무작위였던 화학이 한쪽으로 쏠린 이유 (경희대학교 강경태 교수)
채널: 안될과학 Unrealscience
강연자: 경희대학교 강경태 교수
원본 영상: YouTube에서 보기
대칭적인 출발점에서 어떻게 비대칭이 생길까
강경태 교수가 던지는 중심 질문은 비대칭적인 요소가 없는 상태에서 어떻게 비대칭이 나타날 수 있는가다. 처음부터 한쪽으로 치우친 조건을 주는 방법을 넘어, 작은 차이가 커지는 과정을 이해하려는 질문이다.
이 질문을 따라가는 데 필요한 개념이 자가촉매와 비선형 효과다. 생성물이 자신의 생성을 돕는 과정과, 촉매의 조성 차이가 생성물의 차이로 이어지는 과정을 구분해 살펴보면 비대칭이 증폭되는 원리를 이해할 수 있다.
생성물이 자신의 생성을 돕는 자가촉매
자가촉매는 반응으로 만들어진 생성물이 다시 그 반응을 촉진하는 현상이다. 생성물이 다음 생성에 관여하면서, 결과가 다시 원인으로 작용하는 고리가 생긴다.
강 교수는 생성물이 반응 환경을 바꾸는 사례도 설명한다. 생성물이 모여 구조를 만들면 주변의 물과 다른 환경이 생기고, 반응물들이 그 안으로 몰려든다. 이렇게 반응물이 모이는 환경을 만드는 것이 다시 생성물의 형성을 돕는 방식이다.
거울상 사이의 차이를 나타내는 ee
서로 거울상 관계인 두 형태가 얼마나 한쪽으로 치우쳐 있는지는 거울상 이성질체 과잉률인 ee로 나타낸다. 강 교수는 두 형태의 비율을 비교하는 예로 이를 설명한다.
06:22 - 자원 제약에 따라 증가세가 둔화되는 S자 곡선에 대한 설명
- 60 대 40이면 전체에서 두 형태의 양의 차이가 차지하는 비율은 20% ee다.
- 51 대 49이면 그 차이는 2% ee다.
따라서 ee는 한쪽 형태가 차지하는 비율 자체가 아니라, 두 형태 사이의 차이를 나타내는 값이다.
여기서 강연은 다시 기원의 질문으로 돌아간다. 한쪽으로 치우친 결과를 얻는 것뿐 아니라, 비대칭적인 요소가 없는 출발점에서 그러한 치우침이 어떻게 생기는지를 설명해야 한다는 것이다.
서로 다른 두 가지 비선형성
강 교수는 강연에서 사용하는 ‘비선형’이라는 말이 두 가지 관계를 가리킨다고 구분한다.
앞서 다룬 것은 시간에 따른 비선형성이다. 반응이 진행되면서 생성물이 늘어나는 양상이 시간에 단순 비례하지 않는 경우를 살펴본다.
다른 하나는 촉매의 조성에 따른 비선형성이다. 촉매를 이루는 두 거울상의 비율이 달라지면 생성물의 거울상 비율도 달라질 것으로 예상할 수 있다. 그런데 실제 생성물의 치우침이 그 비율에서 예상한 정도를 크게 벗어날 수 있다는 것이다.
35:27 - 소아이 반응의 의의와 원시 지구 재현 여부에 관한 한계
두 개념은 살펴보는 대상이 다르다. 하나는 시간이 흐르며 반응이 어떻게 진행되는지에 관한 것이고, 다른 하나는 촉매의 혼합 비율과 생성물의 혼합 비율이 어떤 관계를 맺는지에 관한 것이다. 이 구분이 자가촉매와 비대칭성의 증폭을 연결하는 출발점이다.
자신을 늘리고 상대를 억제하는 모형
강연에서 소개하는 모형에서는 두 거울상을 R과 S로 구분한다. 각 형태가 자기 쪽의 생성을 촉진하는 데 더해, R은 S를 억제하고 S는 R을 방해하는 관계를 둔다.
자기 쪽을 늘리는 작용과 상대쪽을 억제하는 작용이 함께 존재하는 구조다. 강 교수는 이를 통해 두 거울상 사이의 차이가 커질 수 있는 조건을 설명한다.
반응을 반복하며 커지는 차이
소아이 반응을 소개하는 대목에서는 반응을 반복하면서 거울상 사이의 치우침이 커지는 결과가 제시된다. 강 교수는 그 값이 **39%, 76%, 85%**로 이어진다고 설명한다.
45:39 - 시간에 따라 달라지는 연구의 가치와 여러 연구 영역의 상호작용
이 대목에서 주목할 점은 생성물의 양뿐 아니라 두 거울상 사이의 차이도 커진다는 것이다. 자가촉매와 비대칭성의 증폭을 함께 살펴보는 사례다.
이어지는 작동 원리 설명에서는 네 분자가 모인 사합체가 촉매 역할을 한다고 소개한다. 개별 분자 하나만이 아니라, 여러 분자가 이루는 집합체가 반응에 관여한다는 점이 중요하다.
작은 차이가 커지는 과정을 이해하기
강연의 핵심은 한쪽 거울상을 많이 만드는 결과에서 더 나아가, 그 치우침이 어떻게 생기고 확대되는지 묻는 데 있다.
자가촉매는 생성물이 자신의 생성을 돕는 과정을 설명한다. 촉매 조성에 따른 비선형 효과는 촉매의 거울상 비율과 생성물의 거울상 비율이 단순 비례하지 않을 수 있음을 보여준다. 강 교수는 이 두 개념을 연결해, 작은 분자적 차이가 큰 비대칭으로 이어지는 화학적 과정을 설명한다.