생명체의 세포와 반도체에 작동원리

인간은 항시 생각, 감정, 감각을 느낀다. 그리고 그중 쓸모 있는 것을 세포를 통해 '기억'으로 만들어 반복적으로 재활용한다

고작 약 1.5kg의 무게로 80%의 물과 약간의 지방과 단백질로 이루어져 있는 '뇌'라는 평범해 보이는 물질이 어떻게 이러한 작용을 일으킬 수 있는지 놀라울 따름이다

 

뇌의 핵심적인 요소는 1000억개 가량이된다는 뉴런들끼리의 '상호작용'이라고 볼 수 있다

뉴런들끼리 상호작용을 이어주는 역할을 하는 것을 '시냅스'라고 부른다. 뉴런하나에 1000가지의 시냅스가 뻗어있다고 가정하면, 얼추 사람 뇌 속엔 대략 100조 개의 시냅스가 존재하게 될 것이란 계산이 나온다

• 뉴런은 전기 신호로 정보를 주고받고
• 심장세포는 전기적 활동으로 심장박동을 만들고
• 근육세포도 전기 자극을 통해 수축한다

 

그렇다면 전자의 움직임, 전기신호란 무엇인가? 100조개의 시냅스라니, 벌써부터 골이 아파지는것같다

하지만, 걱정하지 말길바란다. 나뭇가지를 흔드는 보이지않는 바람을 상상하는것처럼 생각을 다양하고 깊게하는 연습을통해 다양한 분야의 맥락을 동시에 직관할 수 있는 효율성을 획득할 수 있다

 

왜냐하면 철학을통해 사물의 본질적인 부분을 꾸준히 관심 가지다보면 통찰력이 강해지고, 관련없어 보이는 각 학문들과의 체계가 연결되는 부분을 발견하게 되기때문이다

 

마찬가지로 요즘 시대적흐름으로 인해 AI니 엔비디아 반도체집이니, 100세시대, 헬스케어니 뭐니하면서 이러한 키워드가 폭팔적인 속도로 증가하고있다

생리학과 반도체칩의 공통적인 부분을 이해하고 최종적으로 생명체의 '의식'과 '정보처리'에 근원적인 근간이되는 '전자'에 대해서 알아보자. 추후 호기심만 채우고 나올것인지, 더 깊게 파고들것인지는 본인 선택이다

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세포에는 반도체처럼 전류 흐름을 '제어'하는 시스템이 있다

이온의 이동은 물리시간에 배우듯 전류와 동일한 개념이다

단, 반도체처럼 실리콘 기반의 회로는 아니고, 이온과 단백질 채널을 이용한 '생체 전류 시스템'이다

예를 들어 세포 내부 또는 외부에 전극을 설치하고 전압을 걸어 전류를 측정하는 방식으로 그 전하의 흐름을 추적한다

특정채널을 제대로 파악하기 위해서는 다른 채널을 약물로 막아두고 측정하면 보다 정확한 데이터를 얻을 수 있다

 

전류	전자(e⁻)	이온(Na⁺, K⁺, Ca²⁺ 등)
게이트/스위치	트랜지스터	이온 채널, 이온 펌프, 리간드/전압 게이티드 채널
회로 제어	전압, 논리회로	막 전위, 리간드(신호물질), 전압 변화 등
전류 흐름의 통제	고/저 전압 스위칭	채널 열림/닫힘 조절 (전압, 신호전달)

대표적으로 2가지 방식이 존재하는데, 위에 말했듯 미네랄이온과 단백질 채널을 이용한 '생체 전류 시스템'이 있고 도파민이나, 세로토닌, 아세틸콜린 같은 '신경전달 화학물질'을 활용한 방식이 있다

 

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2023.04.25 - [origin/음양오행] - 음양오행 이론 한방에 이해하기

모든 것은 결국 음양원리로 돌아가고 있고, 이것은 생명체 역시 마찬가지라고 볼 수 있다

동양철학은 과학적 배경지식이 부족한 사람들이 복잡한 이론들을 거시적인 해석으로나마 이해할 수 있도록 고안되었을 뿐이지, 제대로 된 스승을 만나 공부하게 된다면 마냥 허무맹랑한 소리를 하는 것이 아니라는 것을 알 수 있다

 

물론 준비가 돼있거나 애정이 있는 사람들 한태는 보다 세세히 알려주려 하겠지만, 가르치는 사람입장에서도 수준차이가 너무 나면 미네랄이나 이온, 나트륨 펌프나 atp시스템을 들먹이는 것보다 차라리 음양의 큰 그림을 그려주는 것이 훨씬 효율적이기도 하다

어떤 분야에 선생이든 일단 싹수(재능)보다는 인성을 근본으로 보는 것은 다 그만한 이유가 있다

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1. 전압을 통한 이온채널 스위치

 

본론으로 들어가서 가지돌기 쪽 즉 신경세포 안쪽에는 항시적으로 휴식상태인 음전하 비율이 훨씬 많고, 세포 밖에는 양전하가 많다. 애초에 이미 세포의 안과 밖에 전압이 걸려있는 뜻이다. 따라서 어떤 자극이 들어와서 세포막의 이온 통로가 열리면 자유확산에 따라 양전하가 세포내로 이동하게 되고 이것이 신경세포가 전기를 전달할 수 있는 에너지원이 된다

 

그럼 왜 신경세포 안에는 음전하가 많고, 밖에는 양전하가 많냐하면 신경세포막에 '나트륨-칼륨 펌프'가 있는데, 얘가 평소에 열심히 ATP를 써서 양전하를 밖으로 퍼나르고 음전하를 안으로 퍼날라서 세포 안과밖의 전위차를 만들어 놓기때문이다

왜 우리'뇌'가 그렇게 단짠에 환장하는지 알 수 있는 부분이다.(단맛 :고용량atp, 짠맛 : 나트륨)

2024.05.07 - [과학/생리학] - 생명체의 공통 화폐 달러 ATP The common currency of life is the dollar

 

 

 

이 펌프의 역할을 담당하는 것이 나트륨 칼륨펌프 시스템이다

나트륨 칼륨펌프는 세포의 대표적인 전기스위치라고 볼 수 있다. 참고로 필자가 예전부터 누누이 저염식의 위험성을 강조한 바가 있었는데, 아무래도 요즘 사람들은 과학적인 용어만 팩트로 받아들이는 경향이 있기 때문에, 최대한 시대를 반영하여 글을 쓰고자 한다

 

2024.06.21 - [과학/생리학] - 저염식의 위험성 심신의 중도(中道) 2024.06.16 - [과학/생리학] - 저염식의 위험성 이소룡 사망원인은 소금 부족으로 인한 뇌부종

나트륨, 칼륨펌프는 생명활동의 가장 기초가 되는 신경전달 부분에서 기저에 깔린 근간이 되는 작용이고, 만약 생명체의 소금이 부족하게 된다면 이러한 신경전달이 제대로 될 리가 만무하다. 작동기전은 세포의 상호작용에서 전위가 일정 수준 이상으로 차이가 나게 되면 채널이 열리고 닫히면서 하는 식이다. 신경세포에서 Na⁺ 채널이 열려 전기 신호(활동전위)를 만듦

 

 

예 : 전압 변화 → Na⁺ 채널 열림 → Na⁺ 유입 → 더 큰 전압 변화 → 다음 채널 열림 → 전기 신호 전파

 

2. 신경전달물질 채널

• 특정 화학물질(예: 아세틸콜린,도파민,세라토닌)이 채널에 붙으면 열림.
• 주로 신경전달물질에 반응해서 근육이나 다른 세포가 반응하게 함.

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결론 : 펌프와 채널 조합,  유기체 시스템이 훨씬 복잡함

• Na⁺-K⁺ 펌프 : 세포막 전위 유지
• 전압채널 : 트리거 조건에 따라 열림
• 신경전달물질,호르몬 채널 : 특정 상황에서만 작동
  이런 조합으로 세포는 "조건부 반응", "흥분-억제", "정보 저장" 등 복잡한 기능 수행한다

 

생명체, 반도체 둘다 전하(이온 또는 전자)의 흐름을 이용한고, 둘 다 전위차(전압 차이)를 이용해서 신호를 만든다

또한 둘 다 열리고 닫히는 구조를 통해서 (세포는 이온채널, 반도체는 트랜지스터)로 연산,신호를 통제하는 작동원리를 보이기때문에 '전자'만을 제어하는것으로 봤을때 비슷한 작동원리로 보이기도하고, 반도체가 수치상 반응속도가 더 빠르기때문에 속도면에서 우월한것 아니냐? 라고 반문할수도있다

 

하지만 사람의 지능을 단순히 계산기처럼 연산능력 하나만으로 평가하지 않듯이, 트랜지스터가 실제로 연산능력이 빠르긴하지만 세포의 이온 채널은 상황을 봐가면서 열고 닫는다는점에서 자체적인 판단력을 지니고있는 살아있는 문지기같은 느낌이 강하기도하다

 

그래서 이러한 생명체가 지니고있는 압도적 기술적 우월성때문에 최근에는 신경세포와 최대한 흡사한 반도체를 만들고자하는 '뉴로모픽 반도체'를 연구중이라고한다. 이유는 세포의 유도리있는 스위칭을 흉내내서 기존의 반도체보다 더 자연스러운 신호처리를 하기 위해서이다

 

그러니 결론적으로 세포는 반도체처럼 단순하게 전자만을 제어하는 전기 신호 전달 메커니즘이 아니고, 이온등이 복잡하게 오고가면서 생명활동을 하는것과 전기신호외에도, 화학적 대사, 에너지 생산, 자체복원같은 수많은 생명 유지 활동이 동시에 벌어지기때문에 전체적인 큰 그림으로 보면 세포가 훨씬 더 복잡하고 진보된 기술이라고 결론내릴 수 있어보인다

 

 

뉴런-신경세포