​우리는 어떻게 엔트로피에 저항하는가

삶과 죽음의 경계는 오랫동안 물리학, 생물학, 그리고 의학의 교차점에서 가장 깊은 화두다. 현대 생물학은 생명 현상을 한 생명체가 살아있는 동안 우주의 절대 법칙인 엔트로피 증가에 저항하는 끊임없는 열역학적 투쟁으로 정의한다. 그렇다면 우리 존재의 근간인 생물학적 생명과 이를 느끼는 의식의 관계, 그리고 그 경계선인 죽음의 메커니즘을 이해할 필요가 있다.

생명의 최저선, 세포막 전위(-70mV)와 삼투압의 방어: 열역학 제2법칙에 따르면 우주의 모든 조화롭고 질서정연한 시스템은 시간이 지남에 따라 무질서한 상태, 즉 엔트로피가 증가하는 방향으로 흘러간다. 그러나 이 거대한 우주의 흐름을 거스르는 생명의 가장 근본적인 행위는 세포막을 경계로 일어난다. 인간의 30조 개 세포는 세포외액이라는 수영장 같은 바다에 떠 있다. 세포 내부에는 단백질과 유기물, 이온 등 짠 물질이 밀집되어 있다. 이를 방치하면, 세포 외부의 물이 농도가 높은 세포 안으로 쏟아져 들어오려는 강력한 물리학적 힘, 즉 삼투압의 위협에 항상 노출되어 있다.

삼투압은 물을 막아주는 보호막이 아니라, 오히려 세포를 부풀려 터뜨리려는 무서운 압력이다. 세포는 이에 맞서 세포막의 나트륨-칼륨 펌프(Na^+/K^+-ATPase)를 매 순간 가동한다. 세포 내부의 ATP 에너지를 소모하여 나트륨 이온(Na^+) 3개를 세포 밖으로 퍼내고, 칼륨 이온(K^+) 2개를 안으로 들여온다. 양이온인 나트륨을 지속적으로 밖으로 더 많이 퍼냄으로써 세포 안팎의 전체 이온 농도를 비슷하게 맞춰, 물이 안으로 쏟아져 들어와 세포가 터지는 것을 막는다. 세포는 이렇게 삼투압을 이겨낸다.

또한 퍼내는 양이온(3개)이 들어오는 양이온(2개)보다 많아 세포 내부는 바깥에 비해 음(-) 전하를 띤다. 이로 인해 약 -70mV의 '휴지 막전위(Resting Membrane Potential)'라는 정교한 전기화학적 농도 기울기가 형성된다. 자연 상태라면 이온과 물이 무작위로 섞여 농도 차이가 사라지는 평형 상태(엔트로피 증가)로 가려 하지만, 생물은 에너지를 투입해 이 차이를 억지로 유지한다. 에르빈 슈뢰딩거가 저서 <생명이란 무엇인가>에서 표현했듯이, 생명체는 외부로부터 음의 엔트로피를 흡수하여 세포 내부의 질서를 유지하는 열역학적 엔진이다.

의식, 세포 펌프 위에 피어난 창발적 정보 처리: 그렇다면 우리가 나라고 느끼는 의식은 이 세포들의 막전위와 어떤 관계인가를 이해할 필요가 있다. 세포막을 경계로 형성된 -70mV의 막전위는 뇌 신경세포(뉴런)에서 신호 발생의 장전 장치 역할을 한다. 자극이 들어오면 세포막의 나트륨 통로가 열린다. 이때 세포 밖의 높은 나트륨 농도와 세포 내부의 음(-) 전하가 만드는 강력한 인력(전기화학적 기울기)에 끌려, 나트륨 이온(Na^+)이 세포 안으로 폭포수처럼 쏟아져 들어온다. 이로 인해 순간적으로 세포 안이 양(+) 전하로 역전되는 활동전위가 발생한다. 신호가 지나간 직후에는 칼륨 통로가 열려 칼륨 이온(K^+)이 밖으로 빠져나감으로써 세포 내부를 다시 음(-) 전하로 되돌리고, 뒤이어 나트륨-칼륨 펌프가 작동하여 섞인 이온들의 위치를 원위치로 재장전한다.

이처럼 뇌 속에 있는 억 단위 뉴런들이 이 활동전위를 주고받으며 만드는 거대한 정보 처리 네트워크가 바로 의식(Consciousness)이다. 개별 세포의 이온 펌프가 켜져 있는 것은 하드웨어의 전원 공급이며, 그 위에 구축된 고차원적인 전기적 동기화 현상이 의식이라는 창발적(Emergent) 소프트웨어다. 따라서 생물학적 생명과 의식은 명확히 구분된다. 깊은 마취나 혼수상태처럼 의식이 정지해 있어도, 30조 개 세포의 이온 펌프가 가동되고 있다면 생물학적 생명은 여전히 엔트로피에 저항하며 지속된다.

죽음의 역학: 최상위 네트워크의 붕괴에서 열역학적 굴복까지
죽음은 30조 개 세포가 한순간에 멈추는 일시적 사건이 아니라, 최상위 정보 처리망부터 개별 세포로 이어지는 단계적 해체 과정이다. 1단계로 의식의 소멸을 통해 창발적 시스템의 붕괴가 일어난다. 심장이 멈추거나 호흡이 정지하면 뇌로 가는 산소와 혈류가 끊긴다. 뇌세포는 단 10~15초 만에 산소가 고갈되어 ATP 생산을 멈춘다. ATP가 줄어들면 뉴런은 더 이상 활동전위를 정상적으로 만들어내지 못하고, 뇌 전체의 전기적 동기화가 무너지며 수초~수분 내에 의식이 가장 먼저 꺼진다.

2단계로 이어서 세포 이온 펌프가 정지된다. 이는 세포의 열역학적 굴복과 삼투압의 승리라고 볼 수 있다. 의식이 사라진 후에도 개별 장기와 조직의 세포들은 잔여 ATP를 소진할 때까지 나트륨-칼륨 펌프를 가동한다. 그러나 에너지가 완전히 0이 되면 펌프는 완전히 정지한다. -70mV를 유지하던 막전위는 0mV가 되고, 나트륨을 밖으로 퍼내지 못해 세포 내부의 이온 농도가 급격히 높아진다. 결국 방어선이 무너지면서 삼투압 현상으로 인해 세포 외액의 물이 안으로 쏟아져 들어온다. 부풀어 오른 세포막이 터지며(자가 융해), 생명체는 우주의 절대 법칙인 최대 엔트로피 상태에 굴복하게 된다. 이것이 생물학적 죽음의 완결이다.

결과적으로 생명현상이란 세포막이라는 얇은 경계를 사이에 두고 삼투압의 공세와 우주의 엔트로피에 맞서 -70mV의 전위차를 지켜내는 위대한 투쟁이다. 그리고 죽음이란 그 정교한 막전위가 만든 거대한 의식의 불꽃이 먼저 정적 속에 꺼진 뒤, 각 세포들이 지켜오던 작은 질서들이 차례로 우주의 거대한 무질서 속으로 녹아들어 가는 자연스러운 귀환이다.