별빛을 구성하는 광자가 전자에 흡수되고 양성자를 세포 외부로 방출하는 과정이 바로 생명 현상이다. 전자, 양성자, 광자는 자연을 구성하는 입자다. 자연은 전자, 양성자, 광자 상호작용의 무한한 중첩 현상일 뿐이다. 중력을 제외한 자연의 모든 현상은 전자, 양성자, 광자의 다양한 상호작용이다. (7p)
동위원소의 생성과 변환 과정인 베타붕괴는 핵변환 과정으로, 전하 보존과 운동량 보존 법칙을 충족해야 한다. 베티붕괴에서 전하 보존을 위해 양전자(반전자)가 방출되고, 운동량 보존을 위해 중성미자가 출현하며, 에너지 보존을 위해 광자가 생겨난다. 별을 구성하는 원소들의 핵변환 과정 에서 많은 동위원소가 생성되고, 이러한 동위원소 변화에서 광자와 전자가 출현하여 전하 보존과 운동량 보존 법칙을 충족하게 해준다. (28p)
중력과 약한 상호작용에 관여하는 중력자와 중성미자는 우주 전체에서는 중요하지만 생명 현상에는 양성자, 전자, 광자로 충분하다. (29p)
중력 수축으로 생성되는 위치에너지의 반은 열이 되고 반은 빛이 된다는 이론이 비리얼 정리(Virial Theorem)이다. (36p)
10만 종류 이상의 분자가 조그마한 인지질 막 속에서 맹렬히 상호작용하는 상태가 바로 세포다. 세포는 지구를 제외하고 어떤 곳에서도 아직 발견되지 않았다. (38p)
수소 원자핵인 양성자를 방출할 가능성이 높은 물질을 산성 물질이라 한다. […] 양성자를 방출하는 물질이 많아지면 주변 환경이 산성화된다. 해양 산성화, 토양 산성화, 인체 산성화 모두 양성자 농도가 높아져서 생물이 생존하기 힘든 환경으로 바뀌는 현상이다. (40p)
원자핵은 양성자와 중성자가 핵력으로 결합한 상태다. 핵력 혹은 원자력은 양성자들이 핵 크기보다 작은 거리로 거의 닿을 듯이 접근해야만 작동하는 힘이다. 양성자가 다른 입자로 붕괴되는 평균 시간인 양성자의 수명은 아직 측정되지 않았지만, 최소한 우주의 나이인 138억 년보다 수명이 훨씬 길거나 거의 무한대일 것으로 추정된다. (40p)
움직이는 광자는 운동에너지 그 자체다. 광자의 정지 질량은 0이므로 진공 속에서 정지한 단 1개의 광자 상태는 존재하지 않는다. 광자는 생겼다 사라질 수 있지만 생겨나는 순간 광속으로 달린다. 광자가 일정한 속도로 멈춤 없이 달리는 이유는 등속 직선 운동에 소요되는 에너지가 0이기 때문이다. […] 광속으로 움직이는 광자가 바로 전자기파인데, 줄여서 전파라 한다. 전자기파는 파동이므로 진폭과 진동수로 에너지 정도를 알 수 있다. (41p)
전자는 베타붕괴 과정에서 생성되며 가속운동 중인 전자는 광자를 방출한다. 양과 음의 전기량을 전하(charge)라 하는데, 전하를 갖는 입자가 가속운동을 하면 항상 전자기파를 방출한다. 광자는 에너지 변환 과정에서 생성되어 원자에서 방출되거나 원자로 흡수되어 소멸한다. 전자는 원자핵에 구속되어 원자의 구성 성분으로 존재하거나 원자핵의 정전기력에서 벗어나 자유전자 형태로 존재한다. 전자가 원자핵을 구성하는 양성자의 구속력에 서 벗어나는 데 필요한 에너지가 바로 이온화 에너지다. (44p)
전하를 갖는 질량이 가장 작은 소립자는 바로 전자다. 전하는 소립자 고유의 물리량이다. 우주의 모든 소립자는 전하량, 질량, 스핀의 세 가지 속성으로 구별된다. 스핀은 양자적 각운동량이다. 전자를 비롯한 모든 전하를 갖는 입자가 가속운동을 하면 광자를 방출한다. (46p)
전자가 운동 방향을 바꾸면 그 순간마다 광자라는 형태로 에너지를 방출한다. 방출되는 광자의 에너지는 방향이 바뀌는 정도에 비례하고, 이에 따라 다양한 진동수의 광자가 방출된다. 전자의 운동 방향 혹은 운동 속도가 매 순간 바뀌는 가속운동을 하게 되면 다양한 주파수로 진동하는 전자기파를 방출한다. 즉 가속운동하는 전자는 전파를 방출한다. 방송국의 알루미늄 금속막대 속으로 교류 전류가 흘러가면 방송파가 생성되어 공기 중으로 전파된다. 교류 전류는 속도가 주기적으로 변화하는 전자의 흐름이다. 금속 도체 속에서 가속되는 전자는 전파를 생성하고 세포 속 미토콘드리아 막에서 단백질 사이를 이동하는 자유전자는 생체 에너지인 아데노신3포스파이트(Adenosine Three Phosphite), 즉 ATP를 생성한다. 미토콘드리아 내막에 삽입된 호흡효소를 통한 전자의 흐름이 생체 에너지를 만드는 과정이 바로 호흡이다. (46p)
금속에서 전자의 가속운동이 전파를 생성하고, 반도체 결정 속 전자의 제어된 이동에서 인공지능이 출현하고, 세포막과 세포질 속의 단백질을 통해 제어된 전자의 움직임이 생명 현상을 만든다. (47p)
모든 자연현상의 바탕에는 주기율표의 118가지 원소가 있다. 주기율표 원소들의 전자 배치는 주 양자수, 궤도 각운동 양자수, 자기 양자수, 스핀 양자수의 네 가지 양자수로 완전히 결정된다. 원자핵의 +전하에 의해 위치에너지에 구속된 전자들은 주 양자수, 궤도 양자수, 자기 양자수에 의해 일정한 공간 배치만 허용되고, 스핀 양자수에 의해 1개의 양자 궤도에 스핀 업과 스핀 다운 두 가지 스핀 상태만 가능하다. (50p)
우주는 에너지와 물질 입자로 구성된다. 물질 입자를 페르미온(fermion)이라 하고 에너지를 전달하는 입자를 보손(boson)이라 한다. (62p)
보손에서 중력자는 중력을 전달하고 광자는 전자기력을 전달한다. 약한 상호작용을 전달하는 게이지 보손이 W와 Z 입자다. (62p)
우주에 존재하는 네 가지 힘도 모두 보손이라는 입자가 전달하는데, 그 중 중력은 중력자, 강력은 글루온 보손, 약력은 W 보손과 Z 보손, 전자기력은 광자가 전달한다. (65p)
태양 중심부의 핵융합은 세 단계 과정을 거친다. 첫 단계에서 방출되는 반전자는 전하의 부호가 +인 전자로 전자의 반입자다. 두 번째 단계에서 방출되는 감마파 광자는 태양 중심에서 표면으로 진행하는 과정에서 태양 구성 입자들과 충돌하면서 에너지를 잃어 태양 표면에 도달했을 때 가시 광선과 자외선이 된다. (90p)
업쿼크는 전하량이 분수값인 2/3쿨롱이고 다운쿼크의 전하량은 -1/3쿨롱이다. 그래서 양성자의 전하량은 uud → (2/3+2/3-1/3)C=3/3C=C가 되어 전자 전하량과 같고 부호만 반대다. 중성자의 전하량은 ddu → (-1/3- 1/3+2/3)C=0으로 중성자의 전하량은 0이 되어 전하가 중성이란 의미에서 중성자라 한다. (75p)
지구 표층의 환경 변화 과정은 생물 진화와 광물 진화로 바라볼 수 있다. 생물의 진화는 40억 년간 원핵세포에서 다세포 동물로 진화해 온 과정이며, 광물의 진화는 지구 생성 초기부터 46억 년간 지속된 지질학 적 변화 과정이다. (97p)
고생대 이래 약 5억 년간 일어난 현생 대지구 표층의 중요한 변화는 생물과 광물의 공진화에서 비롯되었다. 고 생대 캄브리아기부터 일어난 생물과 광물의 공진화에서는 생물의 광물화(biominealization)와 생물에 의한 광물의 풍화 과정 (bioweathering)이 핵심이다. (97p)
지구의 3대 조산운동은 실루리아기에서 데본기까지의 칼레도니아 조산운동, 석탄기의 바리스칸 조산운동, 신생대의 알프스-히말라야 조산운동이다. (100p)
신생대는 7개의 기간으로 나눌 수 있다. 6600만 년 전에서 5600만 년 전까지의 팔레오세, 5600만 년 전에서 3400만 년 전까지의 에오세, 3400만 년 전에서 2300만 년 전까지의 올리고세, 2300만 년 전에서 530만 년 전까지의 마이오세, 530만 년 전에서 250만 년 전까지의 플라이오세 250만 년 전에서 1만 1000년 전까지의 플라이스토세, 1만 1000년 전에서 현재까지의 홀로세다. (105p)
해류량의 단위는 스 베드럽(Sv)이며 1스베드럽은 1초당 100만 톤의 물 이동량이다. (109p)
유고슬라비아의 학자 밀루틴 밀란코비치는 지구의 기온이 태양광 입사량의 변동 주기와 관련 있음을 증명하고자 했다. 그는 지난 60만 년 동안 북위 65도 지역의 하지 태양광 입사랑을 계산했다. 그는 지구 공전 궤도 이심률의 10만 년 주기, 지구 자전축이 22도에서 24.5도로 바뀌는 4만 1000년 주기, 지구 자전축 세차운동의 2만 3000년 주기의 함수로 태양광 입사량의 변화를 계산했다. 그 결과를 그래프로 표시하자 북위 65도 지역의 하지 태양광 입사량이 10만 년 주기로 뚜렷한 변화를 보였다. (118p)
세균, 박테리아, 원핵세포는 같은 의미다. 효모균은 진핵세포 하나가 그 자체로 생물이며 광합성을 하지 않아 기생으로 영양을 획득하는 종속영양 세포다. 균류는 광합성을 하지 않고 다른 생물에서 영양분을 흡수하므로 땅속 등 빛이 없는 곳에서도 잘 자란다. (144p)
생명 활동에서 물질과 에너지의 관련 과정을 대사 작용이라 한다. 대사 작용은 세포 속 분자들의 산화와 환원 과정이다. 전하가 중성인 원자는 전자를 획득하면 음이온이 되고 전자를 방출하면 양이온이 된다. 분자는 여러 개의 원자가 전자를 공유하는 공유결합으로 분자를 형성한다. 분자 속의 원자가 전자를 얻으면 그 분자는 환원되고, 전자를 잃으면 그 분자는 산화된다. (147p)
동물의 호흡은 세포에서 산소 분자가 물 분자로 환원되는 산화-환원 반응이다. (148p)
호흡은 산소가 물로 환원되는 작용이며, 광합성은 물이 산소로 산화되는 과정이다. 산화는 분자에서 전자와 양성자가 방출되는 과정이고, 환원은 전자와 양성자가 분자에 결합하는 과정이다. (151p)
단세포에는 원핵세포와 진핵세포 두 가지가 있는데, 원핵세포는 박테리아이며 세포 하나가 독립된 생명체로 살아간다. […] 정자와 난자는 단세포지만 단세포 생물은 아니다. 단세포 상태로 일생을 살아가는 생물을 단세포 생물이라 하며 정자와 난자는 수정과 발생 과정을 통해 다세포 생물로 바뀐다. (153p)
ATP는 아데노신3포스파이트의 약자인데, 아데노신은 탄소 5개인 리보스당에 염기가 달린 분자다. 아데노신에 인산기 3개가 결합하면 ATP가 된다. 리보스당에 결합하는 염기에는 아데닌(A), 구아닌(G), 시토신(C) 우라실(U)이 있고 리보스당에 염기가 결합하여 RNA 분자가 만들어진다. 리보스에서 산소 원자 1개가 탈락하면 산소가 없는 디옥시리보스당이 되는데 디옥시리보스에 결합하는 염기는 아데닌, 구아닌 시토신, 티민(T)으로 이것들이, DNA를 만든다. (155p)
미토콘드리아가 만드는 ATP는 에너지 분자인 동시에 DNA를 구성하는 생명 정보 분자다. (156p)
원자 상태의 질소에서 아미노산이 만들어진다. 300종류가 넘는 아미노산 중에서 생물은 단지 20가지만 사용해서 단백질을 만든다. 아미노산이 구슬이면 단백질은 목걸이다. 20가지 색깔의 구슬을 연결하여 10만 개 이상의 각각 다른 목걸이를 만드는 공장이 바로 세포다. 각각 다른 20개의 아미노산을 연결하는 방식의 수는 20!= 20×19×…×1로 매우 많은데, 세포에서 발견된 단백질의 종류는 약 10만 개 정도다. 생물학적 작용이 가능한 10만 개의 아미노산을 연결하는 순서 정보가 바로 DNA의 염기서열에 저장되어 있는 유전자다. (162p)
진화인류학자인 리처드 랭엄이 주장하는 '자기 길들이기 (self-domestication, 동물적 본능을 억제하고 사회에 맞추어가는 과정)' 학설이 주목을 받고 있다. 그 이론에 따르면, 인간은 난폭한 남성과 독재자를 지속적으로 사 회에서 제거하면서 사회적 안정성을 높였다. (232p)
인간의 언어는 뇌가 만든 새로운 우주다. 물리적 우주 속에 출현한 개념과 상징의 세계가 바로 언어다. 우주가 시공 속의 존재라면, 언어는 관계 속의 존재다. 호모 사피엔스에서 출현한 언어는 물질세계에서는 추론하기 어려운 상징에 의한 도약이다. 상징은 물리적 자연에 존재하지 않는 자연 속의 또 다른 자연이다. 뇌과학자 제럴드 에델먼이 주장하듯이 언어는 제2의 자연(second nature)이다. 언어는 인간과 인간의 관계 속에서만 존재한다. 맥락의 관계를 벗어나면 언어는 무의미해진다. (233p)
본능에서 나온 동물의 반사적 행동은 자극에 대한 반응 속도가 빠르고 충동적이다. 인간은 반사적 행동을 억제하고 경험과 기억에 근거해서 행동한다. 인간은 행동을 계획과 실행의 두 단계로 나누어 진행한다. 두 배로 늘어난 운동연합피질이 기억을 바탕으로 운동 결과를 예측하면서 운동 출력을 계획한다. 발음 과정을 살펴보면 운동 계획 단계에서 발음이라는 운동이 출력되기 전부터 자신이 무엇을 말하려는지 알 수 있다. 즉, 자신의 운동 계획을 의식하는 과정이 바로 인간의 생각이다. (238p)
근육과 관절에서 입력되는 고유 감각은 신체 표상을 만들고, 자신의 신체 표상이 기억된 장면의 시각 이미지와 결합하면 시각 장면 속에서 존재하는 신체 감각인 자아 감(sense of self)이 출현한다. (248p)
의식은 각성 상태에서 작동한다. 의식에는 상태와 내용이라는 두 가지 속성이 있다. 의식 상태는 신경조절물질인 세로토닌(serotonin), 아세틸콜린(acetylcholine), 노르에피네프린(norepinephrine)의 작용이다. 의식의 내용은 대부분 기억이며, 기억은 신경전달물질인 글루탐산과 가바(GABA)의 작용에서 만들어진다. 의식 수준에 도달한 뇌의 활성 상태에는 각성 상태와 렘수면 상태의 꿈이 있다. 각성 상태일 때는 전뇌 기저핵에서 대뇌 신피질의 피라미드 세포로 방출되는 아세틸콜린의 작용으로 기억의 연상작용이 촉진된다. (257p)
전전두엽의 기능에서는 충동 억제, 작업기억, 시간 의식이라는 세 가지 가 중요하다. (258p)
해마는 장소와 관련한 기억을 생성한다. 장소기억은 장소와 사물이 결합하거나 사건에 맥락이 연결되는 방식으로 작동한다. 해마의 장소기억이 기억된 시각 공간을 만들면서 기억에서 인출하는 시각 공간 속에서 신체 지도에 대한 느낌이 결합하여 자아감이 생성된다. 해마의 장소기억에 가치로 범주화된 사물과 장면이 생겨나는데, 이러한 장면의 생성이 바로 에델먼의 일차 의식이다.
가치 범주 기억인 장면은 대뇌 연합피질에 저장된다. 전전두엽은 장면 기억을 인출하여 현재 전개되는 사건을 맥락에 맞게 연결해 내면의 드라마를 만든다. 이 과정이 의식의 흐름이고, 인간의 사고 과정이다. 전전두엽에서 장면 기억을 맥락 순서에 따라 연결하는 과정에서 시간 의식이 출현한다. 운동 계획을 의식적으로 알아차리는 현상이 바로 생각이다. (259p)
자동적 항상성은 세포 수준의 대사 작용, 면역반응, 조건반사의 세 가지 작용에서 시작한다. 박테리아와 진핵세포에서 항상성 작용은 생화학 분자 작용에서 쾌감과 통증을 일으켜 접근과 회피 반응을 가능하게 한다. 접근과 회피 반응이 다세포 생물에서는 충동과 동기를 유발하여 동물의 반사적 동작을 야기한다. 충동과 동기는 일차 의식이 출현하는 포유동물의 초기 감정 상태를 만든다.
다마지오는 동물과 인간의 원초적 감정을 신체 상태에 관한 배경 정서, 사회적 관계에서 출현하는 사회적 정서 그리고 거친 동물적 일차 감정으로 구분한다. 동물적 일차 감정은 몸과 내부 장기의 상태 정보를 비의식 상태에서 처리하는 과정인 정동(affect)에서 생겨난다. 쾌감과 불쾌감의 일차 감정이 대뇌피질의 인지적 해석을 통해 느낌 상태를 만든다. 통증과 쾌감의 정동적 신체 반응이 사회적 개념으로 해석되면 감정이 된다. 반사적 속성을 지닌 거친 감정들이 대뇌피질에서 기억과 인식 작용에 의해 재인식 되면서 느낌이 생성된다. (262p)
결국 인간의 뇌는 기억이라는 공간적 배열을 동적으로 바꾸면서 외부 환경의 변화하는 이미지를 만든다. 사물과 사건에 대한 이미지를 지속적으로 재배열함으로써 제한된 공간에서 시간 의식이 출현한다. 기억 공간에서 가능한 배열의 수가 바로 지식이며 의식이 된다. 이미지 패턴의 배열은 물리학에서 엔트로피와 같다. 결국 의식을 향한 뇌과학은 엔트로피라는 개념을 통해 물리학과 만날 수 있다. (266p)
주기율표는 4개의 정수로 규정된다. 보어 원자 모델에서 주양자 수, 슈뢰딩거 방정식에서 분리상수로 등장하는 각운동량과 자기 양자수, 그리고 디랙 방정식의 해답에서 출현하는 전자의 두 가지 스핀 상태다. 주양자 수는 구의 중심에서 구의 표면까지의 거리이며, 각운동량과 자기 양자수는 구 표면의 경도와 위도 값의 변화에 관련되는 변수다. 그래서 주기율표의 기본 구조는 양성자의 증가에 따른 수 체계이며, 궤도 전자의 천이로 생성되는 빛 체계이고, 네 가지 양자수로 규정되는 공간 체계이다. (271p)