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KOREA  ASSOCIATION FOR CREATION RESEARCH

창조설계

자연 속 빛의 쇼는 빛을 지으신 창조주의 지혜를 드러낸다.

미디어위원회
2023-10-03

자연 속 빛의 쇼는 빛을 지으신 창조주의 지혜를 드러낸다.

(Light Shows in Nature Reflect the Wisdom of the Light-Giver)

David F. Coppedge


    자연 속에서 펼쳐지는 빛의 축제 몇 가지를 소개한다.


광합성


화학자들은 식물의 광합성이 왜 그렇게 효율적인지 알아냈다(Massachusetts Institute of Technology, 2023. 7. 3). 거기에는 이유가 있었다. 이 이야기는 무질서 속에서 만들어지는 질서에 관한 것이다. MIT 과학자들은 식물의 광합성 효율이 어떻게 그렇게 완벽하고 100% 효율적일 수 있는지 궁금해했다. 홍조류에 관한 실험에서, 그들은 빛을 수확하는 ‘안테나’로부터 광센터로 전자의 전달에 관여하는 단백질들의 소위 무질서한 영역이 미세조정되어 빛 손실이 전혀 없이 에너지를 전달한다는 사실을 발견했다.

이러한 광수확 복합체(light-harvesting complex, 광수집 복합체)를 통한 에너지 전달은 매우 높은 효율로 이루어진다 : 흡수된 거의 모든 광자들은 전자를 생성하는데, 이 현상은 거의 100% 양자 효율(near-unity quantum efficiency)로서 알려져 있다.

MIT 화학자들의 새로운 연구는 안테나라고도 불리는 광수확 복합체의 단백질들이 어떻게 높은 효율을 달성하는지에 대한 가능성을 제시하였다. 연구자들은 처음으로 광수확 단백질들 간의 에너지 전달을 측정하여, 이러한 단백질들의 무질서한 배열이 에너지 전달 효율을 높인다는 사실을 발견할 수 있었다.

“안테나가 작동하려면, 먼 거리까지의 에너지 변환(energy transduction)이 필요하다. 우리의 핵심 발견은 무질서하게 배열된 광수확 단백질 조직이 먼 거리의 에너지 변환의 효율성을 향상시킨다는 것이다.”라고 MIT 화학과 부교수이자 새로운 연구의 수석 저자인 가브리엘라 슐라우-코헨(Gabriela Schlau-Cohen)은 말한다.

이러한 전송은 피코초, 즉 1조 분의 1초 단위로 측정되었다! 과학자들은 이 정도까지 측정할 수 있었다는 사실에 놀라고 있었다. 기사에서 그들이 수행했던 방법을 살펴보라.

안타깝게도 연구팀은 이 놀랍도록 효율적인 설계를 관찰한 후, 엉뚱한 이야기로 모험을 떠나고 있었다. 광합성 세포들이 어떻게 고속에서 100% 효율을 달성했을까? 분명 진화했음에 틀림없다는 것이다!

“질서 정연한 조직은 실제로 무질서한 조직보다 효율성이 떨어지는데, 생물학은 무질서한 경향이 있기 때문에 매우 흥미롭다고 생각한다. 이 발견은 생물학의 불가피한 단점일 뿐만 아니라, 유기체가 이를 활용하도록 진화했을 수도 있다는 것을 말해준다”라고 슐라우-코헨(Schlau-Cohen)은 말한다.

제발, 축하 분위기를 망치지 마라.


두족류(Cephalopods)


갑오징어의 위장 능력: 눈에 보이는 것보다 더 복잡하다.(Okinawa Institute of Science and Technology, 2023. 6. 28). 갑오징어(Cuttlefish)가 반복적으로 빛을 재현해내는 방식은 “생각보다 더 복잡하다”는 또 다른 기사가 있었다. 갑오징어의 화려한 색채 쇼는 오랫동안 해양 생물학자들을 매료시켜 왔으며, 이들은 갑오징어를 “변장의 달인(masters of disguise)”이라고 부르고 있다. 이제 일본 과학자들은 갑오징어의 피부 패턴과 색깔을 빠르게 바꾸는 능력에 더욱 놀라움을 금치 못하고 있었다.

오키나와 과학기술연구소(Okinawa Institute of Science and Technology, OIST)와 막스플랑크 뇌연구소(Max Planck Institute for Brain Research)의 연구자들은 Nature 지(2023. 6. 28)에 게재된 연구에서, 갑오징어의 위장 패턴(camouflage pattern)의 생성 방식이 기존에 알려진 것보다 훨씬 더 복잡하다는 사실을 밝혀냈다. 

갑오징어는 색소포(chromatophores)라 불리는 수백만 개의 작은 피부 색소세포들을 정밀하게 제어하여, 눈부신 피부 무늬를 만들어낸다. 각 색소포들은 일련의 근육으로 둘러싸여 있으며, 이 근육은 뇌의 신경세포의 직접적인 제어를 받아, 수축과 이완을 반복한다. 근육이 수축하면 색소포가 확장되고, 근육이 이완하면 색소포가 숨겨진다. 모두 함께 색소포는 세포 픽셀(pixels, 화소)처럼 작용하여, 전체 피부 패턴을 생성한다. 

픽셀? 그것은 마치 TV 화면에 대해 말하는 것처럼 들린다. OIST 연구팀은 고해상도 이미지와 컴퓨터 모델을 사용하여, 이러한 현상을 분석할 수 있었다. 그 기사에 첨부된 동영상은 갑오징어의 피부가 다양한 배경에 빠르게 반응하여 색깔을 바꾸는 모습을 보여준다. 연구자들은 갑오징어가 심지어 한 패턴을 다른 패턴 위에 겹치게 할 수도 있다는 사실을 발견했다.


오징어에서 영감을 얻은 부드러운 소재는 빛, 열, 마이크로파에 대한 스위치 있는 보호막의 개발을 가능하게 한다(American Chemical Society, 2023. 6. 28). 두족류(Cephalopods; 문어, 갑오징어, 오징어 등)에 대해 덧붙이자면, 또 다른 일원인 오징어는 생체모방공학의 성공 사례가 되고 있었다. 이 과학자들은 오징어 피부(squid skin)를 모방함으로써, 광학 밴드패스 필터(light bandpass filter, 특정 파장 내의 광선만을 통과시키는 필터)를 만들었다.

오징어와 두족류의 다른 생물은 피부에 독특한 홍채세포(iridocytes)와 색소포를 갖고 있어서, 가역적으로 그들의 배열을 변화시켜, 외관을 변경한다. 과학자들은 이것과 비슷한 인공 소재를 개발하여, 가시광선 및 적외선 파장을 반사로부터 투과에 이르기까지 전환할 수 있는 기술을 개발했다. 이 소재는 주름진 상태에서 균열된 상태로 변경됨으로써 이러한 파장을 조절한다. 그러나 연구자들은 최근에 은 나노와이어(silver nanowires)와 같은 전기 전도성 소재의 조밀한 네트워크가 마이크로파를 차단할 수 있다는 것을 발견했다. 따라서 이러한 표면 구조와 전도성 네트워크를 연결하는 연구가 이루어졌으며, 이를 부드러운 필름에 통합하여, 가시광선 영역의 스펙트럼에서 마이크로파까지 신속하게 차단하거나 통과시킬 수 있는 소재를 개발하고자 했다. 

오징어 덕분에, ACS 연구자들은 “반복적이고 빠르게 투명도(transparency)를 변경”할 수 있는 전환 가능한 소재를 개발하여, 산업에 활용할 수 있게 되었다. 이 소재는 “동적 위장 기술, 에너지 효율성이 높은 건물, 적응형 개인 및 의료 기기 등에 활용될 수 있다.”


빛을 이용한 통신 기술


다양한 색깔의 빛으로 동시에 데이터 전송하기(Columbia Engineering, 2023. 6. 29). 컬럼비아 대학의 엔지니어들은 서로 다른 색깔 파장의 신호를 송수신함으로써, 동시에 다중통신 채널을 구현할 수 있다는 사실을 알아냈다. “주파수 빗(frequency comb)”은 통신에 있어서 대역폭 문제(bandwidth problem)를 해결하는 데 도움을 줄 수 있다는 것이다. 그것은 광섬유 케이블이 “분리되는 정확한 파장의 빛(사이에 공간이 있는)을 통해서, 선명한 신호를 보낼 수 있게 함으로써” 이루어진다. 

이 연구는 볼품없어 보이는 바다 해면동물(marine sponge)인 ‘비너스의 꽃바구니(Venus flower basket)’에 대한 초기 정보를 떠올리게 한다. 이 해면동물의 유리 섬유는 완벽한 광섬유 케이블과 유사하다.(2002. 11. 20,  2004. 3. 1, 2021. 8. 10 글 참조). 자연이 이러한 기술을 먼저 갖고 있었다.

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자연 속 빛의 아름다움은 우리로 하여금 우주에서의 첫 번째로 빛을 창조하신 하나님을 찬양하게 한다. 가까이 가지 못할 빛에 거하시는(딤전 6:16) 초월적 존재이신 하나님으로부터, 우리 모두는 평등하게 창조되었고, 천부적 권리를 부여받았다. 성경은 하나님과의 관계에서 빛에 대해 반복적으로 말씀하며, 빛을 단지 광자(photons)가 아니라, 거룩함, 지혜, 이해의 상징으로 말씀하고 있다. 


“우리가 그에게서 듣고 너희에게 전하는 소식은 이것이니 곧 하나님은 빛이시라 그에게는 어둠이 조금도 없으시다는 것이니라” (요한일서 1:5). 

“진리를 따르는 자는 빛으로 오나니 이는 그 행위가 하나님 안에서 행한 것임을 나타내려 함이라 하시니라” (요한복음 3:21).



*참조 : C4 광합성 - 진화인가? 설계인가? 

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녹색 파워 광합성 : 경이로운 식물의 태양광 발전소

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식물의 광합성은 양자물리학을 이용하고 있었다.

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해조류는 양자역학을 알고 있었다.

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하등하다고 주장되는 원시 생물들이 어떻게 첨단 물리학을 알고 있었는가?

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환상적 광섬유인 해면동물의 침골

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바다의 카멜레온인 갑오징어는 스텔스 기술도 갖고 있었다. 

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갑오징어의 색깔 변화는 TV 스크린 설계에 영감을 불어넣고 있다. 

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"그것은 진화했다"라는 말은 과학이 아니다 : 오징어의 경이로운 피부와 선사시대의 폼페이 식물

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문어의 피부를 모방한 최첨단 위장용 소재의 개발.

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살아있는 무지개빛은 과학자들을 현혹시키고 있다. 

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구조색은 다양한 동물들에서 발견되고 있다 : 경이로운 나노구조가 여러 번 생겨날(수렴진화) 수 있었는가?

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나비 날개의 경이로운 나노구조

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몰포 나비의 날개는 다윈의 자연선택에 도전한다. 

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▶ 광합성의 복잡성

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▶ 생체모방공학

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▶ 동물의 경이로운 기능들

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출처 : CEH, 2023. 7. 4.

주소 : https://crev.info/2023/07/light-shows-in-nature/

번역 : 미디어위원회



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