출처 ：바이두 과학무쌍?
신기한 이동
새들의 이동 심지어 모든 동물들 이주의 수수께끼는 언제나 과학자들의 호기심을 끌어 왔습니다. 겨울에는 남쪽으로 날아가고 여름에는 차례차례 되돌아옵니다.
새들의 이동
마치 불변의 법칙 같은 일이지만 그렇게 간단하지는 않습니다. 새들은 집으로 돌아가는 길을 어떻게 기억할까요? 지도와 GPS 내비게이션이 없는 상황에서 사람들이 목적지에 쉽게 도달할 수 있을까요? 그런데 새들은 어떻게 할 수가 있을까요?
일부 연구 팀은 초파리 연구 과정에서 그들은 자기장을 감지하는 능력이 있다는 것을 발견했습니다. 그러나 제왕 나비 같은 곤충은 지구의 아주 미약한 자기장을 감지해서 이동의 길을 찾습니다.
제왕나비(Monarch butterfly)
조류 연구도 마찬가지입니다. 전서구(통신 비둘기) 부리 위에 자석을 부착하면 그들은 지구 자기 감지 능력을 잃어버려 방향을 잃을 것입니다. 로빈 새를 방에 넣고 약한 인공 자기장을 방 전체에 흐르게 하면, 로빈이 방의 어떤 특정한 방향의 구석에 머문다는 것을 알 수 있습니다. 자기장을 바꾸면 거기에 따라서 새도 위치를 바꿉니다.
로빈 새(Robin)
분명한 것은 새들도 지구의 자기장을 감지할 수 있다는 것입니다.
자기장 감응 수수께끼
조류의 자기 감지 능력을 설명하기 위해 처음에는 두 가지 견해가 있었습니다. 하나는 생명체 내에 "나침반"과 같은 자기 수용체를 갖고 있다는 것입니다. 다른 하나는 자기장이 생명체 내의 화학 반응에 영향을 미친다는 것 입니다.
그러나 여러 현상을 통해서 보면, 조류 체내에 비록 자기 광성 결정체를 갖고 있다 할지라도 그들의 감지 능력과 직접적인 관계는 없습니다. 이 견해는 열광적인 지지를 잠시 받은 후 순식간에 원점으로 돌아가서는 조금의 진전도 없었습니다.
그렇다면 이제 남은 것은 두 번째 관점 밖에 없습니다. 그러나 지구의 자기장은 매우 약하고 지표면 자기장은 약 30-70 마이크로 테슬라에 불과합니다. 생명체의 경우 오직 신체의 특정 화학 반응이 지구 자기장의 영향을 받아야만 비로소 감지할 수 있습니다. 하지만 이렇게 약한 지구 자기장은 살아있는 세포에 대해서 생성되는 에너지는 화학 결합을 형성하거나 절단하는데 필요한 에너지의 10 억분의 1에도 못 미칩니다.
도대체 어떤 메커니즘으로 인해 미세한 자기장이 체내의 화학반응에 영향을 미칠까요?
아마도 이것은 “작은 힘으로 큰 힘을 이기는” 메커니즘으로 설명을 해야할 것 같습니다. 똑 같은 힘을 가진 두 명의 줄다리기 선수처럼 둘은 힘이 같아서 그 누구도 상대방을 이길 수가 없습니다. 이 때, 약한 미풍이 불어오면 그 미세한 방해로 인해서 균형이 깨져 바람을 마주보는 선수가 이길 수가 있습니다.
아주 작은 방해라도 균형상태를 깨뜨릴 수 있다
독일 과학자 클라우스 슐텐(Klaus Schulten)은 괴팅겐(Gottingen)의 플랑크 연구소에 있을 때, 빠른 삼중항 반응（Fast Triplet Reaction에서 한 쌍의 프리 래디칼(활성 산소)이 생성될 것이 라고 추측을 했습니다. 그 프리 래디칼에 있는 한 쌍의 비결합전자는 양자 얽힘 상태에 놓입니다. 이 얽힘 상태의 전자는 자기장 방향에 대해서 극도로 민감합니다. 로빈 새는 아마도 이런 양자 얽힘 메커니즘을 응용해서 자기장을 감지할 겁니다.
양자 해석
양자 역학에서 입자는 스핀이라는 고유 속성을 가지고 있습니다. 각운동량의 법칙을 따르고 대개 지구의 자전 운동과 비슷한 그런 운동을 하지만 또 다른 개념의 운동입니다. 어떤 방향에서 보든 입자의 회전은 항상 시계 방향 (위로 회전) 또는 시계 반대 방향 (아래로 회전)이란 것을 관찰할 수 있습니다.
파울리의 배타 원리에 따르면 원자 또는 분자 중에서 쌍을 이룬 두 전자는 동일한 에너지를 갖습니다. 그러면 그들은 오로지 반대 방향으로만 회전할 수 있습니다. 측정 전에 전자는 스핀 중첩 상태에 있는데, 위쪽으로도 회전하고 아래로도 회전을 합니다. 어떤 시간에서 보더라도 둘 중의 하나는 위로, 다른 하나는 아래로 회전을 합니다. 따라서 두 전자의 스핀이 서로 상반되기 때문에 이 두 전자는 오직 하나의 상태로만 표현이 되는데, 그것을 바로 “스핀 단일 상태” 라고 부릅니다.
그러나 만약에 에너지 준위가 같은 두 전자가 짝을 이루지 않으면 그들은 같은 방향으로 회전할 수 있습니다. 이를 스핀 “삼중 항 상태”라고 합니다.
이 반응 과정에서 단일 상태와 삼중 상태의 확률은 같지 않습니다. 추가된 자기장과 분리된 전자쌍에 의해 형성된 각도는 확률에 영향을 미칩니다. 따라서 궁극적으로 화학 반응의 결과물에 영향을 미칩니다.
이 양자 메커니즘을 통해 로빈 새의 체내 화학 반응에 영향을 미치는데, 이것이 로빈 새로 하여금 지구 자기장의 방향을 감지할 수 있게 합니다.
물론 로빈 새가 양자 역학을 이해한다고 말하는 것은 당연히 불가능합니다. 다만 이런 능력을 유전자에 새겨 놓아서 자기장에 대해서 본능적으로 반응할 수 있다는 것입니다.
인류의 자연 법칙과 현상에 대한 탐구는 끝이 없는데, 로빈 새의 이동 수수께끼도 마치 양파 껍질을 벗기 듯이 하나씩 벗겨내고 있습니다. 인간의 호기심은 이렇게 하나를 알면 둘을 알고 싶어 하듯 끊임없이 파헤쳐서 결국은 답을 찾아낼 것 입니다.
