매년 지구상의 수십억 마리의 새들이 자연이 선사하는 가장 놀라운 여정 중 하나를 떠납니다. 작은 참새부터 거대한 거위까지, 모두 수천 킬로미터를 날아 대륙과 바다를 가로질러 가면서도 길을 잃지 않습니다.
그 중에는 한 번도 이동한 적이 없는 어린 새들도 놀라울 정도로 정확하게 겨울을 나는 곳으로 가는 길을 찾는 경우가 많습니다.
새의 눈에 있는 마법의 단백질
과학자들은 수십 년 동안 이 미스터리를 풀기 위해 노력해 왔습니다. 그들은 새들이 태양, 별, 익숙한 지형지물, 특히 지구의 자기장과 같은 다양한 환경적 단서를 이용하여 방향을 찾는다는 것을 알고 있습니다.
하지만 새들이 어떻게 이 보이지 않는 자기장을 감지할 수 있는지는 여전히 큰 미스터리로 남아 있습니다. 새로운 연구에 따르면, 그 해답은 예상치 못한 곳에 있을지도 모릅니다. 바로 철새의 망막에서 발견되는 크립토크롬(cryptochrome), 줄여서 CRY4라는 특수 단백질입니다.
바늘이 올바른 방향을 가리키는 일반 나침반과 달리, 이 단백질은 완전히 다르고 훨씬 더 복잡한 메커니즘으로 작동합니다.
새의 눈에 파란빛이 닿으면 CRY4 단백질이 활성화되어 독특한 화학 반응이 일어납니다. 이 과정은 과학자들이 "유리기 쌍"이라고 부르는, 짝을 이루지 못한 전자를 가진 두 분자를 생성합니다.
이러한 고립된 전자는 스핀이라고 불리는 양자적 특성 덕분에 작은 자석처럼 작용합니다.
유럽 울새는 혹독한 겨울을 피해 힘겨운 대륙 간 이동을 합니다. 이 새들을 비롯한 많은 새들은 길을 찾기 위해 양자 얽힘 현상을 이용하여 지구 자기장을 "읽어낼" 수 있습니다(사진: PBS).
흥미로운 점은 이 두 전자가 독립적으로 존재하지 않고, "양자 얽힘"이라는 이상한 양자 현상을 통해 서로 연결되어 있다는 것입니다. 이는 물리학자 알베르트 아인슈타인이 "원거리에서의 섬뜩한 작용"이라고 부른 현상과 동일합니다.
두 입자가 얽히면, 두 입자 사이의 거리에 관계없이 한 입자의 상태가 다른 입자에 즉시 영향을 미칩니다.
보이지 않는 것을 "보다"
현재의 가설에 따르면, 지구 자기장은 이러한 "얽힌" 전자 쌍의 양자 상태에 영향을 미칠 수 있습니다.
양자 상태의 변화는 새의 뇌가 이해할 수 있는 생물학적 신호로 변환됩니다. 다시 말해, 새는 자기장을 정상적인 시야에 겹쳐진 패턴이나 그림자로 실제로 "볼" 수 있습니다.
지구 주변의 보이지 않는 자기장 선을 볼 수 있는 특수 안경을 착용하는 것과 같다고 생각해 보세요. 새들에게 이 자기장 선은 어둡고 밝은 줄무늬처럼 보일 수 있으며, 이를 통해 북쪽과 남쪽을 파악하고 지구상에서 자신의 위치를 정확하게 파악할 수 있습니다.
실험실에서의 증거
2021년에 도쿄 대학의 과학자들은 처음으로 실험실에서 이 양자 반응을 직접 관찰했습니다.
그들은 낮은 빛에도 극도로 민감한 특수 현미경을 사용하여 암호크롬을 함유한 인간 세포가 자기장에 반응하는 것을 관찰했습니다.
결과에 따르면, 자기장이 휩쓸릴 때마다 세포의 발광이 약 3.5%씩 감소했습니다. 이는 직접적인 반응을 보여주기에 충분한 수치입니다.
거대 입자 검출기는 아원자 수준의 상호작용을 포착할 수 있다(사진: 도쿄).
2021년 6월 Nature 저널에 발표된 또 다른 연구에서는 훨씬 더 강력한 증거를 제시했습니다.
연구진은 유럽 울새의 눈에서 CRY4 단백질을 분리하여 실험실 조건에서 실제로 자기장에 민감하다는 것을 입증했습니다. 조류 크립토크롬 단백질이 자기장을 감지할 수 있다는 사실을 과학자들이 입증한 것은 이번이 처음입니다.
놀라운 민감성
과학자들을 가장 놀라게 한 것은 이 시스템의 놀라운 민감성이었습니다. 실험 결과 유럽 울새는 지구 자기장보다 최대 3,000배 약한 인공 자기장에 의해 방향 감각이 흐트러질 수 있다는 것이 밝혀졌습니다.
그것은 상상할 수 없을 만큼 뛰어난 민감도입니다. 폭풍우가 치는 방에서 먼지 한 점이 떨어지는 것을 느낄 수 있는 것과 같습니다.
이러한 민감성은 자유 라디칼 쌍 시스템이 "양자 얽힘" 상태를 "꽤 긴" 시간(약 100마이크로초) 동안 유지하는 경우에만 설명될 수 있습니다.
이 숫자는 믿을 수 없을 정도로 짧은 시간(1만분의 1초)처럼 들릴지 모르지만, 양자 세계 에서는 엄청난 시간입니다.
강한 진공 상태나 극도로 낮은 온도를 갖춘 이상적인 실험실 조건에서도 과학자들은 인공적인 양자 얽힘을 수 나노초 동안만 유지할 수 있습니다.
전통적인 개념에 도전하다
이 발견은 양자 물리학과 생물학의 경계에 대한 전통적인 개념에 도전합니다.
수십 년 동안 과학자들은 양자 효과가 너무 취약하고 쉽게 파괴되어 생물학적 시스템의 따뜻하고 시끄럽고 혼란스러운 환경에서는 살아남을 수 없다고 믿었습니다.
그러나 자연은 가장 미묘한 물리적 원리를 이용해 생명에 도움이 되는 방법을 찾은 것 같습니다.
"자연은 양자 상태를 우리가 예상했던 것보다 훨씬 오래, 심지어 실험실에서 할 수 있는 것보다 훨씬 오래 지속시키는 방법을 찾아낸 것 같습니다. 아무도 그것이 가능하다고 생각하지 못했습니다."라고 헤리엇-와트 대학교의 양자 과학자 에릭 가우거는 말했습니다.
새뿐만이 아니다
이 연구는 새에 초점을 맞추었지만, 자기장을 감지하는 능력은 날개 달린 종에만 국한되지 않을 수도 있습니다.
바다거북, 꿀벌, 심지어 개와 같은 다른 동물들도 유사한 메커니즘을 사용할 수 있습니다. 일부 연구에서는 인간의 눈에 크립토크롬 단백질이 존재한다는 주장도 제기되지만, 자기장을 감지하는 능력은 진화 과정에서 크게 약화되었을 가능성이 높습니다.
실제로 연구자들이 사람들을 어두운 방에 두고 주변 자기장을 바꾸었을 때, 일부 사람들은 시력에 약간의 변화가 생겼다고 보고했습니다.
그러나 이러한 보고서는 여전히 논란의 여지가 있으며, 이를 확인하려면 더 많은 연구가 필요합니다.
더 큰 의미
새에서 양자 항법의 발견은 단순한 흥미로운 자연 이야기 그 이상입니다. 이는 양자 생물학이라는 완전히 새로운 분야로의 문을 열었습니다. 양자 생물학은 생명 과정에서 양자 역학의 역할을 연구하는 과학의 한 분야입니다.
생물학적 시스템이 양자 효과를 안정적으로 활용할 수 있다면, 생명에 대한 우리의 이해에 혁명을 일으킬 수 있습니다. 광합성, 후각, 그리고 어쩌면 의식과 같은 다른 생물학적 과정들 역시 우리가 아직 완전히 탐구하지 못한 방식으로 양자역학을 포함할 수 있습니다.
새들이 양자역학을 이용해 방향을 찾는 방식을 이해하면 기술적 혁신이 이루어질 수 있습니다.
과학자들은 동일한 원리를 기반으로 초고감도 자기 센서 개발 가능성을 연구하고 있습니다. 이러한 장치는 의학(신체 이상 조기 감지 등)부터 지질학(광물 탐사), 심지어 양자 컴퓨팅까지 다양한 분야에 응용될 수 있습니다.
더 나아가, 이 연구는 자연환경 보호의 중요성을 강조합니다. 도시의 빛공해와 전자기기의 전자파는 새들의 섬세한 양자 나침반을 교란시켜 이동과 생존 능력에 영향을 미칠 수 있습니다.
아직 이야기가 끝나지 않았습니다
상당한 진전에도 불구하고, 많은 의문이 여전히 풀리지 않은 채 남아 있습니다. 새의 뇌는 정확히 어떻게 양자 정보를 항해 결정으로 변환하는 것일까요?
왜 어떤 새들은 다른 새들보다 이 문제에 더 능숙할까요? 그리고 우리가 아직 알지 못하는 다른 양자 메커니즘들이 생물계에 작용하고 있을까요?
각각의 답은 새로운 의문을 불러일으키지만, 한 가지 확실한 것은 양자 물리학과 생물학의 경계가 점점 모호해지고 있다는 것입니다. 하늘을 나는 작은 새들은 단순한 이동이 아니라, 우주의 가장 깊은 비밀 중 하나를 품고 있습니다.
새의 양자 항법 이야기는 우리 주변의 세상이 눈에 보이는 것보다 훨씬 더 복잡하고 경이롭다는 것을 일깨워줍니다. 우리가 여전히 교과서에 나오는 양자역학의 추상적인 개념과 씨름하는 동안, 자연은 수백만 년 동안 이러한 원리를 조용히 활용해 왔습니다.
이는 현실의 본질을 다시 생각하게 합니다. 작은 울새가 "양자 얽힘"을 이용하여 집으로 돌아오는 길을 찾을 수 있다면, 자연계에는 얼마나 많은 양자적 비밀이 숨겨져 있을까요?
어쩌면 양자 세계는 실험실에서만 존재하는 외계 영역이 아니라 새의 비행부터 심지어 인간의 마음 속 생각에 이르기까지 일상생활의 보이지 않는 기반일지도 모릅니다.
하늘을 올려다보며 철새 떼가 움직이는 것을 보면, 그들이 그저 날기만 하는 것이 아니라 과학에서 알려진 가장 정교한 메커니즘 중 하나를 이용해 방향을 찾고 있다는 사실을 기억하세요. 이 메커니즘은 추상적인 양자 원리를 실용적인 생존 도구로 바꿔줍니다.
이는 진화의 경이로움에 대한 증거이며, 인간이 우주의 작동 원리에 대한 보다 완전하고 정확한 이해를 얻기 위해 계속해서 배워야 할 자연 속의 많은 신비를 여전히 간직하고 있다는 것을 일깨워줍니다.
출처: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/khi-loai-chim-nhin-thay-tu-truong-trai-dat-bi-an-luong-tu-trong-tu-nhien-20250715124733875.htm
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