생명체가 지속적인 자유에너지의 공급을 필요로 한다는 것은 실상 현대 세포생물학에서 가장 근본적인 주장일 것입니다.

세포분자생물학에서 거의 바이블처럼 여겨지는 브루스 앨버츠(B. Alberts) 등의 교과서에서 해당 내용을 찾아보았습니다.

• Bruce Alberts et al. (2022) Molecular Biology of the Cell. Seventh Edition. Norton. https://a.co/d/eIszw2i
  

이 책의 1장(pp. 2-9)에서 지구상 생명체의 보편적 특성들(THE UNIVERSAL FEATURES OF LIFE ON EARTH)을 다음과 같이 열거하고 있습니다.

• 모든 세포는 이중 가닥 DNA 분자의 형태로 유전 정보를 저장한다. All Cells Store Their Hereditary Information in the Form of Double-Strand DNA Molecules
• 모든 세포는 템플릿 중합을 통해 유전 정보를 복제한다. All Cells Replicate Their Hereditary Information by Templated Polymerization
• 모든 세포는 DNA의 일부를 RNA 분자로 전사한다. All Cells Transcribe Portions of Their DNA into RNA Molecules
• 모든 세포는 단백질을 촉매로 사용한다. All Cells Use Proteins as Catalysts
• 모든 세포는 동일한 방식으로 RNA를 단백질로 번역한다. All Cells Translate RNA into Protein in the Same Way
• 각 단백질은 특정 유전자에 의해 암호화된다. Each Protein Is Encoded by a Specific Gene
• 생명은 지속적인 자유 에너지의 투입이 필요하다. Life Requires a Continual Input of Free Energy
• 모든 세포는 생화학 공장으로 기능한다. All Cells Function as Biochemical Factories
• 모든 세포는 영양분과 노폐물이 통과해야 하는 원형질막으로 둘러싸여 있다. All Cells Are Enclosed in a Plasma Membrane Across Which Nutrients and Waste Materials Must Pass
• 세포는 무작위 열 운동에 의해 지배되는 미세한 규모로 작동한다. Cells Operate at a Microscopic Scale Dominated by Random Thermal Motion

이 절은 다음과 같은 문장으로 시작됩니다.

"오늘날 지구상에는 200만 종 이상의 생물이 살고 있지만, 아직 발견되지 않은 생물이 훨씬 더 많다. 각 종은 서로 다르며, 각 종은 스스로를 충실히 번식하여 그 종에 고유한 자손을 낳는다. 따라서 부모 생물은 자손이 갖게 될 특성을 매우 상세하게 명시한 정보를 물려준다. 이러한 유전 현상은 생명 정의의 핵심으로, 부모와 자손의 특성 사이에 동일한 유형의 연결 없이 구조가 생성되는 수정의 성장이나 촛불의 연소, 물 위에 파도가 형성되는 것과 같은 다른 과정과 생명을 구별한다. 살아있는 유기체는 촛불 불꽃처럼 존재하기 위해 자유 에너지를 소비해야 한다. 그러나 생명체는 이 자유 에너지를 사용하여 세포의 유전 정보에 따라 세포의 복잡한 조직을 생성하고 유지하는 매우 복잡한 화학 반응 시스템을 구동한다.

대부분의 생명체는 단일 세포로 이루어져 있다. 인간과 같은 생명체는 세포 그룹이 복잡한 세포 간 통신 시스템으로 연결된 특수 기능을 수행하는 거대한 다세포 도시와 같다. 그러나 인체를 구성하는 $10^{13}$ 개 이상의 세포가 모여 있는 집합체라 하더라도 전체 유기체는 단일 세포에서 세포 분열을 통해 생성된다. 따라서 단일 세포에는 한 종을 정의하는 모든 유전 정보가 포함되어 있다. 또한 세포는 환경으로부터 원료를 수집하고 이를 통해 부모의 유전 정보를 복사한 새로운 세포를 자신의 형상으로 만드는 데 필요한 모든 기계를 포함하고 있어야 한다. 지구상의 모든 세포는 정말 놀랍다." [DeepL로 초벌번역한 뒤 수정]

"There are more than 2 million described species living on Earth today, but many, many more are yet to be discovered. Each species is different, and each reproduces itself faithfully, yielding progeny that are unique to that species. Thus, the parent organism hands down information specifying, in extraordinary detail, the characteristics that the offspring will have. This phenomenon of heredity is central to the definition of life: it distinguishes life from other processes, such as the growth of a crystal, or the burning of a candle, or the formation of waves on water, in which structures are generated without the same type of link between the peculiarities of parents and offspring. A living organism must consume free energy to exist, as does a candle flame. But life employs this free energy to drive a very complex system of chemical reactions that create and maintain the intricate organization of its cells, all as specified by the hereditary information in those cells.

Most living organisms are single cells. Others, such as us, are like vast multicellular cities in which groups of cells perform specialized functions that are linked by intricate systems of intercellular communication. But even for the aggregate of more than $10^{13}$ cells that makes up a human body, the whole organism has been generated by cell divisions from a single cell. The single cell therefore contains all of the hereditary information that defines a species. The cell must also contain all of the machinery needed to gather raw materials from the environment and to construct from them a new cell in its own image, complete with a new copy of the hereditary information of its parent. Every cell on Earth is truly amazing."

이 중 자유에너지와 관련된 서술은 아래와 같습니다.

생명은 지속적인 자유 에너지의 투입이 필요하다.

Life Requires a Continual Input of Free Energy

"살아있는 세포는 화학적 평형으로부터 멀리 떨어져 있는 동역학적인 화학 시스템이다. 세포가 성장하거나 자신의 형상을 본떠 새로운 세포를 만들려면 필요한 합성 반응을 일으키기 위해 원료뿐만 아니라 환경으로부터 자유 에너지를 섭취해야 한다. 이러한 자유 에너지 소비는 생명의 기본이다. 이 에너지를 사용할 수 없게 되면 세포는 화학적 평형을 향해 붕괴하고 곧 죽게 된다.

한 가지 예로, 유전 정보가 전파되는 데는 자유 에너지가 필요하다. 세포의 분자를 열에너지가 부여된 물체 떼가 무작위로 격렬하게 움직이며 서로 충돌하여 충격을 받는다고 상상해 보라. 예를 들어 DNA 염기서열의 형태로 유전 정보를 복사하려면 이 거친 군집에서 뉴클레오티드 분자를 포착하여 기존의 템플릿에 정의된 특정 순서로 배열하고 고정된 관계로 서로 연결해야 한다. 뉴클레오타이드를 템플릿의 적절한 위치에 고정하고 서로 결합하는 결합은 열 운동의 무질서한 효과에 저항할 수 있을 만큼 충분히 강해야 한다. 결합 과정은 정확한 결합이 이루어지고 견고하게 만들어지는 데 필요한 자유 에너지의 소비에 의해 진행된다. 분자를 용수철이 달린 덫에 비유하자면, 분자는 적절한 파트너를 만나면 더 안정적이고 낮은 에너지로 결합된 상태로 튈 준비가 되어 있다고 할 수 있다. 분자들이 결합된 배열로 서로 스냅되면서 사용 가능한 저장 에너지, 즉 덫의 용수철 에너지와 같은 자유 에너지가 방출되어 열로 발산한다. 세포에서는 정보 전달의 기본이 되는 화학적 과정이 더 복잡하지만 질서 생성을 위해 자유 에너지가 소비되어야 한다는 기본 원리는 동일하게 적용된다.

따라서 유전 정보를 충실히 복제하고 실제로 모든 복잡한 분자를 정확한 사양에 따라 만들기 위해서는 세포에 자유 에너지가 필요하며, 이는 주변에서 어떻게든 가져와야 한다. 동물 세포에 필요한 자유 에너지는 음식 분자의 화학 결합에서 동물이 섭취하는 음식 분자의 화학 결합에서 파생되는 반면, 식물은 햇빛에서 자유 에너지를 얻는다."[DeepL로 초벌번역한 뒤 수정]

"A living cell is a dynamic chemical system, operating far from chemical equilibrium. For a cell to grow or to make a new cell in its own image, it must take in free energy from the environment, as well as raw materials, to drive the necessary synthetic reactions. This consumption of free energy is fundamental to life. When this energy is not available, a cell decays toward chemical equilibrium and soon dies.

As one example, free energy is required for the propagation of genetic information. Picture the molecules in a cell as a swarm of objects endowed with thermal energy, moving around violently at random, buffeted by collisions with one another. To copy genetic information—in the form of a DNA sequence, for example—nucleotide molecules from this wild crowd must be captured, arranged in a specific order defined by a preexisting template, and linked together in a fixed relationship. The bonds that hold the nucleotides in their proper places on the template and join them together must be strong enough to resist the disordering effect of thermal motion, which we describe shortly. The joining process is driven forward by a consumption of free energy, which is needed to ensure that the correct bonds are made, and made robustly. As an analogy, the molecules might be compared with spring-loaded traps, ready to snap into a more stable, lower-energy attached state when they meet their proper partners. As they snap together into the bonded arrangement, their available stored energy—their free energy—like the energy of the spring in the trap, is released and dissipated as heat. In a cell, the chemical processes underlying information transfer are more complex, but the same basic principle applies: free energy must be spent for the creation of order.

To replicate its genetic information faithfully, and indeed to make all its complex molecules according to the correct specifications, the cell therefore requires free energy, which has to be imported somehow from the surroundings. The free energy required by animal cells is derived from chemical bonds in food molecules that the animals eat, whereas plants get their free energy from sunlight." (pp. 7-8)

Molecular-Biology-of-the-Cell-Bruce-Alberts-et-al.pdf