA와RNA분자의퓨린은요산으로분해된다

7.후성유전학
DNA복제와RNA전사는5’→3’방향으로진행된다|뉴클레오솜|메틸화와아세틸화는후성유전학의핵심내용이다|박테리아리보솜작은모듈의16srRNA를분석하여박테리아,고세균,진핵생물의분류가생겼다|DNA가메틸화되면복사와전사를할수없다|전사조절인자는유전자발현을조절한다|miRNA는mRNA의번역을중단시키고mRNA를분해한다|유전자발현을조절하여환경변화에적응한다|CpG섬이메틸화되면DNA전사가억제된다|유전정보는RNA분자로부터보다안정한형태인DNA분자로옮겨져저장된다|생명은단백질입체구조가만든정교한분자기계의작용이다|아데노신분자가등장하는조효소에는진화의이력이새겨져있다|DNA이중나선은마스터주형으로유전정보를보관한다|유전학은새로운ncRNA를발견하고기능을찾아내는데주력하고있다|진화가나아가는방향은nc-DNA인정크유전자의비율이커지는방향이다

8.바이러스와박테리아
바이러스는박테리아의단백질을이용하여자신을번식시킨다|바이러스분류의양성과음성은뉴클레오타이드가5’→3’으로만결합되는방향선택성에서나온다|레트로바이러스는RNA세계가설을실증해생명을보는관점을확장해준다|바이러스는유전정보만존재하고대사과정은숙주세포에의지하는반쪽생명현상이다|크리스퍼가위는바이러스감염에대항하는박테리아의면역시스템이다|바이러스는식물성플랑크톤에감염한다

9.식물과셀룰로오스
식물에서저장당은녹말이고,구조당은셀룰로오스이다|식물에서저장당은녹말이며,동물에서저장당은글리코겐이다|설탕은잎에서식물저장조직으로이동한다|식물조직은세포분열하는살아있는분열조직에서만들어진다|물관세포벽에셀룰로오스가침착되어세포벽이두꺼워져강한물관이된다|신생대의낮은이산화탄소농도에대한적응으로C4식물과CAM식물이출현하였다|식물의생리적반응은주로호르몬분자들이담당한다|식물호르몬옥신의작용으로식물의굴광성작용이일어난다|식물은관다발과종자의존재여부에따라분류된다|식물진화는수분의진화과정에드러난다

10년간수천명의수강생을열광시킨통합과학특강,
3부작‘137억년우주의진화’첫번째마당!
박문호박사는과학을말랑하게만들어소개하는‘과학의대중화’가아닌‘대중의과학화’를모토로,엄밀한과학을전파하여대중들의수준을높이는데몰두해왔다.단번에이해하기어려운내용일지라도익숙해질때까지반복하면서학습하면이해의순간이찾아온다는과학학습방법론을주창하면서어려운대목을우회하지않고뇌과학과자연과학의여러분야를파고들었고,그렇게얻은지식과공부방법론을나누는그의강의에많은이들이호응했다.그의강의에는과학/의학관련전문직종사자에서부터학생,과학과는담을쌓고살아온일반인에이르기까지다양한사람들이몰려들어자연의이치를탐구하고있다.
그동안뇌과학분야저술과강의를활발하게하며‘뇌과학전문가’로통하던저자가《뇌,생각의출현》에서부터《그림으로읽는뇌과학의모든것》《박문호박사의뇌과학공부》로이어지는뇌과학3부작을완결하고,이제우주의장구한역사를과학의눈으로정리한빅히스토리서술에나선다.저자가주도하는‘박문호의자연과학세상’에서는10년간크게두가지배움이이어졌는데,하나가뇌과학,다른하나가‘137억년우주의진화’수업이다.크게우주,지구,생명편으로나뉘는‘137억년우주의진화’에서‘생명’편을정리한것이바로《생명은어떻게작동하는가》이다.

종합화한그림과결정적지식으로이해하는생명현상

“생물학작용은대부분분자들의변환과정이고,그과정을한페이지에모아보면각각의생화학과정을비교할수있다.해당작용의10단계와TCA회로,광합성명반응,암반응,미토콘드리아의지방산의베타산화,핵산의퓨린과피리미딘생합성과정을한장에그려보자.50개의분자식을한페이지에순서대로적어보면생화학작용의상호관계가명확해진다.생체분자들이대부분글루코스에서생성되는과정은해당작용과TCA회로에서생성되는생화학대사작용모두를연결하여한장의그림으로표현할수있다.생화학대사작용인탄수화물대사,아미노산대사,핵산대사,지질대사,에너지대사,비타민대사분자들이모두해당작용과TCA회로에서나온다.그래서이책에서는두가지형태의‘한장에모으기’를시도하였다.즉생화학회로와관련된모든정보를한장에모으고,해당작용과TCA회로관련대사작용을한장에모으는것이이책의핵심내용이다.”(87쪽)

책은만만치않다.분자식과생화학회로들이곧장제시되고,이를기억할것을강조한다.다음과같은이유에서다.“생물학의결정적지식은대부분분자식으로표현되고,생화학은생체분자들의변환과정에대한학문이다.그래서생물학을대충1년공부하기보다생화학관련분자식30개를기억하여익숙해지는방식이더효과적이다.”(6쪽)
국내외의거의모든생화학교과서와전문서적,논문을섭렵해,해당작용의10단계,TCA회로,광합성명반응과암반응,미토콘드리아의지방산의베타산화,핵산의퓨린과피리미딘생합성과정등,주요한생화학메커니즘을빠짐없이담았다.한번읽고이해하기는쉽지않다.하지만심혈을기울여만든236컷의일러스트,책에서제시하는‘종합화한그림’과‘결정적지식’과같은장치로이해를돕는다.정보를한페이지에통합해서보여줌으로써서로상관없는듯한생화학기관과메커니즘,이를테면호흡과광합성,미토콘드리아와엽록체가서로대응되는구조를지닌,동전의양면과같은것임을깨닫게한다.‘결정적지식’은말그대로그것하나를이해하면다른지식들이고구마줄기딸려오듯터득하게되는지식을말한다.“이책에서는생물학여러분야에서10개의결정적지식을선정했으며,생물학최고의결정적지식이글루코스분자식임을강조한다.핵산,지질,아미노산이모두글루코스분자에서시작하기때문이다.그림에‘결정적지식’으로표시했다.”(5쪽)

생명현상은분자들의춤,
그중에서도글루코스(포도당)가핵심이다!

“생명은분자현상이다.세포작용은분자의변환과정이며,분자식을기억해서익숙해져야생화학회로가보인다.자연은에너지,원자,세포로그패턴을드러낸다.분자는공유결합으로묶인원자의집합이다.원자의배열상태에따라분자들의에너지가다르며,더낮은에너지의원자배열로바뀌려한다.해당작용,TCA회로,요소회로,캘빈회로를이해하려면20개가넘는분자식을기억해야한다.결국생물학공부는분자식공부이다.분자식을기억하지않는생화학공부는실체를보지않고드러난형태만보는것이다.물이란단어는일상용어로는통용되지만그어떤과학적내용도포함하지않는다.물에대한분자식H2O를H-O-H로표현하면물에대한많은과학적내용을알수있다.물의실체는수소원자2개와산소원자1개가공유결합으로된분자이며,이분자식에서물에대한많은물리와화학적속성을밝혀낼수있다.“(278쪽)

책에서는분자식을반복해강조한다.분자구조가사물의실체를보여준다는입장에서다.“생명현상은대사작용이고,대사는산화환원반응이며,산화환원은전자의이동에의한분자변환과정이다.그래서이책의핵심내용은생화학분자변환과정이다.”(5쪽)특히다른수십개분자식의원천으로서글루코스에많은분량을할애했다.핵산,아미노산,지질생성과관련되는중요한분자인글루코스야말로이책의주인공이라고할수있다.
생명이출현하는데는탄소,수소,산소만있으면되고,질소는생명출현후필요하다는설명은다른책에서찾아보기어려운독특한이론이다.“생명은분자들의춤이다.”환원주의적관점으로보일수있으나생명현상을규명하자면이러한분자수준의설명은피해갈수없는일이다.생명의작동원리에관심있는독자들에게일독을권한다.‘박문호의자연과학세상’홈페이지(mhpark.co.kr)의동영상강의도참고하면도움이된다.