라디칼 페어 메커니즘이란 무엇인가

철새가 지구 자기장을 감지하는 과정에 양자역학이 관여할 수 있다는 이야기가 있습니다. 그 중심에 있는 것이 바로 ‘라디칼 페어 메커니즘(Radical Pair Mechanism)’입니다.

이름은 어려워 보이지만 원리는 의외로 단순합니다. 두 전자의 상태가 자기장의 영향을 받고, 그 차이가 화학반응의 결과를 바꿀 수 있다는 것입니다.

라디칼 페어란 무엇일까?

라디칼은 짝을 이루지 못한 전자를 가진 화학종입니다. 특정 화학반응에서 이런 라디칼 두 개가 거의 동시에 만들어지면 이를 라디칼 페어, 즉 라디칼쌍이라고 부릅니다.

철새 자기장 연구에서는 눈의 망막에 존재하는 후보 단백질인 크립토크롬이 중요한 역할을 할 가능성이 연구되고 있습니다.

전자의 스핀이 핵심이다

전자에는 ‘스핀’이라는 양자역학적 성질이 있습니다.

라디칼쌍의 두 전자는 크게 싱글렛과 트립렛이라는 서로 다른 스핀 상태를 가질 수 있으며, 시간이 지나면서 두 상태 사이의 전환이 일어날 수 있습니다.

쉽게 비유하면 두 사람이 추는 춤의 동작이 달라지는 것과 비슷합니다. 어떤 동작을 하고 있느냐에 따라 다음 화학반응으로 가는 길도 달라집니다.

자기장이 어떻게 화학반응을 바꿀까?

여기에 외부 자기장이 들어옵니다.

지구 자기장은 매우 약하지만 라디칼쌍의 스핀 변화에 미세한 영향을 줄 수 있습니다. 그러면 싱글렛과 트립렛 상태의 비율이나 수명이 달라지고, 최종적으로 만들어지는 화학물질의 양에도 차이가 생길 수 있습니다.

즉 자기장이 전자를 물리적으로 끌고 가는 것이 아니라, 전자의 양자적 상태 변화에 영향을 주면서 화학반응 결과를 조금 바꾸는 것입니다.

크립토크롬에서는 어떤 일이 일어날까?

크립토크롬이 빛을 흡수하면 FAD와 트립토판 사이에서 전자 이동이 일어나 라디칼쌍이 형성될 수 있습니다.

2021년 Nature에 발표된 연구에서는 유럽울새의 크립토크롬4가 실험실 조건에서 자기장에 민감하게 반응하는 것으로 확인됐습니다. 이는 라디칼 페어 가설을 뒷받침하는 중요한 증거입니다.

철새의 양자 나침반은 증명됐을까?

여기서 중요한 점이 있습니다.

라디칼 페어 메커니즘 자체는 스핀 화학에서 잘 알려진 현상이지만, 이것이 살아 있는 철새가 실제로 사용하는 자기 나침반의 완전한 작동 원리라고 최종 확정된 것은 아닙니다.

현재까지의 정확한 표현은 ‘크립토크롬에서 생성되는 라디칼쌍의 양자적 스핀 변화가 철새 자기장 감각을 설명하는 매우 유력한 후보 메커니즘’이라고 하는 것이 좋습니다.

결국 라디칼 페어 메커니즘이 흥미로운 이유는 아주 작은 전자의 양자적 변화가 생명체의 방향 감각처럼 거대한 행동으로 이어질 가능성을 보여주기 때문입니다.