과학 포털 iKAOS

3 Contents

[명강 리뷰] 우리는 빛을 어떻게 인지할까? - 빛의 인식 by 최철희ㅣ2015 가을 카오스 강연 '빛, 색즉시공' 3강

투명인간이 실제로 존재한다면 그는 역설적으로 세상을 볼 수 없을 것입니다. 시각의 기본 원리는 빛을 흡수하여 에너지로 변환하는 것인데, 투명하다는 것은 빛이 아무런 방해 없이 몸을 통과한다는 의미이기 때문입니다. 또한 우리 눈은 카메라처럼 암실 구조를 갖추고 있어 정면에서 들어오는 빛만을 선택적으로 받아들입니다. 만약 투명인간의 눈에 이러한 차단막이 없다면, 사방에서 들어오는 빛이 망막에 뒤섞여 상을 맺지 못하게 됩니다. 결국 빛을 인지하기 위해서는 빛을 가두고 흡수할 수 있는 불투명한 존재가 되어야만 시각 형성이 가능해집니다. 전자기파의 넓은 스펙트럼 중에서 인간이 가시광선만을 볼 수 있는 이유는 지구 환경과 에너지의 적절성 때문입니다. 태양에서 방출되어 지구 대기를 통과해 지표면에 도달하는 빛의 대부분이 가시광선 영역이기에, 생명체는 가장 풍부한 재료를 활용하도록 진화했습니다. 또한 가시광선은 분자의 화학적 구조를 변화시키기에 딱 적당한 에너지를 가지고 있습니다. 적외선은 에너지가 너무 약해 화학적 변화 대신 열을 발생시키는 데 그치고, 자외선 이상의 고에너지 빛은 세포를 파괴하거나 이온화시켜 생체 조직에 치명적인 해를 입힐 수 있기 때문입니다. 우리가 빛을 감지하는 과정의 핵심은 '레티날'이라는 화학 물질의 변형에 있습니다. 비타민 A의 유도체인 레티날은 평소 굽어 있는 형태를 유지하다가 빛 에너지를 받으면 팔을 쭉 펴는 것처럼 구조가 바뀝니다. 이러한 미세한 분자적 변화가 '옵신'이라는 단백질에 전달되어 신경 신호를 생성하게 됩니다. 당근에 풍부한 비타민 A가 눈 건강에 중요하다는 사실은 과학적으로 매우 타당한 셈입니다. 결국 시각이란 외부의 빛 에너지를 우리 몸이 이해할 수 있는 화학적, 전기적 신호로 번역하는 정교한 광화학 반응의 결과물이라고 할 수 있습니다. 인간의 망막에는 어두운 곳에서 형태를 인식하는 간상세포와 밝은 곳에서 색을 구별하는 원추세포가 존재합니다. 특히 원추세포는 빨강, 초록, 파랑의 세 가지 빛에 반응하여 이들의 조합을 통해 수만 가지 색상을 만들어냅니다. 흥미로운 점은 이러한 세포들의 분포입니다. 색을 감지하는 세포들은 주로 망막의 중심부에 밀집되어 있어 우리가 사물을 정확히 응시할 때만 선명한 색상을 볼 수 있습니다. 반면 주변부에는 간상세포가 많아 밤에는 곁눈질로 보아야 물체를 더 잘 인식하게 되는데, 이는 우리 눈이 환경에 맞춰 최적화된 구조를 갖추고 있음을 보여줍니다. 생명체의 시각 능력은 생존 환경에 따라 각기 다르게 진화해 왔습니다. 과거 포유류는 공룡을 피해 야행성 생활을 하며 색 인지 능력을 일부 상실했으나, 영장류로 진화하며 잘 익은 열매를 찾기 위해 다시 삼색형 색각을 갖게 되었습니다. 반면 갯가재의 일종인 맨티스 쉬림프는 무려 12가지의 색각 수용체를 가지고 있어 인간이 상상할 수 없는 다채로운 세상을 봅니다. 심지어 이들은 빛의 편광 상태까지 파악하여 투명한 먹잇감을 사냥하기도 합니다. 이처럼 시각은 단순히 빛을 보는 것을 넘어, 각 생명체가 세상과 소통하기 위해 선택한 독특한 창문과 같습니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[강연] 우리는 빛을 어떻게 인지할까? - 빛의 인식 (3) _최철희 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 3강 | 3강 ③

우리가 사물을 보는 과정은 빛이라는 물리적 에너지를 화학적 신호로 변환하는 정교한 메커니즘에서 시작됩니다. 안구의 앞부분이 렌즈 역할을 하여 초점을 맞추면, 빛은 망막에 도달해 비타민 A 유도체인 레티날과 옵신을 자극합니다. 이 과정에서 발생하는 전기화학적 신호는 시신경을 통해 대뇌로 전달되어 비로소 우리가 색과 형태를 인지하게 됩니다. 망막에는 명암을 구분하는 간상세포와 색을 감지하는 원추세포가 있어, 빛의 정보를 안테나처럼 수집하여 뇌가 처리할 수 있는 데이터로 바꾸어 줍니다. 인간은 빨강, 초록, 파랑의 세 가지 원추세포를 통해 수많은 색상을 조합해 인지합니다. 하지만 대부분의 포유류는 두 가지 색소만을 가져 적색과 녹색을 잘 구별하지 못합니다. 이는 진화의 역사와 깊은 관련이 있는데, 공룡이 지배하던 시절 포유류의 조상들이 야행성 생활을 하며 색 구별 능력을 포기했기 때문입니다. 이후 영장류로 진화하며 붉은 과일을 찾기 위해 다시 녹색과 적색을 구별하는 능력을 발달시킨 것으로 보입니다. 이러한 진화적 선택은 우리가 세상을 다채롭게 바라보는 기초가 되었습니다. 자연계에는 인간보다 훨씬 복잡하거나 독특한 시각 체계를 가진 생명체들이 존재합니다. 곤충은 자외선 영역을 볼 수 있어 꽃의 위치를 파악하며, 새들은 네 종류의 색소를 가져 인간보다 더 화려한 세상을 경험합니다. 특히 갯가재의 일종인 맨티스 쉬림프는 무려 12종류의 색소를 보유하고 있어 빛의 편광까지 감지할 수 있습니다. 이는 투명한 먹잇감을 사냥하기 위해 최적화된 결과입니다. 이처럼 시각은 각 생명체가 처한 환경과 생존 전략에 맞춰 각기 다른 방식으로 정교하게 진화해 왔음을 알 수 있습니다. 시각 인지 능력은 유전적 요인에 의해서도 차이를 보입니다. 적색을 감지하는 옵신 유전자는 X 염색체에 위치하기 때문에, 남성이 여성보다 적록색맹이 나타날 확률이 훨씬 높습니다. 흥미로운 점은 위대한 화가 고흐 역시 색맹이었을 가능성이 제기된다는 것입니다. 그의 작품을 색맹의 시각으로 변환해 보면 일반인이 보는 것과 유사한 색감을 띠기도 합니다. 이는 시각적 한계가 예술적 창의성을 가로막지 않으며, 우리가 보는 세상이 절대적인 것이 아니라 각자의 감각 기관이 해석한 결과물임을 시사합니다. 눈의 탄생은 생명체의 진화 속도를 비약적으로 앞당겼습니다. 포식자를 피하기 위해 이동 속도가 빨라졌고, 몸을 보호하기 위한 골격이 발달하기 시작했습니다. 또한 시각은 번식을 위한 유혹의 수단으로도 활용되어 공작새처럼 화려한 색채를 뽐내게 만들었습니다. 이때 나타나는 화려한 색은 단순히 색소에 의한 '흡수색'뿐만 아니라, 나노 구조를 통해 빛을 반사하는 '구조색'인 경우도 많습니다. 결국 시각은 생존과 번식이라는 생명의 근본적인 목적을 달성하기 위해 끊임없이 변화하며 세상을 풍요롭게 만들어 왔습니다.

최철희

카오스재단카오스강연

물리학
생명과학

[강연] 우리는 빛을 어떻게 인지할까? - 빛의 인식 (1) _최철희 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 3강 | 3강 ①

빛은 입자성과 파동성을 동시에 지닌 에너지의 한 형태입니다. 우리가 사물을 본다는 것은 단순히 빛이 존재하는 상태를 넘어, 빛이 물질과 만나 어떤 상호작용을 일으키는지를 이해하는 과정이기도 합니다. 빛의 에너지는 진동수와 파장에 의해 결정되며, 전자기파의 넓은 스펙트럼 중 극히 일부인 가시광선만이 우리 눈에 포착됩니다. 이러한 빛의 본질을 파악하는 것은 생명체가 외부 세계를 인식하는 근본적인 원리를 탐구하는 첫걸음이 됩니다. 빛은 전기적 성질과 자기적 성질을 동시에 가진 파동으로서 우리 삶의 모든 곳에 스며들어 있습니다. 물질과 빛이 만나면 투과, 반사, 산란, 흡수라는 네 가지 현상이 일어납니다. 우리가 물체를 인식하기 위해서는 빛이 우리 몸에 흔적을 남겨야 하는데, 이것이 바로 '흡수'입니다. 빛이 그냥 통과하거나 튕겨 나간다면 우리는 그 빛을 감지할 수 없습니다. 원자 수준에서 보면, 전자가 특정 에너지 준위로 도약할 때 빛을 흡수하게 됩니다. 이때 전자는 아무 빛이나 받아들이지 않고 자신에게 맞는 특정한 에너지 차이를 가진 빛만을 선택적으로 수용하는 양자역학적 특성을 보입니다. 이러한 선택적 흡수가 우리가 색을 구별하고 형태를 인지하는 기초가 됩니다. 투명인간이 실제로 존재한다면 그는 역설적으로 앞을 볼 수 없는 장님이 될 가능성이 큽니다. 투명하다는 것은 빛이 흡수되지 않고 모두 통과한다는 뜻인데, 시각이 형성되려면 반드시 망막에서 빛의 흡수가 일어나야 하기 때문입니다. 또한 우리 눈은 카메라의 암실처럼 내부가 검은 막으로 둘러싸여 있어 정면에서 들어오는 빛만을 선별하여 받아들입니다. 하지만 투명인간은 이러한 암실 구조가 없기에 사방에서 들어오는 빛이 망막을 어지럽혀 정상적인 시각 정보를 처리할 수 없게 됩니다. 즉, 완벽한 투명함은 시각의 상실을 의미하는 셈입니다. 생명체가 빛을 감지하는 핵심 메커니즘은 광화학 반응에 있습니다. 우리 눈의 망막에는 비타민 A의 유도체인 '레티날'이라는 화학 물질이 존재합니다. 평소 굽어 있는 구조를 유지하던 레티날은 빛 에너지를 흡수하는 순간 팔을 쭉 펴듯 구조가 변하게 됩니다. 이 미세한 분자 구조의 변화가 시각을 형성하는 가장 기초적인 단계입니다. 당근에 풍부한 비타민 A가 시력 건강에 중요하다고 강조되는 이유도 바로 이 레티날의 원료가 되기 때문입니다. 이 작은 분자의 움직임이 우리가 세상을 보는 거대한 창을 열어주는 열쇠가 됩니다. 레티날의 구조 변화는 이를 감싸고 있는 '옵신'이라는 단백질에 의해 감지됩니다. 옵신은 레티날의 구조 변화를 포착하여 이를 신경 세포의 활성 신호로 전환하는 안테나 역할을 수행합니다. 결국 우리가 아름다운 풍경을 보고 사물을 구별하는 모든 과정은 빛이라는 물리적 에너지가 생체 내에서 화학적 변화를 거쳐 전기적 신호로 바뀌는 정교한 변환 과정의 결과물입니다. 이러한 메커니즘은 인간뿐만 아니라 다양한 생명체가 각자의 환경에 맞춰 진화시켜 온 놀라운 생존 전략이며, 빛과 생명이 어떻게 공존하는지를 보여주는 증거입니다.

최철희

카오스재단카오스강연

물리학
생명과학