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호흡과 광합성에서 후성유전학까지, 그림으로 이해하는 생명 현상의 모든 것 10년간 수천 명의 수강생을 열광시킨 통합과학 특강, 3부작 ‘137억 년 우주의 진화’ 첫 번째 마당! ‘박문호의 자연과학 세상’에서 10년 넘게 이어지고 있는 ‘137억 년 우주의 진화’ 강의를 담은 생물학·지질학·우주론 3부작 중 첫 번째 책. 저자가 직접 수십 차례 노트에 그려가며 종합·변형했거나 창안해낸 236컷의 그림과 ‘결정적 지식’을 제시하면서 호흡과 대사, 글루코스 분자의 분해와 합성, ATP 합성, 미토콘드리아의 TCA 회로, 세포질의 해당 작용, 생명의 출현에서 성장·노화·죽음과 유전까지, 생명 현상의 중요한 메커니즘을 분자 수준에서 서술한다.

호흡과 광합성에서 후성유전학까지, 그림으로 이해하는 생명 현상의 모든 것 대중과 호흡하며 과학학습 운동에 매진하고 있는 박문호 박사가 신간 《생명은 어떻게 작동하는가》로 독자를 찾아왔다. ‘박문호의 자연과학 세상’에서 10년 넘게 이어지고 있는 ‘137억 년 우주의 진화’ 강의를 담아 펴내려고 하는 생물학·지질학·우주론 3부작 중 첫 번째 책이다. 저자가 직접 수십 차례 노트에 그려가며 종합·변형했거나 창안해낸 236컷의 그림과 ‘결정적 지식’을 제시하면서 호흡과 대사, 글루코스 분자의 분해와 합성, ATP 합성, 미토콘드리아의 TCA 회로, 세포질의 해당 작용, 생명의 출현에서 성장·노화·죽음과 유전까지, 생명 현상의 중요한 메커니즘을 분자 수준에서 서술한다. 10년간 수천 명의 수강생을 열광시킨 통합과학 특강, 3부작 ‘137억 년 우주의 진화’ 첫 번째 마당! 박문호 박사는 과학을 말랑하게 만들어 소개하는 ‘과학의 대중화’가 아닌 ‘대중의 과학화’를 모토로, 엄밀한 과학을 전파하여 대중들의 수준을 높이는 데 몰두해왔다. 단번에 이해하기 어려운 내용일지라도 익숙해질 때까지 반복하면서 학습하면 이해의 순간이 찾아온다는 과학학습 방법론을 주창하면서 어려운 대목을 우회하지 않고 뇌과학과 자연과학의 여러 분야를 파고들었고, 그렇게 얻은 지식과 공부 방법론을 나누는 그의 강의에 많은 이들이 호응했다. 그의 강의에는 과학/의학 관련 전문직 종사자에서부터 학생, 과학과는 담을 쌓고 살아온 일반인에 이르기까지 다양한 사람들이 몰려들어 자연의 이치를 탐구하고 있다. 그동안 뇌과학 분야 저술과 강의를 활발하게 하며 ‘뇌과학 전문가’로 통하던 저자가 《뇌, 생각의 출현》에서부터 《그림으로 읽는 뇌과학의 모든 것》《박문호 박사의 뇌과학 공부》로 이어지는 뇌과학 3부작을 완결하고, 이제 우주의 장구한 역사를 과학의 눈으로 정리한 빅히스토리 서술에 나선다. 저자가 주도하는 ‘박문호의 자연과학 세상’에서는 10년간 크게 두 가지 배움이 이어졌는데, 하나가 뇌과학, 다른 하나가 ‘137억년 우주의 진화’ 수업이다. 크게 우주, 지구, 생명 편으로 나뉘는 ‘137억 년 우주의 진화’에서 ‘생명’ 편을 정리한 것이 바로 《생명은 어떻게 작동하는가》이다. 종합화한 그림과 결정적 지식으로 이해하는 생명현상 “생물학 작용은 대부분 분자들의 변환 과정이고, 그 과정을 한 페이지에 모아 보면 각각의 생화학 과정을 비교할 수 있다. 해당 작용의 10단계와 TCA 회로, 광합성 명반응, 암반응, 미토콘드리아의 지방산의 베타산화, 핵산의 퓨린과 피리미딘 생합성 과정을 한 장에 그려보자. 50개의 분자식을 한 페이지에 순서대로 적어보면 생화학 작용의 상호 관계가 명확해진다. 생체 분자들이 대부분 글루코스에서 생성되는 과정은 해당 작용과 TCA 회로에서 생성되는 생화학 대사 작용 모두를 연결하여 한 장의 그림으로 표현할 수 있다. 생화학 대사 작용인 탄수화물 대사, 아미노산 대사, 핵산 대사, 지질 대사, 에너지 대사, 비타민 대사 분자들이 모두 해당 작용과 TCA 회로에서 나온다. 그래서 이 책에서는 두 가지 형태의 ‘한 장에 모으기’를 시도하였다. 즉 생화학 회로와 관련된 모든 정보를 한 장에 모으고, 해당 작용과 TCA 회로 관련 대사 작용을 한 장에 모으는 것이 이 책의 핵심 내용이다.”(87쪽) 책은 만만치 않다. 분자식과 생화학 회로들이 곧장 제시되고, 이를 기억할 것을 강조한다. 다음과 같은 이유에서다. “생물학의 결정적 지식은 대부분 분자식으로 표현되고, 생화학은 생체 분자들의 변환 과정에 대한 학문이다. 그래서 생물학을 대충 1년 공부하기보다 ...생화학 관련 분자식 30개를 기억하여 익숙해지는 방식이 더 효과적이다.”(6쪽) 국내외의 거의 모든 생화학 교과서와 전문서적, 논문을 섭렵해, 해당 작용의 10단계, TCA 회로, 광합성 명반응과 암반응, 미토콘드리아의 지방산의 베타산화, 핵산의 퓨린과 피리미딘 생합성 과정 등, 주요한 생화학 메커니즘을 빠짐없이 담았다. 한 번 읽고 이해하기는 쉽지 않다. 하지만 심혈을 기울여 만든 236컷의 일러스트, 책에서 제시하는 ‘종합화한 그림’과 ‘결정적 지식’과 같은 장치로 이해를 돕는다. 정보를 한 페이지에 통합해서 보여줌으로써 서로 상관없는 듯한 생화학 기관과 메커니즘, 이를테면 호흡과 광합성, 미토콘드리아와 엽록체가 서로 대응되는 구조를 지닌, 동전의 양면과 같은 것임을 깨닫게 한다. ‘결정적 지식’은 말 그대로 그것 하나를 이해하면 다른 지식들이 고구마 줄기 딸려오듯 터득하게 되는 지식을 말한다. “이 책에서는 생물학 여러 분야에서 10개의 결정적 지식을 선정했으며, 생물학 최고의 결정적 지식이 글루코스 분자식임을 강조한다. 핵산, 지질, 아미노산이 모두 글루코스 분자에서 시작하기 때문이다. 그림에 ‘결정적 지식’으로 표시했다.”(5쪽) 생명 현상은 분자들의 춤, 그중에서도 글루코스(포도당)가 핵심이다! “생명은 분자 현상이다. 세포 작용은 분자의 변환 과정이며, 분자식을 기억해서 익숙해져야 생화학 회로가 보인다. 자연은 에너지, 원자, 세포로 그 패턴을 드러낸다. 분자는 공유결합으로 묶인 원자의 집합이다. 원자의 배열 상태에 따라 분자들의 에너지가 다르며, 더 낮은 에너지의 원자 배열로 바뀌려 한다. 해당 작용, TCA 회로, 요소 회로, 캘빈 회로를 이해하려면 20개가 넘는 분자식을 기억해야 한다. 결국 생물학 공부는 분자식 공부이다. 분자식을 기억하지 않는 생화학 공부는 실체를 보지 않고 드러난 형태만 보는 것이다. 물이란 단어는 일상용어로는 통용되지만 그 어떤 과학적 내용도 포함하지 않는다. 물에 대한 분자식 H2O를 H-O-H로 표현하면 물에 대한 많은 과학적 내용을 알 수 있다. 물의 실체는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개가 공유결합으로 된 분자이며, 이 분자식에서 물에 대한 많은 물리와 화학적 속성을 밝혀낼 수 있다.“(278쪽) 책에서는 분자식을 반복해 강조한다. 분자 구조가 사물의 실체를 보여준다는 입장에서다. “생명 현상은 대사 작용이고, 대사는 산화 환원 반응이며, 산화 환원은 전자의 이동에 의한 분자 변환 과정이다. 그래서 이 책의 핵심 내용은 생화학 분자 변환 과정이다.”(5쪽) 특히 다른 수십 개 분자식의 원천으로서 글루코스에 많은 분량을 할애했다. 핵산, 아미노산, 지질 생성과 관련되는 중요한 분자인 글루코스야말로 이 책의 주인공이라고 할 수 있다. 생명이 출현하는 데는 탄소, 수소, 산소만 있으면 되고, 질소는 생명 출현 후 필요하다는 설명은 다른 책에서 찾아보기 어려운 독특한 이론이다. “생명은 분자들의 춤이다.” 환원주의적 관점으로 보일 수 있으나 생명현상을 규명하자면 이러한 분자 수준의 설명은 피해갈 수 없는 일이다. 생명의 작동 원리에 관심 있는 독자들에게 일독을 권한다. ‘박문호의 자연과학 세상’ 홈페이지(www.mhpark.co.kr)의 동영상 강의도 참고하면 도움이 된다.

생화학을 공부하다 보면, 분자식들이 교과서마다 다르게 표현되어 있어 기억하기가 무척 어렵고 핵심적 생화학 작용의 상호 관계를 이해하기가 쉽지 않다. 그래서 관련 정보가 한 장에 모여 있어 상호 관계가 확연히 드러나는 책의 필요성을 오랫동안 느껴왔다. 이 책을 쓰게 된 직접적인 동기다. 그래서 분자식들을 기억하기 쉬운 구조로 일관되게 표시했고, 상호 관련된 정보는 최대한 한 장에 모았다. _5쪽 생물학은 전자, 양성자, 광자를 통해 암석학과 지구과학을 만나고, 결국 우주론을 만난다. 생명 현상은 C, H, N, O, P, S 원소가 공유결합으로 만드는 분자들의 이야기이다. 이 원소들은 어디에서 왔는가? 빅뱅에서 수소가 생성되었고, 수소는 별이 되었으며, 별 속 핵융합으로 이 원소들이 생겨났다. 우리는 모두 별과 우주의 자손이다. _7쪽 무의식적으로 자동 출력되는 운동이 ‘습관의 힘’이라면 의식적으로 자신이 원하는 방향으로 세상을 바라보게 하는 힘은 ‘개념의 힘’이다. 습관의 관성력에 대응하려면 의식의 원심력이 필요하다. 개념은 의식을 집중하여 지속하게 하는 힘이 있다. 항상 주의를 집중하여 의식적으로 사건과 사물을 관찰하려는 힘이 곧 개념의 힘이다. _39쪽 행성에서 생명이 진화하려면 우선 액체 상태의 물이 존재해야 한다. 액체 상태의 물이 생명의 출현에 필수 조건인 이유는 물이 다양한 유기 분자들을 녹이는 용매 역할을 하고, 이온화된 물이 양성자와 전자를 방출할 수 있기 때문이다. 세포는 70%가 물로 되어 있고, 물은 분해되어 양성자와 수산이온이 된다. 생명 현상은 전자와 양성자의 제어된 이동에 의한 산화 환원 과정이다. 물이 광자에 의해 분해되어 전자와 양성자 그리고 산소 분자를 생성하는 현상이 바로 광합성이며, 반대로 태양 에너지로 흥분된 전자를 산소 분자가 회수하여 물 분자로 바뀌는 과정이 호흡이다. _75쪽 숙주세포와 미토콘드리아의 공생 관계에서 숙주세포는 미토콘드리아에게 생존 공간과 단백질을 제공하고 미토콘드리아는 숙주세포의 생명 활동 에너지인 ATP 분자를 대규모로 제공한다. 즉, 미토콘드리아는 숙주세포의 에너지 생산 공장이 되었다. 세포가 에너지를 만드는 호흡 작용은 광합성 생성 분자인 글루코스에 갇힌 태양 에너지를 방출하는 과정이다. 태양 에너지가 광합성 세균에 의해 포도당으로 전환되고, 이 포도당과 지질이 다시 이산화탄소와 물로 분해되는 과정에서 유리된 전자의 에너지를 이용하여 미토콘드리아는 ATP 분자를 만든다. ATP를 합성하는 역할과 더불어 미토콘드리아는 세포 자살을 촉발한다. 숙주세포의 돌연변이로 숙주세포가 만드는 단백질의 불량이 많아지면 세포의 분열 증식 속도가 떨어진다. 따라서 숙주세포에 갇힌 ‘미토콘드리아’라는 박테리아도 분열이 제한된다. 미토콘드리아는 박테리아처럼 이분법으로 분열 증식한다. 어떤 측면으로 보아도 미토콘드리아는 큰 숙주세포에 잡아먹힌 원핵세포 박테리아로 보인다. _97-98쪽 세포 속에서 전자는 대부분 원자와 원자 사이의 공유결합을 형성하는 데 사용되기에 혼자서 방황하는 전자는 드물다. 하이드록실라디칼이 결국 공유결합에 가담한 전자를 훔쳐 와서 물이 되면 전자를 빼앗긴 분자는 분해된다. 하이드록실라디칼은 지질 분자와 DNA 분자에서 전자를 탈취하고, 그 결과 DNA에 돌연변이가 생긴다. 하이드록실라디칼이 물로 바뀌며 주위 분자를 산화하는 과정에서 노화의 주요한 원인 물질인 활성산소가 생성된다. _127쪽 미토콘드리아의 DNA는 박테리아 DNA 크기의 대략 10% 정도이며, 대부분의 유전자가 핵의 유전자로 편입되었다고 추정된다. 그...래서 미토콘드리아는 자신의 핵심 유전자 37개만 유지한다. 자신의 유전 정보의 대부분을 숙주세포 DNA로 이동시킨 미토콘드리아는 생명의 독자성을 포기하고 숙주세포에 공생하게 된다. 자신의 독자성을 포기한 미토콘드리아는 더 많은 ATP 분자를 숙주세포에 제공하여 다세포 생명체를 진화시킨 원동력이 된다. _151쪽 이러한 양성자 확산 과정을 이용하여 발전기 터빈처럼 ATP 합성효소가 회전하면서 ADP+Pi→ATP 반응으로 생명의 에너지인 ATP 분자가 생겨난다. ATP 분자가 ‘유전 정보이면서 에너지 분자이다’라는 사실은 이 분자가 일으키는 놀라움의 일부이다. 왜냐하면 ATP→ADP→AMP로 바뀌는 과정에서 방출되는 인산기는 단백질과 결합하여 단백질을 활성화시켜 세포내 단백질의 상호작용을 일으키기 때문이다. 그리고 AMP의 분자 구조가 바뀌어 인산기가 아데노신과 고리 형태로 결합하여 사이클릭cyclic AMP인 사이클릭아데노신1인산cyclic adenosine monophosphate(cAMP)을 형성한다. cAMP 분자는 세포내 생화학 작용의 메신저로 활동한다. cAMP 분자에 대한 연구는 노벨상을 받을 만큼 중요하다. 생명 현상을 물질과 에너지의 상호작용으로 본다면, 물질의 배열, 즉 분자의 배열 순서가 바로 정보이며, 정보와 에너지를 동시에 담당하는 분자가 바로 ATP이다. 동물학자 리처드 도킨스가 “생명의 드라마에서 DNA와 ATP 합성효소가 공동 주연이다”라고 표현한 이유는 바로 이러한 ATP 분자 합성의 중요성을 강조한 것이다. _236쪽 탄소 원자가 형성하는 입체 구조의 분자가 생명체의 몸을 만든다. 실리콘도 결합손이 4개여서 산소 원자 4개와 결합하여 정사면체의 산화규소 분자를 만든다. 산화규소(SiOx) 분자가 무한히 반복되어 결정 구조를 형성하면 지구 맨틀과 1,500종류나 되는 규산염 광물이 된다. 행성 지구의 표층에 노출된 탄소 원자가 생명 현상을 만들었고, 결정 구조로 형성된 실리콘 원자가 산소와 결합하여 지구의 맨틀이 되었다. 결국 지구와 생명은 결합손이 4개인 탄소와 실리콘이 바탕 구조를 만들었다. 공유결합이 광물과 생물의 구조를 만든다. _279쪽 거의 모든 생체 분자의 부모는 포도당이며, 포도당의 중요한 두 아들이 바로 리불로스와 리보스5탄당이다. 포도당의 부모는 물과 이산화탄소 분자이다. 물과 이산화탄소가 광합성을 통해 결혼해서 만든 자식들은 모두 수소와 탄소, 산소만으로 구성된다. 포도당은 빛의 가문이다. 태양의 자손인 포도당 분자에는 암모니아 냄새를 풍기는 질소의 흔적이 없다. 질소 원자는 아미노산 분자를 통해 생명 현상에 등장한다. 리불로스5탄당에 인산기 2개가 탄소 원자에 결합하여 리불로스2인산(RuBP) 분자가 된다. RuBP 분자는 이산화탄소와 결혼한다. 광합성 암반응 과정이 바로 이산화탄소가 생명권에 유입되는 결혼식이다. 신랑은 물 분자이고 신부는 이산화탄소다. 이 결혼식의 중매쟁이는 루비스코rubisco라는 단백질인데, 지구상에 가장 많은 단백질 분자이다. _289쪽 제1차 세계대전 중 독일이 화약의 원료로 칠레초석을 수입하자 영국 해군이 칠레 해안을 봉쇄한다. 칠레초석 수입이 차단된 독일은 하버-보슈 공정으로 공기 중 질소에서 암모니아를 합성하는 데 성공한다. 하버-보슈 공정은 질소 비료를 생산하여 인류의 식량 문제를 근본적으로 해결한다. 칠레초석은 단순한 질소화합물에서 질소 비료를 생산하여 인류의 식량 문제 해결의 촉발제가 된 물질이다. 질소 화합물의 종류는 탄소나 규소 화합물에 비해 적으며, 비료와 화약 연료가 된다. 질소 비료 없이 자연 농법으로는 지구 40억 이상의 인간을 먹여 살릴 수 없지만, 하버-보슈 방식으로 질소 비료를 대량 생산하여 농업 생산이 급격히 증가하고 인구는 70억이 되었다. 과학기술이 인간에게 미친 가장 큰 영향은 질소 비료의 발명이다. _298쪽 유전자 가위는 바이러스의 감염에 대한 방어책으로 진화해온 박테리아의 면역체계이다. 유전공학은 박테리아가 만드는 유전자 가위를 인간 유전병과 암 치료에 활용하는 방법을 연구하고 있다. DNA에서 돌연변이 영역을 제거하거나 미리 설계한 뉴클레오타이드를 삽입하여 유전자 치료를 시도한다. 유전자 가위를 인간 게놈에 적용할 때 정상적인 DNA를 절단할 수 있어서 1세대와 2세대 유전자 가위의 사용은 제한적이었다. 3세대 유전자 가위인 크리스퍼 가위는 인식할 수 있는 뉴클레오타이드가 20개나 되어 원하지 않는 정상적인 DNA를 절단할 확률이 크게 줄어든다. _432쪽

박문호 [저]

자연과학에 기반한 사고를 통해 인간과 세계를 통합적으로 이해하고자 하는 뇌과학 전문가. 2008년 10월 우주 현상으로서 생명과 생각의 기원을 추적한 [뇌, 생각의 출현]을 집필했다. 이 책은 500쪽이 넘는 분량에 만만찮은 내용을 담고 있음에도 출간 직후 베스트셀러에 올랐으며, "경향신문" "문화일보" "조선일보" "중앙일보" "한국경제신문" 등 각종 매체에서 ‘올해의 책’으로 선정되면서 자연과학을 통섭하는 박문호 박사의 진가를 사회문화적으로 드러냈다.
2004년부터 서울대학교, 카이스트, 삼성경제연구소(SERI), 연구공간 수유너머 등에서 천문학, 물리학까지 넘나드는 뇌과학 강의를 꾸준하게 진행해왔다. 특히 그가 운영하는 ‘(사)박문호의 자연과학 세상’(www.mhpark.or.kr)에서 진행하는 "특별한 뇌과학" "137억년 우주의 진화" 등의 강의는 국내 어디에서도 들을 수 없는 색다른 강의라는 평을 받으며 2,000여 명의 회원과 일반인들에게 열렬한 지지를 얻고 있다.
[뇌, 생각의 출현]과 강의를 통해 ‘거시적 관점의 뇌과학’을 선보였던 박문호 박사는 이 책 [그림으로 읽는 뇌과학의 모든 것]을 통해 뇌의 기능과 작용을 바탕으로 인간의 의식과 행동을 치밀하게 탐구하는 ‘진정한 의미의 뇌과학’을 선사한다. 뇌의 구조와 기능, 신경계의 발생과 진화를 가장 정확하고 쉽게 파악하는 방법은 그림이기에, 3년이 넘는 기간 동안 600여 장에 이르는 방대한 그림을 정확한 자료를 바탕으로 선 하나까지 신경 쓰며 만들어냈다. 과학 일러스트의 통념을 깨는 이 엄밀한 작업을 통해 우리는 ‘그림으로 읽는 뇌과학’이 보여주는 인간과 세계를 만날 수 있다.
경북대학교 전자공학과를 졸업한 뒤 미국 텍사스 에이앤엠(Texas A&M) 대학교에서 전자공학 박사학위를 받았다. 현재 한국전자통신연구원(ETRI) 책임연구원이며, 자연과학 커뮤니티 ‘(사)박문호의 자연과학 세상’을 운영하고 있다.