물이 생명의 근원인 이유에 대한 실마리 찾았다

물이 생명의 근원인 이유에 대한 실마리 찾았다 펨토초 단위로 변신하는 물, 단순한 용매 아니다 2010년 10월 13일 글자 크기

컴퓨터 시뮬레이션을 통해 밝혀진 물의 구조. 물은 두 가지 구조를 띠고 있다. 하나(그림의 왼쪽)는 전체적으로 동그랗고 분자들이 느슨하게 뭉쳐있다면 다른 하나(오른쪽)는 좀더 빽빽하고 고체의 결정 구조 같은 모양이다. 이런 구조가 200∼400펨토초만에 나타났다 사라졌다 한다. 물이 생명의 근원인 이유에 대한 실마리를 보여주는 연구결과가 나왔다. 물이 두 가지 서로 다른 구조를 갖고 있으며, 이 구조는 고작 20∼40조분의 1초라는 찰나 만에 깨졌다 생겨났다 한다는 걸 컴퓨터 시뮬레이션에서 최초로 확인된 것이다. ● 왜 암모니아나 과산화수소는 안되나? 2005년 사이언스는 125주년을 맞아 125가지의 과학의 난제를 선정했다. 그 가운데에는 물에 대한 문제도 있었다. “물의 구조가 무엇인가?”하는 거였다. 물은 분자가 수소 원자 두 개와 산소 원자 1개로 이뤄진 가장 단순한 물질 중 하나다. 그런데 이렇게 간단한 분자들로 이뤄진 물이 어떤 구조인지를 모른다니, 대체 이게 무슨 말인 걸까? 이는 물 분자 하나가 아니라 수많은 물 분자들이 함께 있는 물에 대한 문제다. 물 분자들 간에는 수소결합이라고 하는 끌어당기는 힘이 작용한다. 하지만 수소결합은 물 분자들을 아주 강하게 붙잡아주진 못한다. 때문에 물 분자들 간의 결합은 깨졌다 사라졌다 한다. 때문에 물의 구조가 파악이 잘 안된다. 이런 수소결합이 물을 가장 특이한 물질의 원인으로 지목되고 있다. 하지만 기이하게도 물처럼 수소결합을 하는, 비슷한 화학적 성질을 가진 암모니아와 과산화수소는 왜 생명의 근원이 되지 못하는 걸까? 왜 물은 되고 암모니아와 과산화수소는 안 되는 걸까? 이 문제를 해결하려면 수많은 분자들이 모인 물이 어떤 구조를 이루고 있는가를 알아야 한다. 그러니 현대 과학자들이 물의 구조는 풀어내야 할 난제 중 난제인 것이다. ● 인터넷 연구 위해 개발된 시뮬레이션 동원 독일 프라이부르크 고등 연구소(Freiburg Institute for Advanced Studies)의 프란체스코 라오(Francesco Rao) 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 활용했다. 물을 직접 관찰하는 게 불가능한 일이기 때문이다. 연구팀은 인터넷이나 바이러스의 확산, 단백질 접힘과 같은 복잡한 것들을 분석하는데 원래 만들어진 컴퓨터 프로그램을 물의 구조 연구에 적용해보았다. 그 결과, 연구팀은 물 분자들이 놀랍도록 복잡하고 다이나믹하게 서로 붙었다 떨어졌다 하는 것을 확인했다. 우선 물 분자들이 두 종류의 구조를 형성하는 것을 확인했다. 하나는 전체적으로 동그랗고 분자들이 느슨하게 뭉쳐있다면 다른 하나는 좀더 빽빽하고 고체의 결정 구조 같은 모양이다. 이 두 구조는 만들어졌다 사라졌다 하는 데는 고작 200∼400 펨토초(1 펨토초는 1000조분의 1초) 밖에 걸리지 않는다. 물은 이 두 가지 구조들이 순식간에 나타났다 사라졌다 다시 나타났다를 끊임없이 반복하는 무질서한 상태이다. 그러면서도 물 분자 속의 수소 원자는 고리 역할을 함으로써 생명의 복잡한 유기분자들에 있는 탄소나 질소와도 상호작용을 한다. 이 때문에 단백질이나 효소 같은 복잡한 유기분자들의 결합과 같은 움직임에 막대한 영향을 미친다. 이는 물 외에 그 어떤 액체 상태의 물질은 갖고 있지 않은 독특한 성질이다. ● 물 이해 없이는 생명도 제대로 이해 못한다 이 연구결과에 대해 제1 저자인 프란체스코 라오는 “물이 단백질의 기능에 어떤 영향을 미치는지를 근본적인 수준에서 이해할 수 있게 됐다”고 말했다. 이와 함께 연구팀은 “물은 단순한 용매 그 이상이며 실질적으로 단백질의 기능에 중요한 역할을 맡고 있다”고 말했다. 미국의 저명한 물리학자인 보스턴 대학의 유진 스탠리 교수는 이번 연구에 대해 “대단한 발견”이라고 평가했다. 스탠리 교수는 이전에 물이 두 가지 구조를 이룰 것이라고 예상을 했었다. 이번 연구팀은 처음으로 이 점을 시뮬레이션으로 확인했다. 스탠리 교수는 “이제는 물이 왜 15가지나 되는 얼음의 종류를 만들어낼 수 있는지를 깨낼 차례”라고 말했다. 그런 그는 “물을 이해하지 않고서는 우리는 결코 생명을 이해할 수 없다”는 말로 물에 대한 연구의 가치를 표현했다. 이번 연구는 ‘물리화학 B 저널(The Journal of Physical Chemistry B)’에 발표됐다. 박미용 동아사이언스 객원기자 pmiyong@gmail.com