양자 얽힘은 생명체에서도 실제로 일어날 수 있을까?

멀리 떨어진 두 입자의 상태가 서로 연결되는 것처럼 나타나는 양자 얽힘.

보통 극저온의 정밀한 실험실에서나 볼 것 같은 현상입니다. 그런데 최근 양자생물학에서는 이런 양자적 상관관계가 생체분자에서도 나타날 수 있는지 연구하고 있습니다.

 

결론부터 말하면 생체분자에서 얽힘과 관련된 양자 상태가 형성될 가능성과 실험적 증거는 있지만, 생명체가 이를 기능적으로 적극 이용한다고 일반화하기에는 아직 연구가 더 필요합니다.

양자 얽힘이란 무엇일까?

양자 얽힘은 두 입자의 상태를 각각 완전히 독립적으로 설명할 수 없는 상태를 말합니다.

예를 들어 두 전자의 스핀이 서로 연결된 양자 상태를 이루면 한 전자만 따로 보는 것보다 두 전자를 하나의 전체 상태로 설명해야 합니다.

공 두 개를 각각 던지는 것보다, 보이지 않는 규칙으로 연결된 두 개의 주사위를 동시에 던지는 것에 가깝습니다.

생명체는 얽힘을 유지하기 어려운 환경이다

문제는 생명체가 따뜻하고 물이 많으며 끊임없이 움직이는 환경이라는 점입니다.

주변 분자와 계속 충돌하면 섬세한 양자 상태가 빠르게 깨질 수 있습니다. 이를 데코히런스라고 합니다.

그래서 오랫동안 생물학적 환경에서 얽힘 같은 현상이 의미 있는 시간 동안 유지되기는 어렵다고 생각됐습니다. 최근 양자생물학은 바로 이 문제를 연구하고 있습니다.

가장 주목받는 사례는 라디칼 페어다

대표적인 후보가 라디칼 페어(radical pair)입니다.

빛을 받은 분자에서 전자가 이동하면 서로 떨어져 있는 두 라디칼이 만들어질 수 있습니다. 이때 두 전자의 스핀이 서로 상관된 양자 상태를 가질 수 있으며, 특정 상태에서는 양자 얽힘으로 설명됩니다.

이 현상은 철새의 자기장 감각을 설명하는 가설과도 연결됩니다.

철새는 양자 얽힘으로 방향을 찾는 걸까?

철새의 눈에 존재하는 것으로 연구되는 크립토크롬이라는 단백질이 빛을 받으면 라디칼 페어가 형성될 수 있습니다.

지구 자기장은 이 전자들의 스핀 변화에 영향을 주고, 결과적으로 화학반응의 비율을 변화시킬 가능성이 있습니다.

즉 양자 수준의 작은 변화가 생물의 방향 감각으로 확대될 수 있다는 것입니다. 하지만 철새가 실제 자연환경에서 ‘양자 얽힘을 이용해 방향을 찾는다’는 전체 과정이 완전히 입증됐다고 말하기는 아직 어렵습니다.

생명체가 양자 얽힘을 이용한다고 말해도 될까?

여기서는 표현을 구분해야 합니다.

생체분자에서 양자적인 스핀 상관이나 얽힌 상태가 만들어질 수 있다는 것과, 생명체가 진화를 통해 양자 얽힘을 적극적인 정보처리 수단으로 사용한다는 주장은 같은 이야기가 아닙니다.

2026년 PNAS의 양자생물학 리뷰 역시 생물학적 기능에서 양자 현상이 실제로 어떤 역할을 하는지를 밝히는 것을 여전히 중요한 연구 과제로 보고 있습니다.

결국 가장 정확한 답은 이렇습니다.

생명체 안에서도 양자 얽힘과 관련된 상태가 나타날 수 있습니다. 하지만 그것이 생명체의 기능을 얼마나 결정하는지는 아직 밝혀지고 있는 중입니다.

작은 전자 두 개의 관계가 새 한 마리의 이동 방향까지 영향을 줄 수 있는지, 바로 그 질문이 현재 양자생물학이 풀고 있는 흥미로운 문제입니다.