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KOREA  ASSOCIATION FOR CREATION RESEARCH

창조설계

생체 분자 모터 시스템의 환원 불가능한 복잡성 연구

생체 분자 모터 시스템의 환원 불가능한 복잡성 연구

(Irreducible Complexity of Biomolecular Motor Systems)


Abstract

본 논문은 생물학의 근간이 되는 반 다윈주의 개념을 갖는 지적설계의 학술적인 연구 동향과 그 적용 분야를 살펴보고 지적설계 운동에 있어서 생화학적 설계 증거로 제시되는 환원 불가능한 복잡성 개념을 소개한다. 최근 연구들을 토해서 밝혀진 편모의 모터 구조나 ATP 합성에 관련된 다양한 생물 분자 모터(biomolecular motor)의 메커니즘을 소개하고 환원불가능한 복잡성을 적용하여 설계의 증거들을 다룬다. 무신론적 자연주의 세계관에 기초한 현재의 학문 체계에 도전하는 '쐐기운동”으로서의 지적설계운동은 학문 활동에 유신론적 대안을 제공한다는 데 큰 의의가 있다. 다양한 저서 및 학술 논문에 나타난 지적설계의 학술적인 뒷받침과 연구 프로그램을 통한 지적설계 분야의 확대 및 학문 활동 분야로의 의미 있는 시도 등이 일어나고 있다. 이러한 지적설계의 학술적인 연구는 오하이오주와 텍사스주 교육위원회에서 결정된 과학 교과과정 개편에 주요한 역할을 담당하였다. 마지막으로 올해 8월 21일 국내의 지적설계 단체들과 연구자들이 참여하는 지적설계연구회의 창립을 계기로 국내의 지적설계 운동의 현황과 향후 전략적인 방향 설정을 논의한다.

 

I.  지적설계운동의 역사

지적설계운동은 1990년대 초부터 미국에서 급부상하고 있는 창조론에 대한 새로운 접근법이라고 할 수 있다. 미국에서 지적설계운동을 이끌고 있는 사람 중 한 사람인 윌리엄 뎀스키는 이를 다음과 같이 정의하고 있다 (Dembski, 2002). '지적설계운동은 지적인 원인들의 영향을 연구하는 과학의 연구 프로그램이고, 다윈주의와 다윈주의의 자연주의적 유산에 대해 도전하는 지적인 운동이며, 하나님의 역사하심을 이해하는 한 가지 방법이다.”

지적설계운동의 역사를 살펴보기 전에 설계논증과 진화론-창조론 논쟁 역사를 간단하게 언급하고자 한다. 19세기 초 윌리엄 팔레이(William Paley)는 그의 책 '자연신학(Natural Theology)”에서 다음과 같이 나타내었다 (Paley, 1802). 우리가 들판에서 시계를 보았다면, 목적에 대한 적합성은 (즉, 그 각 부분들이 시간을 말해주는 데에 대한 적합성은) 그것이 지성의 산물이며 단순히 방향성이 없는 자연적 과정의 결과가 아님을 보증한다. 따라서 유기체에서의 목적에 대한 놀라운 적합성은, 전체 유기체의 수준에서든 여러 기관의 수준에서든 유기체가 지성의 산물임을 증명한다는 설계 같은 논증을 폈다.

팔레이의 시대에는 자연의 작품, 특히 생명체가 지적 설계의 산물이라는 관점이 일반적이었다. 그러나 다윈의 진화론이 학계를 석권하게 되어 생명체가 설계되었다는 관점은 폐기처분되었고, 다윈이 제안한 진화 메커니즘 즉, 자연선택/돌연변이가 생명체의 복잡성에 대한 표준적인 설명이 되었다. 진화론은 1859년 다윈의 '종의 기원”의 출간과 함께 시작되었다. '종의 기원”은 영국과 미국에서 동시에 출간되었으나 초기의 논쟁은 주로 영국에서 발생했다. 이 논쟁은 생물학 분야뿐만 아니라, 정치, 경제, 철학 등 사회 각 영역에 걸쳐 다층적으로 이루어 졌다. 영국에서의 논쟁은 대략 지식인들 간의 논쟁이 주류를 이루었으며, 반진화론적 흐름도 있었으나, 전체적으로 보아 영국교회는 진화론과 타협 또는 화해를 이루는 방향으로 나아갔다. 반면 미국의 경우는 반진화론적 경향이 우세했으며, 진화론 논쟁은 처음부터 사회적인 논쟁으로 치달았다.

1920년대 본격화된 이 논쟁은 지금까지도 계속되고 있으며, 따라서 창조-진화 논쟁사에 있어서 중심무대를 차지하는 것은 미국이라고 할 수 있다. 미국 창조-진화 논쟁은 1960년을 전후로 대략 두 시기로 나눌 수 있다. 각 시기의 대표적인 사건으로는 1920년대 스코프스 법정 논쟁으로 대표되는 반진화론 운동과 1980년 아칸소 법정논쟁으로 정점을 이룬 창조과학운동이 그것이다.

1990년대 초 등장한 지적설계운동은 최근 미국 창조-진화논쟁을 새로운 방향으로 이끌고 있다. 지적설계운동의 효시는 UC 버클리의 법학 교수인 필립 존슨이 1991년에 출판한 '심판대 위의 다윈(Darwin on Trial)”이라 볼 수 있다 (Johnson, 1990). 이 책에서 존슨은 진화론이 과학적인 근거에 기초한 것이 아니라, 자연주의 철학에 근거한다는 것을 보여 주었다. 물론 진화론이 자연주의와 긴밀하게 연결되어 있다는 사실은 존슨이 처음 지적한 것은 아니었다. 그러나 저명한 법학자였던 존슨의 책은 수없이 많이 팔렸고, 그에 따라 많은 지식인들이 존슨이 제기한 문제를 인식하게 되었다.

저명한 법학자인 존슨은 다윈 이후 150년 이상 지속되어 온 '창조-진화' 논쟁의 본질이 과학적인 증거로서 해결될 수 있는 문제가 아니라, 무신론 대 유신론이라는 두 개의 상충되는 세계관 사이의 대결이라고 결론 내리게 되었다. 더 나아가 두 개의 상충되는 세계관들이 서로 동등한 입장에 있는 것이 아니라, 일반 학문, 공공 교육, 대중매체 등에서 무신론적인 세계관이 압도적으로 유리한 입장에서 유신론적 세계관을 억누르고 있다는 사실을 발견하게 된다. 그래서 그는 이러한 자연주의의 부당한 우세에 도전장을 내밀게 된다. 학문과 문화에서의 자연주의의 독점을 해체시킨다는 것으로 목표를 정한 후 존슨은 이후 '균형잡힌 이성(Reason in the Balance)' (1995), '다윈주의 허물기(Defeating Darwinism)' (1997), ”Wedge of Truth' (2000), ”The Right Questions' (2002) 등의 책을 지속적으로 출판하면서, 보다 많은 사람들이 다윈주의 더 나아가 자연주의 철학 및 학문의 통나무를 지적설계라는 '쐐기(wedge)”로 허무는 일명 쐐기운동에 동참하도록 독려하였다.

1996년에는 지적설계운동에 있어서 중요한 전기가 된 큰 사건들이 두 가지가 일어난다. 첫 번째 사건은 ‘Mere Creation’ 이라는 학술대회이다. 구체적으로 어떤 창조론을 지지하든 상관없이 순수하게 '창조'에 대해서만 언급하는 것에 대해 관심이 있는 모든 사람들을 연합시키고자 하였다. 이 학술대회에서는 지적설계에 관심이 있는 200여명의 과학자, 철학자, 그리고 일반인들이 모였는데, 학술대회 결과 지적설계라는 창조론 운동의 새로운 패러다임의 윤곽이 확실하게 드러나게 되었다. 여기에서 철학 및 수학 박사인 윌리엄 뎀스키는 스티븐 메이어, 폴 넬슨 등과 함께 '설명을 찾아내는 여과기'(explanatory filter)라는 개념을 사용해서 지적설계를 과학의 연구 프로그램으로 만들자고 제안한다. 1996년에 일어난 두 번째 중요한 사건은 미국 리하이(Lehigh) 대학의 생화학 교수인 마이클 베히 박사가 '다윈의 블랙 박스” (Darwin's Black Box)를 출판한 것이다 [6]. 이 책에서 베히는 생화학 시스템 중에는 '환원 불가능한 복잡성' (irreducible complexity)의 성질을 갖고 있는 시스템들이 많이 있고, 이런 시스템들은 설계에 대한 증거로 볼 수 있다고 주장했다. 이 책을 통해서 처음으로 설계를 접목시킨 생물학 연구 프로그램의 구체적인 모습이 드러나게 되었다. 베히의 책은 뉴욕타임즈 등 신문, 잡지뿐만 아니라, Science나 Nature 등 전문 학술지에서도 비평되었고, Christianity Today 에서는 '올해의 책'으로 선정되기도 하였다.

그 후 1998년에는 윌리엄 뎀스키가 'The Design Inference”(1998)과 'Intelligent Design” (1999)를 출간하면서, 과학적 연구 활동에 적합한 '설계”의 개념을 정보 이론을 사용하여 정밀하게 검증할 수 있는 기준을 제시하였다. 윌리엄 뎀스키는 지적 원인이 경험적으로 탐지가능하며 관찰한 데이터에 기반하여 지적 원인과 방향성이 없는 자연적 원인을 믿을 만하게 구분할 수 있는 방법이 존재하며, 여러 특정 과학에서 이미 이런 구분을 끌어내기 위한 방법들이 법의학, 암호학, 고고학, 그리고 외계지성탐사(SETI) 분야에서 다루어지고 있음을 보여주었다. 베히의 책을 통해서 나타난 생물학 시스템의 환원불가능한 복잡성이 윌리엄 뎀스키의 '복잡 특수 정보(complex specified information)” 이론으로 구체화되어 과학적 연구 프로그램으로서 가능성을 열게 해주었다. 지적 원인의 경험적 탐지가능성은 지적 설계를 전적으로 과학 이론이 되게 하였고, 그것을 철학자들의 설계논증이나 전통적으로 '자연신학'이라고 불린 것과 구별되게 하였다.

지적설계의 적용 중에서 중요한 분야는 창조과학운동과 마찬가지로 교과서 개편에 관련된 부분이다. 이와 관련하여 최근에 일어난 사건으로는 교과서에서 대진화 내용을 삭제하도록 한 1999년 캔사스주의 교육위원회의 결정을 들 수 있다. 그러나 진화론 지지자들의 압력에 못 이겨 그 다음 해 예전의 진화론 교육으로 환원되었다. 2002년 오하이오주와 2003년 텍사스주의 생물학 교과서 개편도 유사한 사건인데, 여기에는 지적설계 단체가 결정적인 역할을 담당하였다 (Ohio, 2002; 이승엽 2003). 2002년 12월 10일에 오하이오주 교육위원회에서는 18명 전원일치로 일명 '논쟁점 가르치기(The teach-the controversy)” 제안을 오하이오 공립학교에서 과학 교과 표준으로 허락하는 결정을 내렸다. 새로운 법안의 3가지 주요 내용은 다음과 같다.

(1) 생물학적 진화 (대진화-공통조상이론)를 지지하거나 반대하는 모든 증거를 가르친다.
(2) 의무사항은 아니지만 선생님들이 지적설계와 같은 대안 이론에 대해서 토론하는 것을 허용한다.
(3) 자연 현상에 대한 모든 논리적인 설명을 허용할 수 있도록 과학에 대한 정의를 수정한다.

이와 같이 3가지 결정은 그 동안 과학 교과서에서 독점적인 지위를 누려온 진화론을 공립학교에서 공개적으로 비판할 수 있을 뿐만 아니라, 지적 설계라는 용어가 진화론의 대안으로 교과서에 공식적으로 등장할 수 있는 획기적인 전기를 마련하였다. 또한 과학의 정의에 대한 수정안은 자연주의적인 해석만을 강요해왔던 과학의 범위를 확대시킬 수 있게 되었다. 여기에서 과학을 다음과 같이 새롭게 정의하였다. '과학은 관찰, 가정 검증, 측정, 실험, 그리고 이론 성립에 근거하여 자연 현상에 대한 적절한 설명을 제시하는 계속적인 연구의 규칙적인 방법이다” (Science is a systematic method of continuing investigation, based on observation, hypothesis testing, measurement, experimentation, and theory building, which leads to more adequate explanations of natural phenomena). 이와 같은 지적설계 진영의 승리 이면에는 10여 년 동안 이루어진 지적설계의 연구 프로그램과 전략적인 쐐기운동이 실효를 거두었기 때문이다. 실제 Discovery Institute의 Stephen Meyer와 Jonathan Wells 박사가 오하이오주 교육위원회 패널 토의에 참여하였고, 교육위원회에 많은 지적설계에 관련된 증빙 자료를 제출하였다. 이 중에는 최근에 유명 학술저널에서 발표된 논문 중 지적설계에 연관된 44개의 중요 논문을 제출하여 지적설계가 이미 학술적으로 연구 대상이 되고 있음을 보이면서, 지적설계는 학술적인 기반이 없음을 비난하는 진화론자들의 의견을 반박하였다 (Discovery, 2002).

올해 9월에는 지적설계 학술연구에 있어서 매우 중요한 성과가 이루어졌는데, Discovery Institute CSC director인 Meyer 박사가 전문 학술저널인 Proceedings of the Biological Society of Washington에 지적설계에 관련된 논문을 발표하게 되었다 (Meyer, 2004). 반진화론적인 이론에 관한 연구 논문이 국제적인 학술 저널에 처음으로 발표됨으로써, 이 논문을 시작으로 해서 지적설계 개념이 향후 학술적인 연구로서 활발히 이루어지리라 예상된다.

국내 지적설계 운동은 한국창조과학회의 일부 회원들과 NOAH와 KAIST 창조론 연구회(RACS), 서울대학교 창조과학 연구회(SCR)이 주축이 되어 시작되었다고 할 수 있다. 이 모임들이 주축이 되어 마이클 베히의 '다윈의 블랙박스”, 필립존스의 '위기에 처한 이성”, 그리고 윌리엄 뎀스키의 '지적설계”를 번역하여 출간하였다. NOAH는 정기적인 모임을 갖으며 지적설계에 관련된 토론 및 연구를 수행하고 있으며, 그 동안 8번의 학술 세미나를 개최하여 지적설계에 대한 다양한 연구를 시도하였다. 초기에는 지적설계에 관련된 자료 소개 및 기본적인 연구에 치우쳤으나 최근에는 지적설계에 관한 창의적인 연구들이 발표되었다 (http://noah.creation.net). 한국창조과학회에서는 2001년부터 매년 정기적인 학술대회를 개최하고 있는데, 2002년 창조과학학술대회에서 이승엽 등이 '지적설계를 적용한 정보저장기기 매커니즘 연구”가 지적설계에 관련된 최초의 연구 논문이라 할 수 있다 (이승엽, 2002). 최근에 통합연구학술대회에서 3편의 지적설계 관련 논문이 발표된 바 있다 (이승엽, 2004; 조정일, 2004; 현창기, 2004). 2004년 8월 21일에는 국내의 지적설계 연구자들과 관련 단체들이 연합하여 순수 연구단체인 지적설계연구회 (Korean Research Association for Intelligent Design: KRAID)를 창립하여 학술 연구 및 관련 서적 출판 등의 활동을 하고 있다.


II. 지적설계 관련 학술연구

서적 출판


앞의 II 절에서 살펴본 바와 같이 필립 존슨의 '심판대 위의 다윈” 이후로 지적설계에 관련된 많은 서적들이 출간되었다. 생화학 시스템에서 환원 불가능한 복잡성을 논한 마이클 베히의 '다윈의 블랙박스”와 정보 이론을 통하여 지적설계의 검증 가능한 과학적 도구를 제시한 윌리엄 뎀스키의 '지적설계”가 출간되어서 지적설계 운동에 새로운 방향을 제시하게 되었다.

최근에는 지적설계 운동에 참여한 많은 연구자들이 지적설계에 관련된 많은 서적들을 출간하였는데 대표적인 저서로는 Jonathan Wells의 'Icons of Evolution” (2000), 필립 존슨의 'The Wedge of Truth” (2000)와 'The Right Questions” (2002), 윌리엄 뎀스키의 'No Free Lunch: Why Specified Complexity Cannot Be Purchased Without Intelligence” (2001)와 'The Design Revolution' (2004), Thomas Woodward의 'Doubts About Darwin: A History of Intelligent Design” (2003), Cornelius Hunter의 'Darwin's Proof' (2003), Guillermo Gonzalez와 Jay Wesley Richards의 'The Privileged Planet” (2004), 등을 들 수 있다.

지적설계에 관련된 논문 및 글들을 모아서 편집된 책들에는 ”Mere Creation; Science, Faith & Intelligent Design' (1998), 'Science and Evidence for Design in the Universe” (2000), 'Signs of Intelligence: Understanding Intelligent Design” (2001), 'Darwinism, Design, and Public Education' (2003), 'Debating Design : From Darwin to DNA” (2004), 등이 있다. 이밖에도 최근에 지적설계에 관련된 많은 저서와 편집본들이 출간되고 있다.


학술 연구

진화론자들은 기존의 창조과학운동에 대해서 진화론에 대한 비판을 넘어서서 창조과학을 뒷받침 할 수 있는 과학적인 연구 결과들을 제시하라고 주장하였다. 지적설계운동에 대해서도 이와 같은 요구들이 있어왔다. 설계이론이 과학의 주류로 인정받기 위해서는 진화론 및 자연주의적 학문에 대한 비판보다는 설계이론을 뒷받침 할 수 있는 객관적인 연구 성과가 필요하며, 이는 과학 전문 저널에 논문으로 출간된 구체적인 연구 결과들을 의미한다. Discovery Institute에서도 이 점을 강조하면서 학술 연구 분야로서 (1) 지적설계 연구자들이 설계 이론에 입각한 순수 연구 활동을 할 수 있도록 지원하고 있으며, (2) 지적설계이론에 관련된 전문 학술 저널을 창간하며 (예를 들면 Origins & Designs Journal (www.arn.org/odesign/odesign.htm), (3) 또한 기존 전문 저널에 실린 논문들 중에서 진화론의 중대한 문제 및 설계 이론을 뒷받침 할 수 연구 결과들을 인용하여 설계이론의 과학적 근거들을 내세우는 데 적용하고 있다.

그 대표적인 예가 2002년도 3월에 Discovery Institute의 Stephen Meyer와 Jonathan Wells 박사가 '논쟁점 가르치기(The teach-the controversy)” 제안을 오하이오 공립학교에서 과학 교과 표준으로 하도록오하이오주 교육위원회에 제출한 보고서이다 (Discovery, 2002). 이 보고서에서는진화론이 직면한 중요한 문제점들이 드러나고 학교 교육에서 토론의 여지가 있다고 본 44개 저널 논문을 다루었으며, 인용된 논문들은 Cell, Nature, Science, Trends in Ecology and Evolution, Annual Review of Ecology and Systematics 등 유명과학저널에 게재된 학술 논문들이다.

이 논문들 중 가장 주가 되는 내용은 공통조상으로부터 모든 생물들이 진화되었다는 다윈의 진화나무에 대한 과학적 적합성 및 생물학적 복잡성의 기원에 대한 논쟁이다. 무생물로부터 만들어진 하나의 생명으로부터 모든 종류의 생명체들이 진화되어 만들어졌다는 것이 현대 생물학에서 다루는 기원에 대한 기본 내용이다. 2000년 6월에 발표된 인간 지놈 프로젝트의 결과로 인하여 최근에는 수십여 종의 생명체의 염기 서열이 밝혀지면서, 종들 간의 유전자의 중복성 및 관련성을 연구하는 비교지노믹스에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있는데, 진화론적인 방법으로는 설명이 어려운 많은 결과들이 발표되었다.

또한 생명체에서 나타나는 매우 복잡한 패턴들은 인류에 의해 설계된 최첨단 기계 시스템과 비교하여 훨씬 효율적인 구조를 가지고 있음이 밝혀지면서 (Ball, 1991, Goodsell, 2004), 이에 대한 활발한 연구들이 이루어지고 있다. 생명체의 작동 메커니즘에서 설계 관점과 주목되는 분야를 정리하면 다음과 같다.

● the machinery of DNA transcription and translation
● biomolecular motors
● the information-driven synthesis of biological molecules
● the energetics and regulation of biological processes
● the traffic across membranes and signal transduction along them
● the interplay of myosin and actin filaments within the muscle sarcomere

올해 9월에는 지적설계 학술연구에 있어서 매우 중요한 성과가 이루어졌는데, Discovery Institutie CSC director인 Meyer 박사가 전문 학술저널인 Proceedings of the Biological Society of Washington에 지적설계에 관련된 논문을 발표하게 되었다. 논문에서는 생명체 각각의 발생학적인 형태의 기원과 생명체의 역사에서 불연속적으로 나타나는 유기적 형태의 기원 (origination of organismal form) 에 관하여, 기존의 자연선택과 돌연변이의 신다윈주의 진화론 이론으로는 설명될 수 없고, 더 나아가서 지적설계 개념으로 설명될 수 있음을 제시하였다. 반진화론적인 이론에 관한 연구 논문이 국제적인 학술 저널에 처음으로 발표됨으로써, 이 논문을 시작으로 해서 지적설계 개념이 향후 학술적인 연구로서 활발히 이루어지리라 예상된다. 이러한 성취는 진화론적인 설명만이 허용되었던 생명 기원에 관한 학술적인 논의에서 반진화론적인 이론을 허용하는 계기가 될 것이며, 이는 그동안 오랜 창조과학운동이 성취하지 못한 한 중요한 역할을 지적설계 연구자들이 이루게 되었다고 볼 수 있다.


IV. 분자모터 (Biomolecular Motor)

분자 모터는 단백질의 특별한 형태로서 생명체 속에서 근육의 이완, 세포의 동작 및 운동, 신호 전달, DNA 복제 및 전사 등과 관련된 과정에서 중요한 역할을 하게 된다. 분자모터에 관련되어 많은 연구들이 진행되고 있는데, 지적설계 연구 분야에서 분자 모터에 관심을 갖기 시작한 것은 마이클 베히 교수가 다윈의 블랙박스를 출간한 이후이다 (Behe, 2001). 그는 책에서 지적설계의 증거인 환원불가능한 복잡성 개념을 도입하면서, 대표적인 예로 박테리아 편모의 모터 구조를 언급하였는데, 기계 시스템으로서 전기 모터는 일상 생활에서 사용되는 전형적인 설계 시스템이므로 이와 유사한 구조를 갖는 분자모터는 지적으로 설계된 메커니즘의 좋은 증거라 할 수 있다.

많이 연구되고 있는 분자모터 중에서 kinesin 과 dynein 계열과 myosin 계열, 그리고 DNA와 관련된 단백질 등은 ATP 가수분해에 의해서 화학에너지를 기계적 에너지로 변환한다 (Alberts et al., 1994). 분자 모터는 에너지를 저장하고, 운동을 발생시키고 모터 기능을 제어하기 위해서 이러한 단백질 에너지 변환을 이용하며 (Vale and Milligan, 2000), 이러한 분자 모터의 3차원 구조 (Cramet et al., 2000)와 운동 (Walker et al., 2000)이 많은 연구를 통해서 밝혀지게 되었다. 현재는 분자 모터의 구조와 기능 관계에 대한 연구들이 활발하게 이루어지고 있다. 그러나 이러한 많은 연구에도 불구하고 다른 분자모터들이 어떻게 움직이는지, ATP 합성과 어떻게 연결되는지, 최종적인 기계적인 힘이 분자 구조와 어떻게 관련되는지는 알려지지 않고 있다. 다음에서는 베히 교수의 환원불가능한 복잡성 개념과 다양한 분자모터 메커니즘과 지적설계와 관련된 부분을 설명하도록 한다.


환원 불가능한 복잡성 (Irreducible Complexity)


자연 과학에서 생명체의 구체적인 설계의 증거를 발견하고 과학적인 도구로서 이를 표현하는 것이 가능한 가에 대한 중요 질문에 대해서 펜실베니아에 있는 리하이 대학의 생화학 교수인 마이클 베히 박사는 그것이 가능하다고 말하면서 그의 저서 다윈의 블랙박스를 통해서 '환원 불가능한 복잡성”(irreducible complexity)라는 개념을 도입하였다. 환원 불가능한 복잡성을 설명하기 위해 예로서 쥐덫 메커니즘을 설명한다. 쥐덫은 여러 개의 구성요소들로 이루어져 있다. 각각의 구성요소들이 모두 제 위치에 있음으로 해서 쥐덫의 기능을 할 수 있다. 그러나 이들 하나의 구성 요소가 없어진다면 나머지 다른 구성요소들이 모두 제자리에 있다고 하더라도 쥐덫으로서의 기능을 잃어버리게 된다. 이와 같이 여러 개의 부품들로 구성된 시스템에서 어느 하나라도 없다면 그 기능을 잃어버리는 시스템을 환원 불가능한 복잡성의 시스템이라 말한다.

베히는 실제적인 생화학 시스템에서도 환원 불가능한 복잡성을 나타내는 시스템이 매우 많이 있다고 말하고 있다. 베히는 그의 책에서 박테리아의 섬모/편모, 혈액 응고 메커니즘, 세포 내 운송 시스템, 항원 항체 반응, AMP 생합성 등을 환원 불가능하게 복잡한 시스템의 예로서 구체적으로 자세하게 설명하고 있다. 이러한 시스템들의 매우 중요한 특징은 우리가 생화학 실험실에서 각각의 메커니즘을 이루는 구성 요소들 어느 하나를 제거시켜 봄으로써 그 시스템이 환원불가능한지 아닌지를 직접 확인해 볼 수 있다는 것이다.


그림 1. 환원 불가능한 복잡성인 쥐덫 시스템

편모의 분자 모터

편모는 50이하의 크기를 가지는 생물의 운동기관이다[17]. 편모는 원핵생물이나 진핵생물에서 발견이 되는데, 진핵생물의 편모와 원핵생물의 편모는 서로 다른 메커니즘을 갖는다. 진핵 생물의 편모는 아홉 개의 이중체 (13개의 원형섬유와 10개의 원형섬유로 이루어 진 두개의 융합된 고리)의 미세소관과 중앙의 두개의 단일 미세소관을 갖는 9+2 구조로 섬모와 동일한 구조와 운동 메커니즘을 갖는다 (Behe, 2001). 편모의 작동 원리는 ATP가 디네인에 공급되어 미세소관을 들어올림으로 인해 활주운동이 생기고, 넥신이 한계 이상의 활주 운동을 막기 위해 미세소관을 잡아당김으로 인해 활주운동이 굽힘운동으로 전환된다.


그림 2. 원핵 및 진핵생물의 크기와 운동기관

한편 박테리아에서 볼 수 있는 원핵생물의 편모는 플라젤린이라는 단백질로 구성되어 있고, 직경은 머리카락 직경의 500분의 1에 해당하는 12-19 nm이고, 길이는 세균의 수 배이다. Fig. 8에서 보이는 바와 같이 편모는 세포 표면의 근처에 돌출되어 있어서 프로펠러와 같은 회전운동을 하며 초당 세균의 길이의 10배 정도의 거리를 이동할 수 있다. 이러한 회전운동을 하기 위해서는 모터와 같이 기본적으로 회전자(로터)와 정지자(스테이터), 그리고 회전을 시킬 수 있는 가동력이 필요하다. 일반적으로 많이 사용되는 DC-모터의 작동원리는 플라밍의 왼손법칙으로 설명할 수 있는데, 이는 전류와 자기장, 그리고 힘의 상호관계를 나타낸다. 회전자에는 코일이 감겨져 있고 정지자에는 영구자석이 붙어있어서, 코일에 전류를 흘리게 되면 도선에 힘이 작용하게 된다. 이 힘이 회전자를 회전시킴으로 모터가 회전하게 된다. 편모의 경우도 회전자와 정지자의 역할을 하는 부분이 있고, 에너지원으로 ATP가 아닌 박테리아 막을 통과하여 흐르는 산(acid)의 유동을 통해 생기는 에너지를 이용한다 (이승엽 2002).


그림 3. 박테리아 편모의 모터구조

 

Kinesin과 Myosin 모터

분자 모터와 관련하여 최근 까지 가장 많이 연구된 분야가 근육 myosin과 kinesin 이다. Myosin II는 양 방향 리니어 모터로서 actin과 myosin 섬유 사이에서 미끄러짐을 발생시킨다. 주어진 시간에 오직 하나의 헤드만이 actin에 결합한다. 그림 4에서 보는 바와 같이 각 myosin 헤드는 motor domain 과 레버 암 domain으로 구성되어 있으며, 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하게 된다. Skeletal 근육 미요신은 4 nm의 간격으로 smooth 근육 미요신은 7 nm의 step 간격으로 움직인다 (Mooly et al., 1995). Kinesin은 미세소관을 따라서 vesicle을 전달하는 두 헤드 리니어 모터이다. 그림 4(b)에서 보는 바와 같이 각 헤드는 ATP 결합 domain과 연결되어 있는 heavy chain과 전달체가 연결되어 있는 light chain으로 구성되어 있다. 미요신과 다르게 하나의 kinetisn은 8 nm 스텝 간격으로 분리전까지 수 마이크로 미터를 미세소관을 통하여 움직이게 된다 (Schnitzer and Block, 1997).

그림 4 Kinesin과 myosin 모터 구조

(a) ATP 가수분해를 통한 myosin 분자의 미끄러짐 운동
(b) 두개의 heavy chain을 binding이나 unbinding 하면서 미세소관을 따라 walk 운동을 kinesin 분자

그림 5. (a) ATP synthase 구조: transmembrane인 F0와 가용성 부분인 F1로 구성됨
(b) ATP 가수분해는 도메인의 힌지 운동을 통하여 F1을 회전시킨다.
 

ATP Synthase

분자 모터(biomolecular motor)의 ATP 합성에 관한 회전 구조에 대한 연구로 1997년 노벨상이 수여된 후 이에 대한 많은 연구가 이루어져 왔다. ATP synthase는 마이클 베히가 환원불가능한 복잡성의 대표적인 예인 편모의 모터 구조와는 또 다른 매우 정교한 초소형 단백질 모터 효소 로서 양자를 사용하여 ATP 가수분해를 이용해 전기화학적 변환을 일으킨다. 그림 5에 나타난 ATP synthase의 기본 구조는 생체막 부분은 F0와 가용성 부분인 F1-ATPase로 구성되어 있다.  양자가 주입되면서 접촉 부분에 촉매부를 포함하는 F1의 -subunit의 회전은 ATP 가수분해에 의해 발생되는 domain의 힌지 운동에 의해 생긴다.

F0가 1 회전시 10개 양자가 필요하며, F1은 회전당 3개의 ATP를 생성하는데, 이러한 입력과 출력의 (양성자 와 ATP) 비인 10:3은 상식적으로 생각할 수 있는 정수비가 아니다. 다시 말하면 F0의 1 회전하면서 양성자 3개나 4개 당 하나의 ATP가 발생하게 되는데, 이러한 고정적이지 않고 유연한 비는 무작위적으로 정해진 것이 아니라, ATP 생성을 최대화하는 황금비임이 최근의 연구로 밝혀졌다. 누군가가 두 가지 다른 구조의 결합 시 최적설계로 정교하게 조절된 지적설계의 구조임을 알 수 있다 (Mitome et al., 2004).


DNA 관련 분자모터

DNA 유전자 전사, 복제, 압축 등을 수행하려면 RNA나 DNA의 형성 촉매 효소인 폴리메라아제와 같은 모터 단백질이 필요하다. 예를 들면 RNA 폴리메라아제는 원형 DNA를 1초당 10개 이상의 뉴클레오타이드를 지나가면서 RNA 복사를 수행한다. T7 DNA 폴리메라아제는 초당 100개 이상의 base 비율로 DNA 복제가 일어나도록 한다. 최근의 연구들은 효소에 가해지는 기계적 힘이 세포내에서 DNA 전사와 복제를 일으킨다고 설명하고 있다. 이러한 기계적 힘의 영향을 살펴보기 위해 그림 6과 같이 RNA와 DNA의 폴리메라아제의 1개의 분자를 이용하여 힘과 DNA 전사와의 관계를 실험하였다 (Yin et al., 1995). 실험에서는 광학 기기를 이용하여 초소형 bead의 움직임을 조절하고 bead에 DNA를 연결함으로써 가해지는 힘에 대한 DNA 전사를 측정하였다. 실험 결과는 전사 속도는 힘에 반비례함이 알려졌다. 이러한 기계적 힘의 역할에 대한 정확한 설명은 좀 더 연구가 필요하나 분자들이 모터 단백질의 변환과 기능성과 관련된 에너지 한계를 변화하고자 할 때 DNA 변형이 이러한 변화를 일으킨다고 생각되어지고 있다.

그림 6. 가해지는 힘의 변화에 따른 DNA 전사 속도에 관련된 단 분자 실험

 

전기 모터와 편모 모터 비교

초소형 전기모터와 박테리아 편모는 구조상으로 유사하지만 그 크기에서 편모가 상대적으로 작기 때문에 크기와 관련된 지배적인 힘이 다르게 나타날 수 있다. 수 mm 이하의 크기를 갖는 초소형의 세계에서는 거시적 세계와는 다른 물리 법칙이 지배한다. 길이가 줄어들게 되면 면적은 길이의 제곱의 비율로 줄고 부피는 길이의 세제곱의 비율로 줄기 때문에 질량보다는 면적에 관계되는 힘이 상대적으로 커지게 된다. 그래서 중력보다는 마찰력이나 점성력, 정전기력, 표면장력 등의 힘이 지배하게 된다. 길이가 줄어들게 되면 면적은 길이의 제곱의 비율로 줄고 부피는 길이의 세제곱의 비율로 줄기 때문에 질량보다는 면적에 관계되는 힘이 상대적으로 커지게 된다. 그래서 중력보다는 마찰력이나 점성력, 정전기력, 표면장력 등의 힘이 지배하게 된다. 질량과 가속도의 크기에 비례하는 관성력과 주변의 유체의 점도와 속도에 비례하는 점성력의 비를 레이놀즈 수로 정의하는데 이는 다음의 식으로 설명된다.

여기에서 는 밀도, L은 길이, V는 속도를 나타낸다. 초소형 마이크로 모터와 같은 수 um의 기계시스템을 만들기 위해서는 기존의 제작 방법을 사용할 수가 없다. 이는 제작하기 위한 도구는 매우 정밀하여야 하기 때문에 리소그래피(Lithography) 방법을 이용하게 된다. 이는 실리콘 기판 위에 layer를 덮고 자외선에 의해 식각이 되는 PR(photo resist)을 일정한 높이로 덮은 후 원하는 형상을 인화한 필름을 사용하여 특정 부분만을 자외선에 투과시킴으로 PR을 감광한다. 그 후 불필요한 PR층과 layer를 식각액으로 제거시키면 원하는 형상이 만들어지게 된다. 하지만 MEMS 기술의 문제는 두께가 얇은 형상의 제작은 용이하지만 넓이에 비해 두께가 큰 형상의 경우 식각액이 제거해야 할 부분을 완벽하게 없애지 못해서 형상을 제작하는데 어려움이 있다. 이를 해결하기 위해 보다 강한 광선인 X-Ray를 사용하는 RIGA MEMS 기술이 도입되어 너비에 대한 높이의 비를 높이게 되는데, 최대 10 ㎛의 깊이에 대해 400 nm 정도 너비를 갖는 형상을 제작할 수 있게 되었다. 하지만 높이가 커짐에 따라서 형상이 휘어지는 등의 문제를 안고 있다.

그림 7. MEMS 공정을 이용하여 만든 초소형 모터 (직경 100 um)

박테리아 편모의 형상은 길이가 50 ㎛ 정도 이상이고 직경은 12~19 nm 정도가 되는데 편모의 형상만을 제작하는 데에도 현재 기술로는 어려움이 있다. 게다가 각각 회전자와 고정자 등의 역할을 하는 부분들은 편모 전체의 형상에 비해 충분히 작다. 또한 편모의 모터는 크기가 작을 뿐만 아니라 인공적인 마이크로모터에 비해서 오히려 복잡한 구조를 갖는 많은 부품들로 구성되어있다.  박테리아의 편모는 관성력보다 점성력의 영향이 큰 레이놀즈 수의 세계에서 존재하고, 또한 몸길이가 5 ㎛ 이하이기 때문에 이보다 큰 분자의 확산에 의한 영향을 크게 받게 된다. 박테리아가 1초 동안에 20 ㎛를 이동하는데 비해 주위의 분자의 확산속도는 1초에 45 ㎛ 정도이기 때문에 정지해 있는 박테리아는 주위의 확산되는 물질에 접촉이 가능하기 때문에 이동 수단인 편모의 효율을 높일 필요가 없다. 즉 이동수단이 발달되어야 할 필요가 없기 때문에 진화론에서 말하는 근육으로의 진화의 필요가 없다.

이상과 같이 지적설계운동의 학술 분야를 간단하게 살펴보았다. 지적설계 이론이 과학의 주류로 포함되도록 하는 쐐기운동의 목표를 이루기 위해서 설계 이론을 뒷받침 할 수 있는 연구 프로그램의 수행이 필수적이다. 그 동안 창조과학 연구가 진화론을 반박하는 데에 집중되어 있었으나 주류 과학으로 포함되기 위해서는 생명체가 갖고 있는 정교한 설계에 대한 단순한 관찰을 넘어서서 지적으로 설계된 것이라는 과학적인 증거를 제시할 수 있는 선도적인 연구들이 요구된다. 생명현상의 근원이 물질들만의 집합 이외의 다른 원리가 존재한다는 것, 생명체의 분류가 다윈의 접근법 이외의 다른 방법으로 설명이 가능하다는 것, 그 이외에도 기존 과학의 패러다임에서 예측할 수 없는 새로운 실험적인 발견이나, 이미 연구된 결과들에 대한 새로운 해석 등을 통하여 지적설계의 과학적인 기반이 확보 될 수 있을 것이다.


VI. 지적설계연구회 창립 및 비전

현재 미국에서 지적설계에 관련된 다양한 연구들이 이루어지고 있고 '쐐기” 운동을 통하여 전략적으로 사회 각 분야에 그 영향력을 넓혀가고 있으므로, 국내에서도 이와 유사한 지적설계 확대를 위한 구체적인 방향 설정 및 전략이 필요하리라 생각되며, 이러한 일들을 효율적으로 할 수 있는 단체의 창립이 요구되었다. 이러한 관점에서 '생명체 메커니즘과 생명정보의 지적인 원인과 설계 구조를 과학적으로 연구하는 지적설계연구회 (KRAID: Korean Research Association of Intelligent Design)가 2004년 8월 21일에 창립된 것은 시기적으로 매우 적절하다고 볼 수 있다.

지적설계연구회는 미국의 비종교적인 연구 및 정책 단체인 Discovery Institute의 설립 목적과 유사하다. 지적설계연구회는 생명체의 작동 메커니즘과 생명정보가 지적으로 설계되었음을 연구하는 순수한 연구단체로서 다음과 같은 목표를 갖는다.

● 중고등학교 생물 교과서 개편을 위하여 학술적인 자료를 수집하고 지적설계의 과학적인 대안을 제시한다.

● 지적설계연구회는 국내 지적설계 관련 연구 결과를 해외 유명 저널 및 학술 저서로 발간하여 국제적인 공인받는 학문적인 성과를 이룩한다.

● 지적설계가 생물학을 포함한 자연과학 분야에서 주류과학으로 인정될 뿐만 아니라, 인문, 사회과학 등 자연주의적인 세계관에 근거한 모든 학문 분야에 영향을 미치도록 한다.

비종교적인 관점을 이러한 학술연구단체는 자연주의적인 철학에 근거한 진화론 및 학문 분야에 대한 새로운 유신론적 대안을 제시할 수 있을 뿐 아니라, 종교적인 관점을 배제하기 때문에 많은 전문적인 연구자들을 '지적설계” 안으로 포용하게 됨으로서, 반진화론 운동에 효과적으로 대응할 수 있으리라 생각된다.

 


참고문헌
Alberts, B., Bray, D., Lewis, J., Ra, M., Roberts, K., Watson, J.D., 1994. Molecular Biology of the Cell, 3rd Edition. Garland Publishing, New York, NY.

Ball, P., 'Life’s lessons in design,” Nature 409, 2001: 413-416.

Behe, M. J., 김창환 외 역, 다윈의 블랙박스, 풀빛, 2001

Cramer, P., Bushnell, D.A., Fu, J., Gnatt, A.L., Maier-Davis, B., Thompson, N.E., Burgess, R.R., Edwards, A.M., David, P.R., Kornberg, R.D., 2000. Architecture of RNA polymerase II and implications for the transcription mechanism. Science 288, 640.649.

David K. DeWolf, S. C. Meyer and M. E. DeForrest, Teaching the Origins Controversy: Science, or Religion, or Speech?, Utah Law Review 39(1), 1994

Dembski, W., 서울대창조과학연구회 역, 지적설계 (Intelligent Design), IVP, 2002

Discovery Institute's Center for Science & Culture, Bibliography of Supplementary Resources for Ohio Science Instruction, Discovery Institute, www.discovery.org/csc/scientificResearch/ , 2002

Discovery Institute's Center for Science & Culture, The Wedge Strategy, www.antievolution.org/features/wedge.html , 1999

Goodsell, D. S.,  Bionanotechnology: Lessons from Nature, Wiely-Liss, 2004

Johnson, P. E.  이수현 역, 심판대 위의 다윈, 과학과 예술, 1993,

Meyer, S. C., The origin of biological information and the higher taxonomic categories, Proceedings of the Biological Society of Washington, Vol. 117, No.2, pp. 213-239, 2004

Mitome et al., Thermorphilic ATP synthase has a decamer-c-ring: Indication of noninteger 10:3 H+/ATP ratio and permissive elastic coupling, Proceedings of the National Academy of Science, 2004

Molloy, J.E., Burns, J.E., Kendrick-Jones, J., Tregear, R.T., White, D.C., 1995. Movement and force produced by a single myosin head. Nature 378, 209.212.

Ohio Firestorm of 2002, www.sciohio.org/firestorm.htm

Origins & Designs Journal, http://www.arn.org/odesign/odesign.htm

Paley, W.  Natural Theology, 1802. Reprinted in 1972 by St Thomas Press, Houston, Texas

Schnitzer, M.J., Block, S.M., 1997. Kinesin hydrolyses one ATP per 8-nmstep. Nature 388, 386.390.

Vale, R. D., Milligan, R.A., 2000. The way things move: looking under the hood of molecular motor proteins. Science 288, 88.95.

Yin, H., Wang, M.D., Svoboda, K., Landick, R., Block, S.M., Gelles, J., 1995. Transcription against an applied force. Science 270, 1653.1656.

Walker, M.L., Burgess, S.A., Sellers, J.R., Wang, F., Hammer, J.A. 3rd., Trinick, J., Knight, P.J., 2000. Two-headed binding of a processive myosin to F-actin. Nature 405, 804.807.

이승엽, 지적 설계 운동의 현황과 적용, 2003년도 창조과학 학술대회 논문집. 2003

이승엽, 임효석, 지적설계를 적용한 정보저장기기 매커니즘 연구, 2002년 창조과학학술대회 논문집, 2002

이승엽, 신운섭, 지적설계운동과 연구프로그램, 통합연구학술대회 논문집, 2004

조정일, 이승엽, 생명의 기원에 대한 세계관에 기초한 수업 추구의 역사적 배경과 이론적 근거: 진화와 지적 설계의 대립, 통합연구학술대회 논문집, 2004

현창기, 진화가설에 대한 비판적 고찰, 통합연구학술대회 논문집, 2004

* 이승엽 : 서강대학교 기계공학과 부교수 및 지적설계연구회 회장
Email: sylee@sogang.ac.kr, Tel: 02-705-8638

 

*참조 : Life’s irreducible structure—Part 1 : autopoiesis
http://creationontheweb.com/images/pdfs/tj/j21_2/j21_2_109-115.pdf

Life’s irreducible structure—Part 2
http://creationontheweb.com/images/pdfs/tj/j21_3/j21_3_77-83.pdf



출처 - 2004 창조과학학술대회 논문집

구분 - 4

옛 주소 - http://www.kacr.or.kr/library/itemview.asp?no=2556

참고 : 5569|5495|5305|4874|4561|4559|4520|4333|4122|3929|3897|3881|3768|3789|3585|3269|2992|2676|2556



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