세계일보
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[사이언스프리즘] DNA가 오른쪽으로 꼬인 이유

대칭 깨진 입자 지구에 쏟아져
초기 왼나선 DNA를 변이시켜
모든 생명체 DNA 오른나선 돼
우주 물리학이 생물학에 영향

드라이버로 나무판에 나사를 박으려면 어느 방향으로 돌려야 할까. 나사가 앞으로 나아가는 모습을 드라이버를 든 내가 보면, 나사는 시계 방향으로 돈다. 한편 나무판 쪽에서 점점 다가오는 나사를 보는 사람은 나사가 반시계 방향으로 돈다고 말한다. 빙빙 돌면서 한쪽 방향으로 진행하는 나선에 대해서는, 시계 방향, 반시계 방향으로 그 나선의 꼬인 방향을 말할 수 없다. 어느 쪽에서 보느냐에 따라 회전 방향이 달라 보여 그렇다. 해 주위를 공전하는 지구 궤도도 마찬가지다. 지구의 북극 방향으로 한참 떨어진 먼 우주에서 보면 지구는 반시계 방향으로 공전한다. 하지만 지구 공전궤도면의 반대쪽, 남극 방향 멀리서 해 주위를 도는 지구를 보면, 이건 또 시계 방향이다.

오른손으로 긴 연필을 감싸 주먹을 쥐고, 엄지손가락은 위로 쭉 뻗어 연필과 같은 방향으로 하자. 이때, 엄지손가락을 뺀 네 손가락이 연필을 감아쥐는 방향이 바로 오른나선 방향이다. 왼손으로 똑같이 하면, 왼손 네 손가락이 감는 방향이 왼나선 방향이다. 나사를 드라이버로 돌리는 모습을 생각해보자. 둥글게 오므린 오른손 네 손가락의 뿌리에서 손가락 끝을 향하는 방향을 따라 드라이버를 돌릴 때 오른손 엄지손가락의 방향으로 진행하는 것이 보통 우리가 쓰는 나사다. 즉 나사는 오른나선 방향이다. 나사를 돌리는 쪽에서 보나 반대쪽에서 보나, 네 손가락의 방향으로 회전하는 나사는 엄지손가락 방향으로 진행한다.

김범준 성균관대 교수 물리학

연필을 꼭 쥔 손을 180도 돌려 엄지손가락을 아래로 해 살펴봐도 오른나선은 여전히 오른나선이다. 만약 180도 돌려 거꾸로 했더니 갑자기 오른나선이 왼나선으로 바뀐다면, 나사를 돌려 물체를 천장에 고정할 때와 바닥에 고정할 때, 우리는 다른 나사를 써야 한다. 물론 말도 안 되는 얘기다. 이리 보나 저리 보나 한번 오른나사는 항상 오른나사다. 오른나사를 왼나사로 바꿀 수는 없지만, 오른나사를 왼나사로 보이게 할 수는 있다. 바로 거울에 비친 모습을 사진 찍으면 그렇다. 왼손에 시계를 찬 나를 비춰보면 거울 속 나는 오른손에 시계를 차고 있다. 왼나사와 오른나사는 거울에 비친 서로의 모습이다.

DNA도 나선 모양이다. 오른나사가 왼나사보다 더 나을 근본적 이유를 물리학에서 찾을 수 없듯이, DNA 나선의 방향도 한쪽을 선호할 이유가 없는데도, 지구 모든 생명체의 DNA는 오른나선이다. 최근 한 천체물리학 학술지(The Astrophysical Journal Letters)에 실린 논문에 흥미로운 내용이 있다.

우주공간에서 지구를 향해 빠르게 쏟아지는 양성자는 대기의 입자들과 만나 파이온을 만들고, 파이온은 약한 상호작용을 통해 다른 입자로 붕괴한다. 그런데, 물리학의 약한 상호작용은 왼쪽/오른쪽 대칭성이 깨져 있어 한쪽을 선호한다는 것이 잘 알려져 있다.

결국 대칭이 깨져 한쪽 손잡이인 입자들이 지구 위 생명체에 주로 도달한다. 지구 생명의 탄생 초기에는 왼나선/오른나선 RNA, DNA가 비슷하게 존재했어도, 약한 상호작용을 통해 붕괴한 입자들이 한쪽 손잡이라는 이유로 말미암아, 오른나선 DNA에 아주 약간 더 높은 확률로 변이가 일어났다는 것이 논문의 주장이다. 변이는 진화의 필요조건이니, 우리 모든 생명에 담긴 DNA의 생물학이 우주의 물리학에 연결될 수 있다는 심오한 결론을 얻게 된다. 외계인도 마찬가지로 DNA가 있다면, 오른나선일 가능성이 크다.

여름철 날이 더워지면, 작년에 치워놓은 선풍기를 꺼내 다시 조립한다. 먼저, 선풍기 안전철망의 안쪽 절반을 오른나선 방향의 너트를 돌려 몸체에 고정한다. 이어서, 날개 가운데 구멍에 금속 회전축을 통과시키고 두 번째 너트를 돌려 날개를 고정한다.

이 두 번째 너트의 방향은 오른나선이 아닌 왼나선 방향이다. 선풍기 날개는 앞에서 보면 시계 방향으로 돈다. 선풍기 날개가 돌기 시작할 때 너트가 따라 돌지 않으려 버티는 회전관성을 생각하면 이렇게 하는 것이 맞다. 두 번째 너트도 오른나선이라면, 더운 여름 어느 날 너트가 풀릴 수 있다. 선풍기 조립할 때, 독자도 두 너트의 방향을 확인해 보시길.

 

김범준 성균관대 교수 물리학


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