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물이 생명의 근원인 이유에 대한 실마리 찾았다




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.


펨토초 단위로 변신하는 물, 단순한 용매 아니다


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



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