인간이 적외선을 볼 수 있는 이유: 2양자이성화(two-photon isomerization)

http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?record_no=253673&cont_cd=GT
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-03
인간은 슈퍼맨처럼 엑스선 시력( X-ray vision)을 갖고 있지는 않지만, 그와는 다른 초능력을 갖고 있는 것으로 밝혀졌다. 전통적인 가시광선의 영역을 뛰어넘어 적외선을 볼 수 있다는 이야기다. 과학자들은 일련의 실험을 통해, 여러 쌍의 적외선 광자(infrared photons)가 동시에 (눈 안에 있는) 동일한 색소단백질과 충돌하면, 지금까지 알려지지 않았던 신비로운 일이 벌어진다는 사실을 밝혀냈다. 색소단백질과 충돌한 광자쌍들은 충분한 에너지를 제공하여 화학적 변화에 시동을 걸고, 이 변화로 인해 인간은 적외선을 볼 수 있게 된다고 한다. 시각에 관한 통념(received wisdom)과 기존의 화학적 설명에 의하면, 인간의 눈은 400nm(청색광)~720nm(적색광)의 파장을 가진 광선만을 볼 수 있다고 한다. 이 범위는 현재 공식적으로 `가시광선 영역`으로 알려져 있지만, 매우 특이한 적외선파장을 가진 레이저가 등장하면서 기존의 통념이 무너지고 있다. "인간은 1,000nm 이상의 파장을 가진 빛을 흰색과 녹색을 비롯한 여러 가지 색깔로 인식한다"는 보고서가 나오고 있는 것이다. "나는 저에너지 레이저로부터 나오는 1,050nm의 광선을 본 적이 있다. 당신도 맨눈으로 그 광선을 볼 수 있다"고 케이스웨스턴리저브 대학교의 크시슈토프 팔체프스키 교수(약학)는 말했다. 이 같은 능력이 흔한 것인지 아니면 희귀한 현상인지를 알아보기 위해, 팔체프스키 교수는 건강한 지원자 30명을 모집하여, 그들의 망막을 저에너지 광선빔으로 비추면서 광선의 파장을 바꿔 봤다. 파장이 증가하여 적외선(IR) 영역으로 들어가자, 참가자들은 처음에는 `빛을 감지하기 어렵다`고 호소했지만, 약 1.000nm의 빛에 이르자 `빛을 보기가 한결 쉬워졌다`고 말했다. 인간이 1,000nm 이상의 파장을 가진 빛을 볼 수 있다니! 과학자들은 최근 몇 년 동안, 인간에게 이런 일이 일어나는 메커니즘을 궁금하게 생각해 왔다. 내 눈이 나를 속였나? 팔체프스키 교수가 이끄는 연구진은, 적외선의 가시화(可視化)에 관한 두 개의 유력한 가설을 테스트해 보고 싶었다. 첫 번째 가설은 `장파장의 빛이 눈의 콜라겐 연결조직에 충돌하면, 소량의 충돌에너지가 이 빛을 1/2의 파장을 지닌 광자로 변화시킨다`는 것인데, 이러한 현상을 제2고조파 발생(SHG: second-harmonic generation)이라고 한다. 망막은 이렇게 탄생한 가시광선을 감지하여, 뇌로 하여금 `광원에서 직접 나온 빛을 봤다`고 착각하게 한다는 것이다. 두 번째 가설은 적외선의 가시화를 2광자이성화(two-photon isomerization)의 결과로 보는데, 좀 더 자세히 설명하면 다음과 같다: 눈의 망막에 있는 광수용체 분자는 전통적인 가시광선의 파장을 가진 개별 광자로부터 에너지를 흡수한다. 에너지를 흡수한 광수용체는 형태가 바뀌어, 일련의 연쇄반응을 일으켜 우리로 하여금 가시광선을 보게 만드는데, 이것을 이성화라고 한다. 그러나 각각 절반의 에너지를 보유하고 있는(그리하여 파장이 2배인) 광자일지라도, 두 개가 한꺼번에 광수용체 분자에 충돌한다면, 둘의 에너지가 합쳐져 - 마치 하나의 가시광선 광자처럼 - 이성화를 촉발할 수 있다. 첫 번째 가설을 검증하기 위해, 연구진은 마우스의 망막에서 콜라겐을 제거하고는 상이한 파장의 빛에 대한 반응을 측정해 봤다. 실험 결과, 마우스의 망막은 1,000nm의 광선에 여전히 반응하는 것으로 나타났다. 이는 눈 안에서 발생하는 SHG 현상은 적외선의 가시화를 설명하는 정답이 될 수 없음을 의미한다. 연구진이 로돕신(광수용체 단백질)의 결정체에 적외선을 쪼이자, SHG 모델에 반(反)하는 증거가 또 하나 나왔다. 1,000nm 이하의 파장에서 로돕신 결정은 적색에서 황색으로 바뀌는 것으로 나타났는데, 만일 색깔의 변화를 일으킨 원인이 SHG라면 로돕신 결정이 방출하는 빛의 스펙트럼에서 뭔가 분명한 단서가 나와야 한다. 그러나 조사 결과 아무런 단서도 발견되지 않았다. 연구진은 아직 두 번째 가설(2광자반응이 적외선의 가시화를 초래한다)을 입증하는 직접적인 증거를 얻지는 못했지만, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 긍정적인 결과를 얻었다. 양자화학적 계산 결과, 로돕신은 2개의 저에너지 광자를 흡수하여 하나의 가시광선 광자를 흡수할 때와 동일한 들뜬상태(excited state)에 돌입할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 연구진은 동일한 계산을 통해, 이중흡수(double absorption)가 1,000~1,100nm 사이에서 피크를 이룰 수 있음을 예측했는데, 이것은 연구진의 실험결과를 뒷받침해 주는 것이다. 연구진은 이상의 연구결과를 정리하여 12월 1일자 PNAS에 기고했다(참고 1). 절반의 성공 "적외선의 가시화가 실험을 통해 다뤄진 것을 기쁘게 생각한다. 그러나 나는 아직 SHG에 대한 지지를 철회하지 않았다. 나는 인간이나 영장류를 대상으로 한 실험에서, SHG의 역할을 배제하는 직접적인 결과를 얻고 싶다"고 SUNY 안과대학(SUNY College of Optometry)의 카심 자이디 박사(인지신경과학)는 말했다. 자이디 박사는 SHG를 지지하는 이론적 논문을 발표한 바 있다(참고 2). "연구진이 인간을 대상으로 한 실험과 양자역학 계산을 통해 결론을 내린 것은 매우 인상깊다. 이번 연구는 2광자흡수를 지지하는 대한 강력한 증거를 제시했다"고 볼링그린 주립대학교의 마시모 올리부치 교수(화학)는 말했다. "연구진의 다음 과제는 이번 연구결과를 응용하는 것이다. 실험실에서 저강도의 IR에 반응하는 돌연변이 동물을 개발하면 흥미로울 것"이라고 그는 덧붙였다. ※ 참고문헌 1. Palczewska, K. et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA http://dx.doi.org/doi:10.1073/pnas.1410162111 (2014). 2. Zaidi, Q. & Pokorny, J. Appl. Opt. 27, 1064–1068 (1988). visible.JPG http://www.nature.com/news/photons-double-up-to-make-the-invisible-visible-1.16459