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새는 정말 지구 자기장을 ‘볼’까 — 양자효과가 따뜻한 생체에서 작동할지 모른다는 가설을 따라
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양자역학이라는 말은 보통 절대영도에 가까운 차가운 실험실, 진공 챔버, 정교하게 격리된 장치를 떠올리게 한다. 양자 효과는 따뜻하고 시끄럽고 물에 젖은 환경에서 순식간에 무너진다고 배웠기 때문이다. 그런데 가을 밤하늘을 가로질러 수천 킬로미터를 날아가는 한 마리 울새의 눈 속에서, 바로 그 양자 효과가 매일 밤 일어나고 있을지 모른다.
이 글은 그 놀라운 가설을 따라간다. 새가 지구 자기장을 "본다"는 발견에서 출발해, 빛에 의존하는 라디칼쌍 메커니즘과 크립토크롬이라는 단백질 후보를 거쳐, 그리고 — 정직하게 — 이것이 아직 유력한 가설일 뿐 확정된 사실이 아니라는 데까지. 경이와 회의를 동시에 들고 가는 것이 이 이야기의 핵심이다.
동물이 자기장을 감지한다는 생각은 처음에는 비웃음을 샀다. 1800년대에 처음 제기됐을 때 수십 년간 그저 생물학적 미신으로 치부됐다 (PMID 35677648). 흐름을 뒤집은 것은 1960~70년대의 우아한 행동 실험들이었다. 새를 코일 시스템 안에 넣고 자기장의 방향을 인위적으로 돌리자 새들도 정직하게 방향을 바꿔 앉았다. 자기 감각이 실재한다는 것이 결정적으로 증명된 것이다 (PMID 35677648).
오늘날 자기 감각(magnetosensation)은 동물계 전반에 널리 퍼져 있다고 인정된다. 새뿐 아니라 물고기, 거북, 양서류, 곤충, 심지어 박테리아까지 — 어쩌면 가장 오래된 감각 중 하나일지 모른다 (PMID 41902539, PMID 31054161). 그런데 한 가지가 끝내 풀리지 않았다. 그 감각을 담당하는 수용체가 어디에 있고 어떻게 작동하는지가 여전히 미궁이다. 자기 감각은 명확한 수용체가 밝혀지지 않은 유일한 감각이라고까지 불린다 (PMID 40207401).
가장 먼저 짚어야 할 특이점이 있다. 새의 자기 나침반은 우리가 쓰는 기술 나침반과 작동 원리가 다르다. 우리 나침반은 자기장의 극성(어디가 북극인지)을 읽는다. 그런데 새의 나침반은 극성이 아니라 자기력선이 지표면과 이루는 기울기(inclination)를 읽는다. 이른바 '경사 나침반(inclination compass)'이다 (PMID 34093230).
자기 경사각은 극에서 ±90도, 적도에서 0도다. 새는 이 각도로 "극 쪽"과 "적도 쪽"을 구분한다. 이 특이성은 단순한 디테일이 아니라 메커니즘에 대한 강력한 단서다. 경사 나침반은 자기력선의 극성을 무시하고 축 방향만 읽기 때문이다.
이것이 실제로 어떻게 드러나는지 보여주는 실험이 있다. 가을 이주 중 일부 새는 자기 적도를 넘는데, 그곳에서는 자기력선이 수평이라 경사각이 0도가 된다. 이때 새의 나침반은 모호해진다 — "극 쪽"과 "적도 쪽"을 더 이상 구분할 수 없기 때문이다. 보보링크와 정원솔새는 수평 자기장에 노출되면 적응적으로 방향을 바꿨다. 그런데 늪개개비와 알락딱새에게 같은 실험을 하자 그런 반응이 없었고, 연구진은 종마다 의존하는 단서가 다를 수 있다고 결론지었다 (PMID 39887299). 경사 나침반조차 보편 모델이 아닌 셈이다.
또 하나의 핵심 단서는 빛 의존성이다. 새의 자기 나침반은 단파장(파랑) 빛을 필요로 하고, 빨간 빛 아래서는 작동하지 않는다 (PMID 34093230). 단순한 자석 입자라면 빛이 왜 필요하겠는가. 바로 이 빛 의존성이 다음 주인공 — 빛으로 작동하는 광화학 반응 — 을 무대로 불러낸다.
새의 나침반 뒤에 있다고 가장 유력하게 지목되는 것이 '라디칼쌍 메커니즘(radical pair mechanism, RPM)'이다. 직관에 반하지만 차근차근 따라가면 아름답다.
파란빛이 망막의 어떤 분자를 때리면 전자 하나가 한 자리에서 다른 자리로 점프한다. 그 결과 짝을 이루지 않은 전자를 각각 하나씩 가진 분자 두 개 — 라디칼쌍 — 가 만들어진다 (PMID 34163056). 두 전자의 스핀은 처음에 양자역학적으로 상관(correlated)돼 있어서, '싱글릿'과 '트리플릿'이라는 두 상태 사이를 양자 결맞음(coherence)을 유지하며 끊임없이 오간다 (PMID 31480921).
여기서 마법이 일어난다. 지구 자기장처럼 극도로 약한 자기장조차 이 싱글릿↔트리플릿 변환 속도에 영향을 줄 수 있다. 그 결과 화학 반응의 산물 비율이 달라지고, 이 비율은 자기장이 분자에 대해 어느 방향으로 걸려 있느냐에 따라 변한다 (PMID 31480921). 놀라운 점은 이 효과를 일으키는 자기 에너지가 열에너지(kBT)보다 100만 배나 작다는 것이다 (PMID 31539011). 고전물리로는 설명하기 어렵다. 실제로 한 이론 연구는 라디칼쌍의 비등방적(방향 의존적) 자기장 효과를 정확히 시뮬레이션하려면 반고전 근사로는 부족하고 완전한 양자역학 계산이 필요하다고 보고했다 (PMID 31539011).
이 메커니즘이 정말 경사 나침반처럼 행동할 수 있을까. 한 실험은 새의 자기장과 비슷한 세기(마이크로테슬라 수준)에서 인공 분자 삼합체(triad)를 만들어 시험했는데, 그 화학적 나침반 반응이 실제로 새에게서 발견되는 경사 나침반의 특성을 보였다 (PMID 31420558). 메커니즘의 원리적 타당성을 보여준 셈이다.
그렇다면 새의 눈 속에서 그 라디칼쌍을 만드는 분자는 무엇일까. 가장 유력한 후보가 크립토크롬(cryptochrome)이라는 단백질이다. 청색광을 감지하는 플라보단백질로, 식물·동물·박테리아 전반에 퍼져 있고 원래는 생체시계(일주기 리듬)를 조절하는 것으로 잘 알려져 있다 (PMID 33904789).
크립토크롬에는 FAD(플라빈 아데닌 디뉴클레오타이드)라는 보조인자가 들어 있다. 파란빛이 이 FAD를 들뜨게 하면 단백질 안에 늘어선 트립토판 잔기 사슬을 따라 전자가 순차적으로 이동하며 일련의 라디칼쌍이 만들어진다 (PMID 34093230). 새의 망막에서 ErCry4 같은 크립토크롬은 FAD와 트립토판 잔기 사이의 전자 이동을 통해 자기 감수성 라디칼쌍을 생성한다 (PMID 41697250).
결정적인 한 실험이 후보군을 좁혔다. 연구진은 야간 이주성 명금류인 유럽울새의 크립토크롬 4(CRY4)를 시험관에서 발현시켜 그 광화학이 실제로 자기장에 민감함을 보였다. 더 중요한 것은 울새의 CRY4가 이주하지 않는 닭·비둘기의 CRY4보다 더 자기 민감했다는 점이다 (PMID 34163056). 부위별 돌연변이 실험은 네 개의 연속된 플라빈-트립토판 라디칼쌍이 자기장 효과를 만들고 신호 상태를 안정화하는 역할을 한다고 밝혔다 (PMID 34163056). 새의 망막에는 다섯 종류의 크립토크롬이 있는데, 그중 Cry4a가 광수용체 세포의 외절(outer segment)에 위치하고 FAD를 충분히 결합한다는 점에서 가장 유력한 자기수용체로 꼽힌다 (PMID 34093230, PMID 33904789).
정황 증거도 쌓였다. ErCry4a가 광수용체 세포 외절의 질서정연한 막에 규칙적으로 결합한다는 것이 확인됐는데, 이런 비등방적(방향성 있는) 부착은 자기 나침반이 작동하는 데 필요한 조건이다 (PMID 39982451). FAD 결합 자체가 정전기적 상호작용에 의존한다는 구조적 통찰도 나왔다 (PMID 41697250). 자기 어류(대서양 청어)와 초파리에서도 비슷한 크립토크롬 기반 메커니즘이 제안됐다 (PMID 38835248, PMID 36813962).
여기까지만 보면 사건은 거의 해결된 것 같다. 빛이 크립토크롬을 때리고, 라디칼쌍이 생기고, 자기장이 스핀을 흔들고, 새가 방향을 안다. 하지만 정직한 과학자라면 멈춰 서야 한다. 이 그림에는 메우지 못한 구멍이 많고, 진지하게 경쟁하는 대안들도 있다. 이 분야가 "지배 가설(ruling hypothesis)"의 위험에 빠져 있을 수 있다는 경고까지 나왔다 (PMID 40207401).
라디칼쌍 메커니즘의 핵심은 양자 결맞음이다. 그런데 살아 있는 새의 눈은 따뜻하고(체온) 시끄럽다(끊임없는 분자 운동). 이런 환경에서 양자 결맞음이 의미 있는 시간 동안 버틸 수 있느냐가 가장 근본적인 의문이다.
이론적으로 라디칼쌍 효과가 유의미하려면 스핀 결잃음(decoherence) 시간이 충분히 길어야 한다. 한 연구는 크립토크롬 유사 단백질 속 자기 감수성 라디칼쌍의 결잃음 시간을 수~수십 나노초로 추정했다 (PMID 40826580). 다른 연구는 ErCry4a에서 분자 내부 운동이 일으키는 스핀 이완이 결맞음을 갉아먹는다는 것을 보였다 (PMID 38668824). 또 단백질 안 두 전자 사이의 쌍극자 상호작용(EED)이 자기 감수성을 오히려 억제할 수 있다는 지적도 있다 — 단순한 라디칼쌍 모델에 대한 실질적 도전이다 (PMID 32141754).
이 난관을 넘으려는 이론적 제안이 여럿 나왔다. 비반응성 세 번째 라디칼을 더하거나 (PMID 32141754), 초산화물(superoxide)을 짝으로 쓰거나 (PMID 38204818), 양자 제논 효과를 활용하는 (PMID 39737951) 방식들이다. 흥미롭게도 한 시뮬레이션은 라디칼이 단백질 안에서 움직이면(동적 환경) 오히려 자기 감수성이 높아질 수 있다고 봤다 (arXiv:2206.07355, 동료심사 전 프리프린트). 다만 이 모든 것은 여전히 "어떻게 가능할까"를 탐구하는 단계이지 "이렇게 작동한다"를 입증한 단계가 아니다.
가장 아픈 곳은 여기다. 크립토크롬이 자기장에 민감하다는 증거는 대부분 시험관(in vitro) 실험에서 나온 반면, 살아 있는 새(in vivo) 안에서 그것이 실제 자기 감각을 만든다는 직접 증거는 부족하다. 시험관의 광화학 데이터와 살아 있는 동물의 행동 데이터 사이에는 오랜 갈등의 역사가 있다 (PMID 33993574).
라디칼쌍 메커니즘의 진단 시험으로 여겨져 온 것이 '라디오파(RF) 교란' 실험이다. 약한 라디오파 자기장을 지구 자기장 위에 겹치면 새가 방향을 잃는데, 이것이 라디칼쌍 메커니즘의 지문으로 받아들여졌다 (PMID 37399422). 실제로 검은머리휘파람새 실험에서 75~85MHz 라디오파가 자기 방향성을 교란했고, 연구진은 이를 강력한 증거로 봤다 (PMID 37399422). 하지만 같은 패러다임에서 정반대 결과도 나왔다. 정원솔새의 눈에 작은 코일로 진동 자기장을 직접 겨눴더니 새가 방향을 잃지 않았고, 오히려 큰 정지형 코일로 전체에 걸었을 때만 혼란스러워했다 — 연구진은 자기 방향 교란이 눈 속 광화학 수용체와 관련이 없을 수 있다고 결론지었다 (PMID 32103061).
모델 동물에서도 균열이 생겼다. 초파리는 야생 새의 유전자 조작이 어려운 탓에 라디칼쌍 가설의 대리 모델로 동원돼 왔다. 그런데 9만 7천여 마리의 초파리를 대상으로 한 대규모 정밀 연구는 어떤 자기 민감 행동도 발견하지 못했고, 앞선 영향력 있는 연구들의 결과 상당수가 위양성(false positive)이었을 수 있다고 결론지었다 (PMID 37558871). 곤충 자기 감각의 분자적 기반은 여전히 "기계론적 통찰을 향한 외침(a Cry for mechanistic insights)"이라는 평이 나올 정도다 (PMID 37184693).
이 분야는 스스로를 정정해 온 역사도 있다. 한때 "울새의 자기 나침반은 오른쪽 눈에만 있다"는 보고가 정설처럼 받아들여졌지만, 이후 이중맹검 프로토콜로 재현을 시도하자 울새는 양쪽 눈 어느 쪽으로도 자기 방향을 잡았고 뚜렷한 측면화는 관찰되지 않았다 (PMID 21455128). 유력해 보이던 결론도 더 엄격한 실험 앞에서 흔들린 것이다.
크립토크롬 자체에 대해서도 신중론이 있다. 울새의 또 다른 크립토크롬 동형체 ErCry4b는 시험관에서 FAD를 결합하지 못했고 망막에서 검출되지 않아, 라디칼쌍 자기 센서의 전제 조건을 충족하지 못하는 것으로 보고됐다 (PMID 40829642). 울새 크립토크롬 1은 FAD를 결합하지 않으며 자기수용이 아니라 생체시계 조절자라는 구조 연구도 나왔다 (PMID 41488359). 포유류 크립토크롬이 자기수용체라는 생각에는 "오해(misconception)"라는 직설적인 반론까지 붙었다 (PMID 37670767).
크립토크롬/라디칼쌍이 유일한 후보도 아니다. 자기 감각의 메커니즘으로는 크게 세 갈래가 경쟁한다 (PMID 41902539).
흥미로운 절충안도 나온다. 한 2026년 연구는 라디칼쌍 화학과 자철석 나노입자를 결합한 하이브리드 센서를 제안했다 — 자철석이 지구 자기장을 증폭하고 그 강해진 장을 근처 라디칼쌍이 읽는 식으로, 라디칼쌍 단독보다 10~100배 높은 민감도를 낼 수 있다는 것이다 (PMID 41712640).
가장 근본적인 경고는 과학 자체의 태도를 향한다. 한 논평은 동물 자기수용 분야 — 특히 라디칼쌍·크립토크롬 기반 메커니즘 — 가 '지배 가설'의 통치 아래 있을 수 있다고 지적했다. 좋아하는 가설을 채택하면 과학자는 그것에 유리하게 자료를 해석하고 모순되는 데이터를 거부하는 경향이 생긴다는 것이다. 이 논평은 자기수용 분야에서 결론이 제시된 결과와 일관되지 않은 경우가 반복된다고 비판했다 (PMID 40207401). 자기 감각의 여러 통념을 비판적으로 점검한 또 다른 글도 크립토크롬과 자철석 모두에 대해 성급한 단정을 경계했다 (PMID 35677648).
회의를 다 늘어놓고 나면 도리어 그림이 선명해진다. 부정할 수 없는 사실들이 있다. 새는 분명히 자기장을 감지하고 (PMID 35677648), 그 나침반은 극성이 아니라 경사를 읽으며 (PMID 34093230), 단파장 빛을 필요로 한다 (PMID 34093230). 빛 의존성은 광화학 메커니즘 — 즉 라디칼쌍 — 을 강하게 시사한다.
그리고 라디칼쌍 메커니즘은 단순히 새 이야기에 그치지 않는다. 약한 자기장이 생체에 미치는 광범위한 효과 — 식물 성장, 세포 내 칼슘과 활성산소(ROS) 조절, 심지어 미토콘드리아 생체에너지학까지 — 를 설명하는 통합 모델 후보로 떠올랐다 (PMID 35919980, PMID 41331283). 플라나리아에서 초산화물 농도가 약한 자기장 세기에 따라 비단조적으로 변하는 현상이 라디칼쌍 모델의 예측과 일치했고 (PMID 39605635), 살아 있는 선충(C. elegans)에서 라디오파로 스핀 상관 라디칼쌍 동역학을 제어한 실험은 생체 내 라디칼쌍의 결맞음 시간이 4나노초보다 길다는 것을 시사했다 (PMID 41851455). 양자 효과가 한때 생체에서 무시해도 된다고 여겨졌지만, 점점 다양한 생체계에서 역할을 한다는 증거가 쌓이고 있다 (PMID 42152727).
새의 눈 속 나침반 이야기가 흥미로운 건 두 가지를 동시에 보여주기 때문이다. 하나는 자연이 따뜻하고 시끄러운 환경에서도 양자 효과를 활용할 수 있을지 모른다는 경이. 다른 하나는 그것이 아직 입증되지 않은 — 매혹적이지만 미완의 — 가설이라는 과학적 정직함이다. 라디칼쌍·크립토크롬은 지금 가장 유력한 후보이지만, 자기 감각은 여전히 명확한 수용체가 밝혀지지 않은 유일한 감각으로 남아 있다 (PMID 40207401). 가을밤 울새가 정확히 무엇으로 길을 찾는지, 그 답은 아직 하늘에 떠 있다.
이 글은 빠르게 발전하고 여전히 활발히 논쟁 중인 분야를 다룹니다. 라디칼쌍·크립토크롬 메커니즘은 현재 가장 유력한 가설이지만 확정된 사실이 아니며, 인용한 근거 중 일부는 동료심사 전 프리프린트(arXiv)로 추후 결론이 바뀔 수 있습니다.
발견·개관
경사 나침반·빛 의존성
라디칼쌍 메커니즘
크립토크롬·CRY4
문제 ① 결맞음·이완
문제 ② in vitro–in vivo 간극
문제 ③ 경쟁 가설
문제 ④ 메타 비판
남는 의의·확장