생물들은 나노유체학을 먼저 알고 있었다. : 창조 설계-생명 [한국창조과학회 자료실]

미디어위원회

창조설계-생명체

2026-07-09

생물들은 나노유체학을 먼저 알고 있었다.

(Biology Figured Out Nanofluidics First)

by John D. Wise, PhD

액체, 특히 물이 나노미터 규모에서 어떻게 행동하는지는 현대 물리학의 큰 미해결 과제 중 하나이다.

양자 배관(quantum plumbing)과 주목받는 한 분야의 과학

나노유체학(nanofluidics) 연구에서 양자 및 분자 배관 현상 조사.(Hector Garcia Morales, Phys.org, 2026. 6. 22). 나노미터 규모(nanoscales)의 유체역학은 아직 초기 단계에 있지만, 과학으로서의 발전은 환영할 만한 것으로, 과학적 겸손을 위한 희망적 교정 모델이 되고 있다.

우리가 살아가는 이 세계는 유체(fluids)들로 이루어져 있다. 강에서부터, 혈관, 산업용 배관, 살아있는 세포 내부의 미세한 통로에 이르기까지, 액체의 거동은 전체 물리학 중에서 가장 성공적으로 모델링된 영역 중 하나이다. 고전 유체역학(classical hydrodynamics)은 예측 가능하고, 신뢰할 수 있으며, 매우 정확하게 작동된다. 하지만 알고 보니, 그렇지 않았다.

나노미터 크기까지 파이프의 크기가 줄어들어, 분자 몇 개만 나란히 들어갈 수 있게 되면, 물의 거동을 지배하는 고전 물리법칙은 벽의 원자 구조에 의해 영향을 받게 된다.

이러한 스케일에서는 유체 이론을 강력하게 만드는 가정들이 더 이상 유효하지 않게 된다. 하지만 흥미롭게도, 시스템이 혼돈 상태에 빠지기 때문이 아니라, 오히려 시스템이 더욱 민감해지고, 구조화되고, 주변 환경과 더욱 긴밀하게 연결되기 때문에, 이러한 가정들이 무너지는 것이다.

양자 혁명(quantum revolution)을 시작으로, 우리는 거의 모든 과학 분야에서 이러한 움직임이 나타나는 것을 목격해 왔다. 더 작은 스케일에서 현실을 탐구하는 능력이 향상됨에 따라, 우리는 이전에는 예상하지 못하고, 예측하지 못했던, 우리가 잘 알고 있다고 생각했던 지식으로는 결코 발견할 수 없었던, 더 큰 복잡성과 새로운 형태의 질서를 발견하고 있는 것이다.

고전 유체역학이 무너지는 것이 아니라, 고체 벽의 응집물질 물리학과 섞이게 되는 것이다.

이러한 스케일에서 나타나는 것은 무질서가 아니라, 액체와 고체 사이, 흐름과 구조 사이의 층위적인 상호작용이며, 이는 고전 이론으로는 결코 포착하지 못하는 것들이었다.

생물학이 먼저 여기에 와있었다.

액체, 특히 물(water)이 수 나노미터 규모에서 어떻게 행동하는지는 현대 물리학의 큰 미해결 과제 중 하나이다.

이것은 놀라운 인정이다. 유체역학(fluid dynamics)은 물리학에서 가장 오래되고 잘 이해된 주제 중 하나이지만, 많은 생물학적 과정들이 작동하는 바로 그 규모(scales)에서[1], 여전히 부분적으로만 이해되고 있다.

일부 실험에서 물이 탄소 나노튜브를 통해 예상보다 훨씬 빠른 속도로 흐르는 것이 관찰되었다.

이론과 실험 결과 사이의 이러한 차이는 결코 사소한 것이 아니다. 물은 예측에서 벗어나는 정도가 아니라, 예측을 훨씬 뛰어넘어, 마찰이 없는 속도로 탄소 나노튜브를 통과하고 있으며, 거시적 모델을 완전히 무용지물로 만든다. 이론은 단순히 개선이 필요했던 것이 아니라, 애초에 이러한 현상을 예측하는데 실패했던 것이다.

더욱 놀라운 것은, 이러한 질서정연한 유체 흐름이 분자 "파이프"들의 전자(electrons)들과 만날 때 일어나는 현상이었다.

나노 규모에서 물 분자들은 전자기적 결합을 통해, 채널 벽의 전자들과 상호 작용을 한다.

이 수준에서의 마찰은 분자 경계를 가로지르는 운동량의 공유된 교환이기 때문에, "수력-전자 항력(hydro-electronic drag)"이라는 현상이 발생한다. 물이 흐르면서 고체 벽 안의 전자들을 물리적으로 끌어당긴다. 이러한 흐름의 결합으로, 수력 에너지가 직접 전기 전류로 변환된다. 이는 액체의 운동과 전자의 흐름이 하나의 기능적 틀 안에서 통합적으로 작용하는 놀라운 다중 물리학(multi-domain physics)의 발현이다!

아이러니하게도, 이 과학자들은 생물학이 이미 완벽하게 이해하고 있는 물리학적 현상을 이해하려고 애쓰고 있었다 :

아쿠아포린(aquaporins)은... 세포막에 내장된 단백질 채널로, 이러한 분자 수준의 상호작용을 이용하여, 물은 통과시키고, 이온 및 기타 분자들은 차단한다.

이는 대략적인 행동(approximate behavior)이 아니다. 정밀하고, 선택적이며, 효율적인 행동이다. 인간 공학자들이 탄소 나노튜브를 만들기 훨씬 이전부터, 살아있는 세포들은 아쿠아포린이라는 거대하고 통합된 네트워크를 활용해왔던 것이다. 이 생물학적 채널(channels, 수로)은 정밀한 원자 구조를 이용하여 물 분자들을 일렬로 배열한다. 단백질 벽의 정확한 정전기적 및 양자적 경계를 이용함으로써, 이온을 제거하고, 양성자(protons)가 물 다리(water bridge)를 건너 점프하는 것을 막는 동시에, 중성 물 분자는 엄청난 속도로 통과할 수 있도록 해준다.

생명 시스템은 나노유체학에 대한 더 나은 이론을 기다릴 필요가 없다. 이미 그 안에서 완벽하고 능숙하게 작동되고 있었다.

설명이 관찰을 따라가지 못할 때

연구자들이 더 깊이 파고들수록 유체역학(fluid dynamics), 응집물질물리학(condensed matter physics), 양자역학(quantum mechanics) 등 여러 과학 분야가 서로 겹치는 부분이 많아진다. 학문 간 경계가 허물어지면서, 새로운 유형의 상호작용이 나타나는데, 그 결과는 놀랍다.

연구자들은 이러한 상호작용이 새로운 마찰 메커니즘을 만들어낸다는 사실을 발견했다.

이러한 점을 고려할 때, 마찰(friction)에 대한 우리의 뉴턴적 이해는 재고되어야 한다. 마찰을 완전히 없애는 것이 아니라, 분자 및 전자 경계를 넘어 운동량을 교환하는 결합 시스템의 관점에서 확장하고, 재정의해야 한다.

무슨 일이 벌어지고 있는 것일까? 기사에서 제시하는 답은 다음과 같다.

…이 메커니즘의 세부 사항은 아직 조사 중이다.

이러한 패턴은 바람직하다. 놀라운 현상이 발견되고, 그 메커니즘이 밝혀지지만, 과학적 설명은 관찰 결과를 따라가지 못한다. 과학에서는 바로 이런 것이 바람직한 것이다. 결과에 맞춰 서둘러 이론을 완성하려 하지 않고, 그 긴장감을 그대로 두고, 스스로 드러내도록 하는 것이다. 그리고 여기서 과학적 겸손함이 분명하게 드러난다.

전자들이 미세한 스케일에서 어떻게 행동하는지에 대해서는 많은 것들이 알려져 있지만, 액체에 대해서 아는 것이 거의 없다는 것은 역설적이다.

이 역설은 시사하는 바가 크다. 지식은 불균등하게 발전하며, 한때 단순하다고 여겨졌던 영역들도 자세히 살펴보면 예상치 못한 깊이를 드러낸다. 깔끔하고, 질서정연하며, 완벽해 보이는 유체역학 이론조차도 가장 기본적인 수준에서 수정의 여지가 있음을 보여준다.

현재 우리가 가지고 있는 방정식은 실험에서 관찰되는 현상을 설명하는 데 적합한 언어가 아니다.

이것이 중요한 전환점이다. 문제는 데이터 누락이나, 미해결 매개변수가 아니다. 문제는 개념적인 것이다. 기존의 프레임 틀, 심지어 현상을 설명하는데 사용되는 언어조차도 이러한 현상을 제대로 설명하지 못한다.

"아직 실험 결과가 너무 부족해서 확실한 결론을 내릴 수 없다."

"우리는 지금 모든 것이 어떻게 작동하는지 파악하고 있는 중이다."

하지만 초기 단계임에도 불구하고, 이 분야는 에너지 수확, 여과 기술, 심지어는 이전에는 불가능했던 정밀도로 생체 장기를 모방하는 인공 장기의 가능성까지 포함하여, 여러 응용 분야로 나아가고 있다. 이것이야말로 과학적 겸손의 진수이다. 관찰 결과는 실제적이고, 반복 가능하지만, 그 근본적인 이해는 여전히 불완전하며, 때로는 불가사의하기까지 하다. 따라서 경이로움, 탐구, 이론 구축은 열린 마음으로, 마주하는 현실에 의해 수정될 수 있는 상태로 남아 있는 것이다.

프로크루스테스의 패러다임

(*프로크루스테스의 패러다임(Procrustean Paradigm) : 그리스 로마 신화에 등장하는 악당 프로크루스테스의 이야기에서 유래된 것으로, 자신의 기준에 맞춰 남의 생각이나 환경, 현실을 억지로 뜯어고치려 하거나, 단일한 잣대만을 적용해 다양성을 훼손하는 사고방식)

여기서 중요한 것은 이론이 현실을 제대로 설명하지 못했기 때문에, 과학이 실패했다는 것이 아니다. 오히려 관측 결과가 설명을 앞질렀고, 이론은 여전히 수정의 여지가 있다는 것이다. 나노 스케일에서 물은 예측 불가능한 것이 아니라, 현재 이론으로는 설명할 수 없을 정도로 훨씬 더 풍부한 양상을 보인다는 것이다. 유체 이론의 성공이 이 분야를 종결시킨 것이 아니라, 나노 스케일에서 명확한 한계에 부딪혀, 학문의 방향을 재고하게 된 것이다.

나노유체학은 여전히 귀 기울이는 과학의 모습을 보여준다. 이는 현대 과학, 특히 진화생물학(evolutionary biology)이 보여주고 있는 불확실성에 대한 회피와 '종결 강박(Compulsion to Closure, 미완성된 상태나 불확실한 상황을 견디지 못하고, 조급하게 결론을 내리거나 종결을 지으려는 심리적 현상)'과는 극명한 대조를 보여주고 있다. 물리학자들은 아쿠아포린을 보고 자신의 이론을 데이터 앞에서 겸손하게 내려놓고, 이를 받아들이는 반면, 진화론자들은 그 놀라운 복잡성, 즉 물리학 자체를 정교하게 도구화한 생물학적 걸작을 보고서도, 그 모습을 미리 정해진 틀에 박힌 경직된 이야기(무작위적 과정에 의한 우연한 발생)으로 축소해 버린다.

진화생물학에서 이론은 현실(새로운 관찰들)에 의해 확장되는 경우가 드물다. 오히려 현실은 낡고 환원주의적인 패러다임이라는 틀에 억지로 끼워 맞춰진다. 해결되지 않은 예외적인 현상들은 그럴듯한 설명으로 덮어지고, 반대 의견은 더 깊은 탐구의 기회로 여겨지기보다는, 정통 교리를 어기는 행위로 취급된다. 이러한 '종결 강박'은 성급한 합의를 완성된 진실로 착각하고, 열린 탐구의 정직함보다는, 고정된 체계의 안락함을 선호한다.

나노유체학이라는 비교적 새로운 분야에서는 현실이 기존 이론에 부합하지 않는다. 오히려 이론은 현실에 맞춰 확장되고 있다. 양자역학은 진정한 과학은 관찰된 것과 이해된 것 사이의 간극에서 번성한다는 사실을 일깨워준다. 이는 우리에게 자연 세계의 눈부시고 초효율적인 메커니즘을 바라볼 때, 그것을 우리가 선호하는 이념적 틀에 억지로 끼워 맞추려는 의도를 자제하고, 그 작동 원리를 아직 완전히 이해하지 못하고 있다는 사실을 겸손하게 인정하는 자세를 갖도록 해야 할 것이다.

Footnotes

[1] It is, for me at any rate, a delicious irony that what we call “the sciences,” classically discrete for many years, are now being forced together again by the nature of reality itself. Nano-scale fluid dynamics is not just physics, but physics and biology and chemistry, etc.

*참조 : 세포에는 배터리 방울이 들어있다.

https://creation.kr/LIfe/?idx=169939880&bmode=view

세포의 운반체들은 적대적 영역을 횡단한다.

https://creation.kr/LIfe/?idx=155749780&bmode=view

세포 핵막의 경이로운 핵공 : 빈 구멍이 아닌, 일종의 스마트게이트였다.

https://creation.kr/LIfe/?idx=172099707&bmode=view

수십억 개의 생체 나노기계들은 그리스도의 솜씨를 드러낸다.

https://creation.kr/LIfe/?idx=17056027&bmode=view

활성 물질 : "무질서한" 단백질에서 새롭게 발견된 질서

https://creation.kr/LIfe/?idx=172269514&bmode=view

세포 안에 중앙 컴퓨터가 들어있다.

https://creation.kr/LIfe/?idx=169464203&bmode=view