I. 열역학 제 1법칙과 창조론
에너지는 한 형태에서 다른 형태로 바뀌어 질 수는 있어도 에너지의 총량에는 변화가 없다는 것으로서, 다른 말로 표현하면 자연계의 에너지는 스스로 생성되지도 않고, 소멸되지도 않고, 항상 일정하다는 것이다.
아인쉬타인에 의해 E = mc2임이 알려져 이 법칙의 폭은 더욱 넓어진 셈이다. 이 법칙에 따르면 지금 우주의 에너지와 물질의 총량은 수백억년 전과 동일하다는 얘기다. 자연은 스스로 에너지를 만들어 낼 수 없는데도 불구하고 현재 우주엔 에너지(또는 물질)로 꽉 차 있으니, 이 에너지는 자연계 밖에서 자연계 안으로 들어온 것이 틀림없다.
창세기 1장 1절에 “태초에 하나님이 천시를 창조하시니라?”고 하셨는데, 바로 이 하나님께서 에너지가 우주에 있게 하신 것임을 성서는 정확하게 말씀하고 있는 것이다. 창조라는 말은 히브리어로 bara라고 하는데, 이것은 ex nihilo, 즉 無에서 有로의 창조를 의미한다.
하나님의 창조역사 외에 열역학 제 1법칙을 설명할 방법은 없다. 우주의 삼라만상 및 그 원동력은 우연한 자체변이(진화)의 산물이 아니라, 하나님의 특별한 목적을 위해 창조된 결과인 것이다.
Ⅱ. 열역학 제2법칙과 창조론
제2법칙은 자연계에서 일어나는 모든 반응의 반응방향과 그 반응의 진행 여부를 판별해 주는 매우 중요한 법칙이다. 이에 따르면 자연계에서 일어나는 모든 자발적인 반응(Spontaneous process)은 Entropy가 증가하는 방향으로 진행된다는 것이다.
Entropy란 system의 무질서도(disorder)를 나타내는 것으로 열역학 제2법칙이 의미하는 것은 우주내에서 일어나는 모든 반응은 질서에서 무질서로, 복잡한 것에서 간단한 것으로 진행된다는 것이다. 예를 들면 물은 저절로 높은 곳에서(에너지 level의 차이가 있는 질서있는 곳에서) 낮은 곳으로 (에너지 level의 차이가 없어진 무질서해진 곳으로) 흐르기 마련이며, 벽에 박힌 못은 녹슬기 마련이고, 사람은 죽기 마련인 것이다. 점점 무질서해져 가고 파괴되어 가며 단단해져 가는 것이다.
간단한 열역학적 수식을 이용하여 ① isolated system ② closed system ③open system에서의 열역학 제2법칙을 설명하여 창조론을 어떻게 증명해 주고 있는가를 보이도록 하겠다.
① Isolated System (고립계)
고립계란 질량이나 에너지가 출입(出人)할 수 없는 계(界)를 말하는 것으로 “완전한 보온병”을 상상하면 이해가 쉽다. 그 보온병에 최초에 뜨거운 커피와 얼음 덩어리를 넣었다고 하자. (질서도가 매우 높은 즉, 에너지의 차이가 있는) total energy는 보온병 내에서 항상 일정하지만, 시간이 흐를수록 energy 의 분배가 일어나게 된다. 즉, 얼음이 점점 녹아서 미지근한 커피가 되고 만다 (무질서도가 증가한, 즉 에너지의 차이가 없어진). 평형상태가 가까워 올수록 entropy (무질서도)는 증가하며 절대 비가역 반응임에 유의하기 바란다 (보온병 내에서 다시 저절로 얼음이 생기고 커피가 뜨거워지지 않는다). 고립계에서는 dE/dt=0, dS/dt≥0 (1)이다. E, S, t는 각각 계의 에너지, 엔트로피, 시간을 표시한다. 결국 고립계 내에서는 질서도가 증가하는 일은 절대로 없으며, 진화론자들이 주장하는 바와 같이 단순한 물질이 복잡한 물질로 변화되어 가는(질서도가 증가하는) 반응은 절대로 불가능하며 진화는 일어날 수 없는 것이다.
② 평형에 가까운 Closed System (폐쇄계)
폐쇄계란 에너지는 출입할 수 있어도 질량의 교환은 불가능한 계를 말한다. 계와 주위(surroundings)사이의 계면(界面, boundary)은 평형을 향하여 에너지가 출입하므로, 계면의 온도는 계내(界內)의 온도와는 다르게 된다. 이것을 수식으로 잘 나타낸 것이 유명한 Gibbs equation이다.
Gibbs free energy G는 G = E + PV - TS = H - TS (2) (E = System energy, S = system entropy, P = system Pressure, V = system Volume, T = 절대온도, H = enthalpy (H = E + PY)를 나타낸다.) Closed System에서 dG/dt ≤ 0 (3) 이어야만 자발적인 반응이 일어날 수 있으며, 평형에 가까와 질수록 dG/dt -> 0 (4) 이다. 이 식들을 정리해 보면 dS/dt - d/dt(E+PV/T) ≥ 0(5)
위 식의 첫번째 항(項, first term)은 system 내에서의 entropy 변화를 나타내고, 두번째 항(second term)은 주변환경(surroundings)과의 에너지 변화에 따른 entropy 변화를 나타내는데, 이 두 항의 합이 0 보다 커야만 한다. 즉 우주의 entropy는 증가해야만 하는 것이다.
물이 얼음이 되는 과정을 들어 이것을 부인하는 진화론자들이 있는데, 그 문제를 다뤄보기로 하겠다. 물론 물이 얼음이 되는 것은 질서도가 증가하는, 즉 entropy가 감소하는 현상이다. 위의 식에 대입하여 풀어보면, 얼음이 얼을때 80cal/gm의 에너지를 방출하며, entropy 변화는 -0.293 entropy unit (eu) / degree Kelvin (K)이다. G = E + PV - TS 에서 △(E + PV) -T△S ≤ 0 (6) 즉 -80 - T(-0.293) ≤0 ∴ T ≤ 273 °K T〈 273 °K (0℃이하) 에서는 열역학 제2법칙이 예견한 대로 물은 얼게되고, 전체 entropy의 합은 증가하게 되는 것이다.
종종 DNA나 단백질 등도 물이 얼음으로 저절로 되듯이 단분자들이 저절로 중합(重合)되어 복잡한 분자가 되었지 않았겠느냐고 주장하는 이들도 있으나, 유기물질의 중합에 있어서는 H항이 0보다 크므로 불가능하다. 또 온도가 매우 낮아 T?S가 매우 적어지게 되지 않겠느냐고 하지만, 아미노산은 온도가 낮은 곳에서는 절대로 결합이 일어나지 않기 때문에 그런 기대도 할 수 없게 되었다.
Morowitz는 간단한 선구물질(precursors)로부터 대장균(E. coli)이 만들어지는데 필요한 화학 결합 에너지가 0.0095 erg, 즉 평균 0.27 ev/atom 이라고 계산해냈다. 간단한 박테리아에도 2 × 1010 개의 원자가 있으므로, 이것은 마치 저절로 목욕탕 물이 360℃ 까지 온도가 올라간다는 말과 같다. 그런 일이 일어날 수 있겠는가?
결론적으로 그는 대장균이 50억년의 기간동안 전 우주에서 저절로 만들어질 확률은 10-1011 (10-100,000,000,000)이라고 했다.“만약 이와 같은 방법으로 진행되어 왔다면 전 우주의 역사를 통해 겨우 하나의 peptide (몇 개의 아미노산이 결합된 것)가 우연히 만들어 졌을까 말까할 정도다" 라고 그는 말했다.
결국 평형에 가까운 Closed System 에서 유기분자가 더 복잡한 물질로 저절로 만들어 질 수 없는 것이며, 물이 얼음으로 상변이(Phase transformation)를 하는 것과 유기물의 합성과는 아무런 관계가 없는 것이다.
③ 평형에서 먼 Closed System
System을 통해 에너지가 흐른다는 말은 system에 계속 일을 가해 평행으로부터 멀어지도록 한다는 말과 같다. 이런 의미에서 노벨상 수상자인 Prigogine과 Nicolis는 entropy 변화 dS를 시간 간격 dt 안에서 두 요소로 나누었다.
dS = dSe + dSi (7)
dSe는 System을 통해 에너지가 출입함으로 생기는 entropy 변화이고, dSi는 System 안에서 일어나는 비가역 반응으로 생긴 entropy 변화의 합이다. 열역학 제2법칙에서 dSi ≥0 (8)이고, Isolated System에서 dSe = 0 이므로, dS = dSi ≥ 0 (9) 가 된다. dSi 와는 달리 dSe의 부호는 일정하지 않으며, System에 가해지는 boundary constrains에만 전적으로 의존한다.
그러므로 전체 entropy 변화가 0 보다 작을려면 (System내에 질서도가 증가 할려면) dSe ≤ 0 이어야 하고, 동시에 |dSe| ≥ dSi (10) 이어야 한다. 위와 같은 조건은 실제로 불가능한데, 마치 전기 곤로에 스위치를 끄고 물을 끓게하는 것과 같다. 그런 경우를 상상할 수야 있겠지만, 도대체 그런 예는 어디서 찾을 수 있겠는가?
④ Open System (개방계)
개방계란 에너지나 질량이 System과 Surroundings 사이에 교환이 가능한 계를 말한다. 생명체를 예를 들 수 있는데 생명체는 고에너지 물질이 System안으로 들어와 화학반응을 일으켜 energy를 내놓고 낮은 energy 물질로 변한다. 방출된 erergy는 system 안팎으로 일을 하게되는 것이다. 내연기관(internal combustion engine)을 예로 들어도 좋다. 휘발유와 산소가 system안으로 들어가 연소되고, 탄산가스와 열을 내게되는데, 그 열이 자동차를 움직이는데 이용된다. 이와 같은 반응이 일어날려면 반드시 에너지를 방출시켜서 유효한 일을 할 수 있도록 하는 mechanism이 있어야만 한다. 반드시 설계된 기구나 조직이 필요한 것이다.
예를 들어 집을 짓기 위해 필요한 모든 재료와 부품들을 보아 놓고 energy를 가하기 위해 다이나마이트 (집 짓는데 필요한 모든 energy의 총량과 동일한 energy)를 터뜨려 보았다. 폭발 후에 가보았더니 집은 만들어지지 않고 모아 놓았던 재료마저도 눈에 보이지 않게 되었다. 무엇이 잘못 되었는가 하여 더 조심스럽게 정성을 다해 재차 시도해 보았으나 결과는 마찬가지였다. 도대체 몇 번이나 더 해보면 근사한 집이 세워지겠는가?
같은 energy라고 해도 건축기사의 설계와 조립이 없이는 안 되는 것과 같이 Open System이라고 해도 외부의 계획과 mechanism이 없이는 저절로 생명체가 만들어 질 수는 없는 것이다. 시계부품을 통속에 집어넣고 1시간을 흔들고 난 후 들여다 보았더니 그대로 있었다. 시간이 부족한가 하여 5시간, 10시간, 일주일, 10년을 흔들어 보아도 마찬가지였다. Energy가 부족한가 하여 더 세게 더 빨리 돌려보았으나 시계는 만들어 지지 않았다. 같은 얘기이지만 설계자와 조립공이 있어야만 되는 것이다.
l964년 Cornell 대학에서 위 시계의 경우 우연히 시간과 에너지만으로 시계가 만들어질 수 있는 확률을 계산해 보았더니 10-255가 나왔다고 한다. 요약해서 말하면 Open System을 통해 계속 energy를 흘려 준다는 것은 dSi의 무질서도 증가를 상쇄시킬 수 있도록 dSe type의 일을 외부에서 system에 해주어야 한다는 것이다. 그러면 식 7에 따라 dSe는 negative entropy를 보여 주어야 한다. 이와 같은 예가 생명체의 경우이다.
Ⅲ. Living Systems에서의 열역학
생명체는 매우 복잡한 유기물로 되어 있는데 전체결합 에너지는 그 물질의 선구물질(precursors)의 결합 에너지보다 작다. 그러므로 living systems에서의 Gibbs free energy는 원래 만들어진 간단한 화합물과 비교해서 매우 높다.
평형에서 보다 더 높은 상태의 energy로 생명체를 형성하고 유지하기 위해서는, 뜨거운 물을 계속 유지하기 위해 계속 heater로 열을 가해 주어야 하는 것처럼, 계속 생명체에 일을 해 주어야만 한다. 만일 계속적인 energy 나 물질의 주입이 끊어지면, 그 system은 곧 평형상태(Gibbs free energy가 가장 낮은)로 돌아가게 되고, 복잡한 화합물들은 분해되어 간단한 분자들로 되돌아가게 된다. 마치 heater를 끄면 뜨거운 물이 실온 상태로 되는 것과 같다. 식물은 태양열을 받아 광합성 작용을 하며, 물, 탄산가스 등의 물질을 흡수해 필요한 물질들을 만들어 그 생명을 유지해 나간다. 동물은 고에너지 물질을 섭취해 소화시켜 에너지를 얻으며, 또 다른 물질을 만들어 내기도 한다. 계속적인 에너지와 물질의 공급이 없이는 동식물은 곧 죽어버리게 된다.
그러나 에너지만 가지고는 living system을 유지해가고 만들어 가는데 부족하다. 반드시 꼭 필요한 것은 이 에너지를 유효한 일로 바꾸어 주는 수단이 있어야만 한다. 사람의 위, 창자, 췌장 등의 기관을 떼어내고 계속 음식물을 주입시켜 준다고 해도 사람은 곧 죽게 되는 것이다. 그러므로 생명체내에 energy가 따르고 있는 한 열역학적인 문제는 없으나, 특별한 화학적 경로를 따라 매우 특수한 형태의 일을 하도록 에너지를 변환시키고, 일정한 방향으로 흐르게 하는 mechanism이 존재한다는 것이다.
Living system 을 유지해 간다는 것이 열역학적으로 쉽게 이해가 간다고 해도, 생명체의 기원에 대한 문제는 훨씬 더 어려운 문제이다. 지구가 태양으로부터 에너지를 받는 Open system이라고 할지라도 간단한 물질로부터 생명체가 되게 하기 위해 필요한 일을 그 에너지로부터 변환시키는 기구에 대한 설명은 아직까지 아무도 언급하지 못하고 있는 실정이다.
Nicolis와 Prigogine은 “말할 필요도 없이 이 단순한 설명(Open systems에서 질서도가 증가할 수도 있다는)으로 생명체의 질서 문제를 설명할 수는 없다. 우리는 열역학 제2법칙 (dSi > 0)과 전체 entropy의 감소(dS < 0)를 조화시켜야 될 뿐만 아니라, 생명체를 유지하고 발생시키는데 대한 mechanism도 제시해야 하는 것이다.”라고 말하고 있다.
단백질과 DNA가 생명체의 필수요소라고 대부분 학자들이 생각하고 있으나, 그것들은 오직 살아있는 세포에서만 만들어지고 있다. 추후 화학진화(Chemical Evolution)을 다룰 때 우연히 만들어 질 수 없는 이유를 상세히 설명하기로 하고, 그 부분에 대해서는 Chemical Evolution을 참고하기 바란다.
Ⅳ. 생명의 기원과 열역학
생명체의 필수요소인 단백질과 DNA는 단순히 입자들이 모였다고 되어지는 것이 아니다.저절로 그런 물질들이 만들어진다는데 대해 두 가지 어려운 문제가 있다.
첫째, 두 개의 아미노산이 dipeptide를 이룰 때 Gibbs free energy가 2 ~ 4 kcal/mole 증가된다. 그러므로 단백질이 합성되려면 단백질의 농도가 낮다고 해도 계속 에너지가 가해져야만 한다. 각각의 아미노산 농도가 1 M 일때 그것으로부터 얻을 수 있는 Polypeptide의 농도는 다음 식에 따른다.
[polypeptide concentration] × [H20] 〔glycine〕 〔alanine〕… = K = exp [-3 Kcal/mole ×(n-1)]/ RT 또는 〔polypeptide concentration〕 = {[1][1]‥‥ exp [-3000 × (n-1)]/ RT} / [H20] (11)
100개로 된 polypeptide일 경우 실온(T=298 °K)에서 윗 식에 따라 계산해 보면, 그 농도는 10-218M이 된다. 계속 에너지를 가해 주어도 생성되는 polypeptide의 양은 너무나 적은 것이다.
둘째, 아미노산이 결합하여 단백질이 되기 위해서는 꼭 α 결합을 해야하며, 서열(순서)이 꼭 맞아야 하고, L-form이어야만 한다. Morowitz, Bradley, Miller and Orgel 등의 연구를 종합해 보면 두번째 문제에 소요되는 일의 양은 첫번째의 것보다 훨씬 더 필요하다는 것이다. 더욱이 DNA는 보통 106개의부분들로 이루어졌는데, DNA를 중합하기 위해 필요한 일의 양이란 그야말로 엄청난 것이다. 아미노산의 합성은 잘 이루어지고 있는데 비해, 단백질이나 DNA의 합성이 계속 실패하고 있는 이유중의 하나도 바로 상상도 못할 만큼 많은 양의 특별한 일이 필요하기 때문인 것이다. 또한 DNA가 올바른 나선구조를 갖기 위해서는 3~5개의 연결이 필요한데, 사실 화학적으로 그와 같은 결합은 매우 어렵다. 돌연변이에 의한 진화를 주장하고 있으나, 변이가 일어났다고 해서 Complexity가 증가했다고는 볼 수가 없는 것이다. 변이가 10개의 유전인자가 그 배열이 달라졌다고 해서 11개의 유전인자가 되는 것이 아니다. 그 복잡한 정도엔 차이가 없다. 변이가 일어나 그 생물안에서 종류(varieties)는 많아질 수가 있으나, 다른 종류(kind)가 될 수는 없는 것이다.
하나님께서 한 종류 안에서의 변이는 허용하셨으나 그 종류대로(after its kind) 창조하신 분은 하나님이시지 자체변이가 아닌 것이다. 이와 같은 진화론자들의 생각은 마치 기계 선반공이 나사못(screw)을 깎다보니 잘못해서 TV Set가 만들어 졌다는 얘기와 같다. DNA의 구조를 발견해 Nobel상을 탄 Crick 경은 화학 반응 경로가 생명체에서 무생명체로 가는 것이 훨씬 용이한 것을 들어, 지구의 생명체는 열역학적으로 생명의 자연발생이 훨씬 용이한 외계의 혹성에서 왔을지도 모른다고 말했다. 무생물에서 생물이 만들어졌을 것이라는 주장이 열역학 법칙으로 도저히 설명이 안 된 나머지 궁여지책으로 내 놓은 얘기이지만, 그렇다고 생명의 기원문제가 해결되는 것은 아니다. 다만 위치만 외계로 옮겨 놓았을 뿐 증거도 없고 과학적인 접근방법도 못 된다.
V. 결론
여러 과학적인 자료와 증거들은 하나님께서 천지와 모든 만물을 창조하셨음을 뒷받침해 주고 있고, 성경 말씀은 무오한 하나님의 말씀임에 대해 더 큰 확신과 용기를 주고 있다. 주님의 오실 날이 가까워 올수록 사탄의 헛된 속임수로(골2 :8) 성도들을 미혹하며 세상은 점점 진리에서 돌이켜 허탄한 이야기를 쫓게(딤후4 :3~5)될 것이다. 우리 크리스챤들은 천지가 변하여도 변치 않는 하나님의 말씀(마5 :18. 벧전 1:25)을 더욱 신뢰하여야만 할 것이다.
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원문출처: //www.happyshin.com.ne.kr/etc/etc5-2-001.htm
