지적설계연구회
 

 
 
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(2006-01-18 01:10:00)
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지적설계를 적용한 정보저장 메커니즘 연구 (이승엽/임효석)

지적설계를 적용한 정보저장 메커니즘 연구

Application of Intelligent Design to information Storage Mechanism


이승엽•임효석
Seung-Yop Lee, Hyo-Suk Lim

Key Words : Intelligent Design(지적설계), Information Storage Device(정보저장기기), 생물학적 정보, DNA, 모터(motor) , 편모(flagellum), Irreducible Complexity(환원불가능한 복잡성), MEMS(초소형전기기계시스템)

ABSTRACT

본 연구는 생물학적 정보가 저장된 DNA와 현재 컴퓨터의 주 저장장치인 하드디스크드라이브(HDD)의 정보저장 및 재생 방식을 지적설계 관점에서 비교한다. 자기 기록 형태로 정보를 저장하는HDD는 매우 많은 부품이 정밀하게 설계 및 결합되어 있을 뿐 아니라 정밀 구동과 정보의 코딩과 디코딩에 관련된 모든 신호처리를 관장하는 고성능 회로가 내장되어 있다. DNA는 4가지 염기 서열로 이루어진 정보 패턴 뿐만 아니라 정보의 저장 및 재생에 관련된 많은 부분이 HDD보다 정밀한 구동기 및 복잡한 신호처리 매커니즘을 필요로 하며 이는 환원불가능한 복잡성의 구조이다. 또한 진화론의 관점에서 매우 하등한 편모의 모터 부품들이 현재 첨단 기술로 제작 가능한 모터보다 크기가 작을 뿐만 아니라 복잡한 매커니즘으로 구성되어 있으며 Aspect ratio도 매우 큰 지적설계 된 것임을 보인다.


1. 서 론

다윈주의(Darwinism)에서는 생명의 기원과 발달을 오직 방향성이 없는 자연적인 원인만을 가지고 설명한다. 특히 다윈주의는 하나님이나 또는 어떠한 인도하는 지성이 생명의 기원과 발달에 어떤 역할을 했을 가능성을 배제시킨다. 방향성이 없는 자연적인 원인이 생명의 모든 다양성과 복잡성을 만들어 낼 수 있다는 다윈주의의 시각을 부적절하다고 여기는 반대자들이 항상 있었다. 최근 10년동안 미국 학자들을 중심으로 지적설계 운동이 대두되었고 생물학을 비롯한 다양한 분야에서 다윈주의에 대항하여 지적 원인에 의한 설계를 과학적인 연구로 진행중에 있다. 본 논문은 현재 컴퓨터의 정보저장기기로 사용되는 하드디스크 드라이브(HDD)의 정보저장 매커니즘과 생물학적인 유전 정보를 포함하는 DNA의 정보저장 매커니즘을 비교한다. DNA에서 환원 불가능한 복잡성을 갖는 매커니즘이 존재하는지를 HDD의 다양한 부품의 상호 연결과 매커니즘 특성을 적용하여 제시하고자 한다. 따라서 본 논문은 지적설계에 관한 개요와 현재 하드디스크 동향 및 정보저장 원리를 먼저 제시하고 DNA의 구조에서 나타나는 지적설계 매커니즘을 제시하며 또한 초소형전자기계시스템(MEMS) 연구로 만들어지는 초소형 모터와 박테리아 편모의 모터 매커니즘의 비교를 통하여 모터의 매커니즘은 지적인 원인에 의한 설계임을 제시하고자 한다.


2. 지적설계 개요

지적설계운동은 최근 10년 동안 미국에서 급부상하고 있는 창조과학에 대한 새로운 접근법이라고 할 수 있다. 미국에서 지적설계운동을 이끌고 있는 사람 중 한 사람인 윌리엄 뎀스키(William Dembski)는 이를 다음과 같이 정의하고 있다. "지적설계운동은 지적인 원인들의 영향을 연구하는 과학의 연구 프로그램이고, 다윈주의와 다윈주의의 자연주의적 유산에 대해 도전하는 지적인 운동이며, 하나님의 역사하심을 이해하는 한 가지 방법이다." [1]
지적 설계는 방향성이 없는 자연적인 원인들이 할 수 없는 일을 지적 원인들은 할 수 있다는 관찰로부터 시작된다. 방향성이 없는 자연적 원인들과 지적 원인들 사이에 근본적인 구별이 있다는 이러한 직관은 지난 세기들의 설계 논증에 깔려 있었다. 지적 설계 운동은 Charles Thaxton, Walter Bradley, Michael Denton, Dean Kenyon, Phillip Johnson 등의 작업으로 시작되었으며 다윈주의를 과학적, 철학적 측면에서 비판하였다.
1996년 열렸던 컨퍼런스에서는 지적설계에 관심이 있는 200여명의 과학자, 철학자, 그리고 일반인들이 모였는데, 컨퍼런스 결과 지적설계가 창조론 운동의 새로운 패러다임으로 확실하게 제시되었다. 이 컨퍼런스에서 윌리엄 뎀스키는 스티븐 메이어, 폴 넬슨 등과 함께 "설명을 찾아 내는 여과기"(explanatory filter)라는 개념을 사용해서 지적설계를 과학의 연구 프로그램으로 만들자고 제안한다.
같은 해1996년에 미국 리하이(Lehigh) 대학의 생화학 교수인 마이클 베히 박사가 “다윈의 블랙 박스(Darwin's Black Box)”를 출판하였는데 이 책에서 베히는 생화학 시스템 중에는 "환원 불가능한 복잡성(irreducible complexity)”의 성질을 갖고 있는 시스템들이 많이 있고, 이런 시스템들은 설계에 대한 증거로 볼 수 있다고 주장했다 [2]. 이 책을 통해서 처음으로 설계를 접목시킨 생물학 연구 프로그램의 구체적인 모습이 드러나게 되었다. 마이클 베히의 환원불가능한 복잡성은 물리학자 David Bohm의 "활동적인 정보(active information)", 수학자 Marcel Schutzenberger의 "기능적 복잡성(functional complexity)", 그리고 윌리엄 뎀스키의 "복잡 특수 정보(complex specified information)"로도 표현된다.
지적 원인의 경험적 탐지가능성은 지적 설계를 전적으로 과학 이론이 되게 하고, 그것을 철학자들의 설계논증이나 전통적으로 '자연신학'이라고 불리워진 것과 구별한다. 세상에는 방향성이 없는 자연적 원인들로는 설명할 수 없고 오직 지적인 원인에 의지하여야만 적절하게 설명할 수 있는 사건들, 사물들 그리고 구조들이 있다. 과학자들은 지금 이것을 엄밀하게 보여줄 수 있는 위치에 있다. 오랬동안 있어왔던 철학적 직관이 이제는 지적설계를 통해서 과학적인 연구 프로그램으로 형성되고 있다.


3. DNA와 HDD 정보 비교

3.1 HDD의 정보저장 원리 및 연구동향
현재 정보저장기기는HDD로 대표되는 자기기록 방식과 CD-ROM/RW로 광기록 방식의 디스크 드라이브가 사용되고 있다. 최근 몇 년간 저장밀도가 100%씩 증가하여왔던 HDD는 초상자성한계 (superpara magnetic limit) 에 근접하였고 광디스크 드라이브는 HD급 영화를 30-40G를 저장할 수 있는 HD-DV의 초기 표준이 확정되었다. 매년 치열한 개발 경쟁을 벌이고 있는 관련업계는 현재 디스크 드라이브의 고성능 및 고밀도 뿐만 아니라 차세대 시장 선점을 위한 새로운 형태의 정보저장기기에 대한 연구를 활발히 하고 있다. 탐침 형태 정보저장기기, 근접장을 비록한 새로운 광기록 방식, 홀로그램 저장기기 등이 그 대표적인 예이다. Fig. 1은 현재 상용화된 정보저장기기와 2005년 정도에 상용화될 예정인 차세대 정보저장기기의 저장용량과 access 시간을 보여준다.


Fig 1. Storage Positioning Map

(1) 자기기록 (HDD)
자기기록은 금속이 자력을 받으면 자화되는 원리를 이용하여 정보를 기록하는 방식으로 헤드에 감겨있는 코일에 전기가 흐르면 자력이 발생하여 디스크 표면의 자성물질이 자화되고, 반대로 자화된 부분이 헤드 부분을 지나면 코일에 전기가 유도되어 정보를 재생한다. 현재까지 자기기록의 급격한 저장밀도의 증가는 헤드 기술의 발전으로 인한 단위 길이당 비트수인 선밀도 (BPI: 인치당 비트)와 서보 및 부품 개선에 의한 트랙밀도 (TPI 인치당 트랙)의 증가에 기인한다. 헤드는 MIG(metal in gap), 박막(thin film), 자기저항(MR)을 거쳐서 최근에는 GMR(Giant Magneto-Resisitive) 헤드가 사용되고 있다. GMR 헤드는 자기장 변화에 큰 민감도를 가지고 있기 때문에 고속 회전하여 큰 데이터 전달율과 높은 선기록 밀도 신호를 감지할 수 있다. Fig.2는 기록 및 MR 재생 헤드의 내부 구조와 디스크 자기 매체에 자화시키는 그림을 보여준다.
최근 매체 기술 측면에서는 AFC(anti-ferromagnetically coupled) 매체의 개발을 들 수 있다. AFC 매체는 두 개의 자성층과 그 사이에 루테늄(Ru)이라는 금속을 넣은 다층막을 사용한다. 따라서 아래층과 윗층의 자성막을 합한 것이 자성 결정립의 부피가 되기 때문에 열적 안정성을 도모할 수 있으며, 동시에 매체나 헤드가 느끼는 분자값이 충분히 작아서 천이길이가 짧아져 그만큼 고밀도 기록이 가능하게 된다. 최근 IBM은 GMR 헤드와 AFC 매체와 유리 미디어(glass media) 기술을 채택하여 120Gb/in2의 저장밀도를 갖는 HDD를 개발하여 양산하고 있다 [3-6].


Fig 2.자기기록 헤드에 의한 정보기록 및 재생


Fig 3.하드디스크 드라이브의 주요 부품

(2) 차세대 자기기록
자기 기록 방식의 미디어 측면에서는 비트 크기가 작아짐에 따라서 주위 비트와의 간섭과 보자력(coercivity)의 열적 불안정성, 자구(magnetic grain)의 크기가 작아짐에 따라 발생하는 신호대 잡음비(SNR)의 문제 등을 해결하려는 연구와 함께 새로운 미디어에 대한 연구가 필요하다. 이와 관련된 연구로는 헤드의 이동 방향과 수직으로 미디어를 자화시키는 수직 기록 방법과 비트를 미디어 면에 연속적으로 기록하는 것이 아닌 각 비트를 분리하는 패턴 자기 미디어 (patterned magnetic media)와 자성을 띠는 수십 나노미터 직경의 나노 와이어(nano wire)를 심어 놓는 자성 미디어 개발 등을 들 수 있다.
수직자기기록은 기존의 수평 기록 방식을 대체하여 1Tb/in2의 면기록 밀도를 구현 할 수 있으며 패턴 미디어 경우에는 이온 패터닝 제조 방법을 사용하여 직경이 67nm 정도의 결정립을 독립적으로 배열시켜 하나의 비트로 활용하여 140Gb/in2의 면기록 밀도를 구현하였다 [3-6].

(3)주사형 탐침 기록 기술
현재 100Gb/in2 이상의 저장밀도를 위해서는 기존의 액츄에이터를 이용하여 나노미터 크기의 비트에 위치 제어가 불가능하기 때문에 기록/재생 헤드를 탐침 형태의 헤드로 사용하여 MEMS 기술이 수반되는 압전소자 구동기를 액츄에이터를 적용한 방법이 주로 연구되고 있다. Fig. 4는 탐침형 형태 저장기기의 개략도를 보여준다. 이미 IBM은 Millipede 프로젝트를 통해 AFM 탐침으로 높은 온도로 데이터를 읽고 쓰는 방법을 사용하여 500Gb/in2의 저장밀도를 갖는 HDD 형태의 기억 매체를 구현하였다. 카네기 멜론 대학에서는 자기기록 방식을 병행한 탐침 형태 기술을 개발하였고 Nanochip 회사에서는 탐침 에레이를 응용하여 데이터를 읽고 쓰는 저장 장치의 초기 형태를 제작하였다 [4,8-10].


Fig 4. 탐침형태 기술 Millipede

3.2 DNA 의 정보 저장 원리
인간의 모든 정보(유전자)가 저장되어있는 DNA의 2중 나선 구조는 1953년에 왓슨과 클릭에 의해 발견되었다. 이중 나선 모델은 쉽게 풀리거나 끊어지지 않고 뒤바뀐 염기배열을 쉽게 복원할 수 있는 화학적 안정성을 갖는다. DNA가 존재하는 염색체의 구조를 살펴보면 이러한 이중 나선의 구조가 3차원적으로 복잡하게 얽혀있음을 알 수 있다. 생명 정보의 기본인 DNA에는 아미노산 배열을 지령하는 암호가 저장되어 있다. 이러한 암호는 4종류의 염기로 이루어져 저장되어 있고 독특한 상보적 결합방식을 갖는다. 4종류의 염기는 아레닌(A), 티민(T), 구아닌(G), 시토신(C)을 말하고 이것 중 3개의 결합이 하나의 아미노산을 지정하는 암호역할을 하게 되는 것이다. 이들 아미노산의 긴 사슬을 DNA라 말하고 저장 되어있는 염기는 아레닌과 티민, 구아닌과 시토신의 결합성에 의해 읽혀 질 수 있게 된다 (Fig. 5). 20종류의 아미노산이 수십개에서 수백개가 연결된 사슬을 폴리펩티드라고 하고 한 개에서 수개의 연결된 폴리펩티드를 단백질이라 한다. 인간의 경우 한 개의 염기보다는 단백질을 그 최소 정보라 할 수 있는데, 단백질은 아미노산의 배열순서에 따라 그 기능이 달라지게 된다. 저장된 정보에 따라 그 역할이 달라지게 되는데 이러한 일을 주관하는 것이 효소이며 효소 또한 단백질로 구성되어 있다. 인간의 모든 정보는 세포 속의 23쌍의 염색체 안에 기록되어 있다. DNA에 저장된 정보 용량을 대략적으로 계산하면 다음과 같다. 하나의 세포 안에는 23쌍의 염색체가 존재하고 하나의 염색체 안에는 반경 1nm와 두께 0.34nm 정도의 염기가 30억개 정도나 배열되어 있다. 따라서 이를 통해 용량을 계산하여 보면 약 세포 당 750MB의 저장밀도가 형성된다 인체내의 세포의 개수는 대략 60조개 정도이므로 개인당 4.5TB 정도의 저장용량을 갖게 된다고 볼 수 있다. [11].


Fig. 5 The nucleotide array in DNA

저장된 DNA정보를 이용하여 의미 있는 정보인 단백질을 합성하는 과정은 DNA의 이중 나선 중 한 가닥과 상보적인 RNA를 합성하는 전사의 과정과 RNA의 정보를 이용하여 단백질을 합성하는 과정으로 나누어 볼 수 있다. DNA의 A,C,T,G의 염기는 RNA중합효소에 의해 RNA에서는 A,C,T,U로 전사(복사)가 되고 전사된 RNA를 이용하여 단백질을 합성하는 과정에서는 다양한 RNA가 필요하게 된다 (Fig. 6). m-RNA라는 정보를 보관하는 부분과 t-RNA라는 운반의 역할을 하는 부분, 그리고 r-RNA(리보솜)라는 정보를 읽는 부분이 작용함으로써 단백질이 합성된다. 합성순서는 RNA에서 불필요한 인트론 부분을 없애고 엑슨 만을 연결하여 m-RNA를 만든다. 이 m-RNA가 세포질로 나아가서 r-RNA과 접착하여 각각 대응하는 염기의 나열인 아미노산을 합성하게 된다. 이때 합성된 아미노산은 t-RNA가 운반하게 된다. 이 과정에서 단백질 합성을 위해 쓰인 RNA중합요소와r-RNA는 또한 단백질로 구성되어있다. DNA역시 염기와 단백질이 결합되어 존재한다. 따라서 단백질을 합성하기 위해서는 합성이 일어나기 전에 이미 단백질이 존재해야 한다는 것으로 처음부터 단백질과 이를 합성할 수 있는 효소가 함께 존재해야 함을 의미한다 [14].


Fig 6. RNA 전사 과정

3.3 HDD와 DNA의 정보저장 방식 비교
윌리엄 뎀스키는 정보이론을 응용하여 DNA 정보 패턴이 복잡특수정보(CSI)임을 보임으로 지적 설계된 산물임을 언급하였다 [1]. 여기에서는 DNA 정보패턴의 지적설계보다는 정보저장방식에 관련된 환원불가능한 복잡성을 언급하도록 한다. 정보를 보관하고 그 정보를 읽어서 이용하기 위해서는 기본적으로 정보를 담고 있는 부분과 그를 읽어내는 부분, 그리고 읽어낸 정보를 원하는 곳으로 이동하는 부분이 필요하다. 이상에서 살펴본 HDD 와 DNA의 메커니즘을 살펴보면 여러 가지 유사성을 발견할 수 있다. 정보를 담고 있는 부분에 대해 알아보면 HDD는 3.5인치 지름과 1.2mm의 두께의 원형 디스크 표면에 자화방향에 따라 0과 1의 2진수의 신호로 기록하고 읽게 되고 세포는 3차원 구조의 DNA에 나열된 4종류의 염기의 배열을 통해 정보 암호를 저장하게 된다. 저장된 정보를 읽는 과정에서는 필요한 정보가 있는 지점을 찾아내고 이동하는 운반체 즉 엑츄에이터가 필요하게 된다.
HDD의 경우는 스윙암 타입의 엑츄에이터가 원주방향으로 회전운동을 함으로 원하는 정보를 담고 있는 트랙을 찾게 된다. 헤드가 정보를 읽을 때 40~50nm정도의 높이로 부상하여야 하는데 회전 시에는 디스크가 굴 굴곡에 따라 대응하면서 일정한 부상높이를 유지하도록 슬라이더의 ABS(air bearing surface)를 설계하여야 한다. 현재 HDD에서 트랙간의 간격은 500 nm 정도로 머리카락의 직경의 200분의 일에 해당한다. 이 간격의 12%정도 즉 60 nm 정도의 오차가 생기면 정보를 읽지 못하게 된다. HDD의 이러한 정밀도는 500 km/h의 속도로 날아가는 70 m 길이의 보잉747 비행기가 지면과 2 mm 의 간격을 일정하게 유지하면서 떠있어야 하고 정해진 항로에서 3 mm만 벗어나지 않는 것으로 비유될 수 있다.
이와 같은 HDD 헤드의 위치를 초정밀하게 움직이기 위해서는 매우 정밀한 고대역폭의 서보 제어기가 필요하게 된다. Fig. 7은 헤드의 위치 제어를 하는 서보 시스템의 구조를 보여낸다. 원하는 트랙을 찾기 위해서는 디스크 의 약 10% 영역에 위치정보를 저장하여 그레이 코드를 통해 트랙정보를 나타내고 서보 버스트를 사용하여 트랙내의 상대위치로서 위치 정보를 나타내게 된다. 이 정보를 통해 얻은 오차신호를 계산하여 액츄에이터 VCM을 구동하게 된다. 이를 통해 원하는 트랙을 찾게 되고 코덱 시스템과 DSP시스템을 통해 신호를 기록 및 재생하게 된다. 탐침형 기록 기술의 경우는 디스크와 탐침 헤드가 거의 접촉되어 있는 상태로 디스크의 굴곡 형태에서 정보를 재생하게 되므로 액츄에이터의 속도가 매우 느린 단점이 있다. 이를 보완하기 위해 엑츄에이터를 수십개의 어레이 형태를 제작하여 병렬식 액츄에이터를 사용한다.


Fig 7. 정보저장기기와 DNA서보 시스템 구조

DNA의 경우는 HDD에 비해서는 50,000분의 1, 탐침형 기록 기술에 비해서는6000분의 1의 정보신호크기를 갖고 리보솜이 엑츄에이터의 역할을 하며 정보신호를 읽게 된다 (Table 1). 단백질을 이루는 아미노산은 세 가지의 염기로 구성이 되는데 30억개의 염기의 배열 속에서 원하는 아미노산 정보가 있는 곳을 찾기 위해서는 HDD에서처럼 배열의 정보를 미리 읽어내는 제어기가 필요하다. 3개의 염기의 배열이 아미노산을 나타내게 되는데 배열이 시작되는 순서를 잘못 판단하면 전혀 다른 정보로 읽혀질 수 있다.세포는 필요에 따라서 적절한 단백질을 생산하게 되는데 제어하는 효소들의 복잡한 활동이 필요하게 된다. 또한 합성된 단백질에 오차가 생기면 이를 확인하고 미세한 오차는 수정하고 그렇지 않은 경우는 파괴하는 작용을 하는 효소도 존재한다. 따라서 염기 배열의 위치를 찾아내고 단백질을 합성하는 과정에는 상당히 많은 고정밀 제어 알고리즘이 설계되어야 하며 이러한 서보 메커니즘은 전형적인 환원불가능한 복잡성을 갖는 구조라 할 수 있다. 또한 코딩된 DNA정보를 읽은 후에 원하는 정보로 디코딩하는데는 많은 복잡한 내부적인 처리과정을 거쳐야 한다. 정보저장기기에서 이와 같은 일을 수행하는 고성능DSP칩의 역할을 하는 기관이 존재하여야 하는데 이러한 것은 디코딩 특성상 코딩 방법에 대한 완벽한 지식과 병렬 신호 처리에 대한 복잡한 구조를 요구한다.
정보저장기기의 각각의 부품 중 하나가 그 역할을 하지 못하면 정보를 읽고 쓰기 위한 설계 목적을 이룰 수 없다. 따라서 DNA를 이용하여 단백질을 합성하는 과정 역시 각각의 효소 중 하나라도 빠지면 단백질을 만들 수 없고 결국은 생물의 생명을 유지시킬 수 없게 된다. 서보제어기의 정밀도와 디코딩 매커니즘의 복잡성을 고려할 때 DNA정보의 기록 및 재생 매커니즘은 환원불가능한 복잡성을 갖는다고 할 수 있다.

Table 1. 정보저장 방식 비교

HDD

탐침형

DNA

정보신호

2가지

2가지

4가지

정보신호크기[nm*nm/bit]

52.6*526

60*60

0.34*2

입/출력 속도[Mbit/s]

368

10

1.3~38

입출력구조

단일형

병렬식

병렬식

저장원리

자화방향

홈의 유무

화학적결합

정보용량

60GB/장

100GB-1TB

750MB/Cell총4.5TB

4. Motor 과 편모

4.1 편모의 구조와 작동원리
편모는 50 이하의 크기를 가지는 생물의 운동기관이다[17]. 편모는 원핵생물이나 진핵생물에서 발견이 되는데 진핵생물의 편모와 원핵생물의 편모는 서로 다 른 메커니즘을 갖는다. 진핵 생물의 편모는 아홉개의 이중체 -13개의 원형섬유와 10개의 원형섬유로 이루어 진 두개의 융합된 고리- 의 미세소관과 중앙의 두개의 단 일 미세소관을 갖는 9+2구조로 섬모와 동일한 구조와 운동 메커니즘을 갖는다.[2,13] 편모의 작동 원리는 ATP가 디네인에 공급되어 미세소관을 들어올 림으로 인해 활주운동이 생기고 넥신이 한계 이상의 활주 운동을 막기위해 미세소관을 잡아당김으로 인해 활주운동이 굽힘운동으로 전환된다.


Fig 8. 원핵 및 진핵생물의 크기와 운동기관

한편 박테리아에 서 볼 수 있는 원핵생물의 편모는 플라젤린이라는 단백질로 구성되어 있고 직경은 머리카락의 직경의 500 분의 1에 해당하는 12~19nm이고 길이는 세균의 수 배이다. Fig. 9에서 보이는 바와 같이 편모는 세포 표면의 근처에 돌출되어 있어서 프로펠러와 같은 회전운동을 하며 초당 세균의 길이의 10배정도의 거리를 이동할 수 있다. 이러한 회전운동을 하기 위해서는 모터와 같이 기본적으로 회전자 (로터)와 정지자 (스테이터) 그리고 회전을 시킬 수 있는 가동력이 필요하다. 일반적으로 많이 사용되는 DC-모터의 작동원리는 플라밍의 왼손법칙으로 설명할 수 있는데 이는 전류와 자기장 그리고 힘의 상호관계를 나타낸다. 회전자에는 코일이 감겨져 있고 정지자에는 영구자석이 붙어있어서 코일에 전류를 흘리게 되면 도선에 힘이 작용하게 된다. 이 힘이 회전자를 회전 시킴으로 모터가 회전하게 된다. 편모의 경우도 회전자와 정지자의 역할을 하는 부분이 있고 에너지원으로 ATP가 아닌 박테리아 막을 통과하여 흐르는 산(acid)의 유동을 통해 생기는 에너지를 이용한다 [2].


Fig 9. 박테리아 편모의 회전체 구조

4.2 전기모터와 편모 비교
초소형 전기모터와 박테리아 편모는 구조상으로 유사하지만 그 크기에서 편모가 상대적으로 작기 때문에 크기와 관련된 지배적인 힘이 다르게 나타날 수 있다. 수mm이하의 크기를 갖는 초소형의 세계에서는 거시적 세계와는 다른 물리 법칙이 지배한다. 길이가 줄어들게 되면 면적은 길이의 제곱의 비율로 줄고 부피는 길이의 세제곱의 비율로 줄기 때문에 질량보다는 면적에 관계되는 힘이 상대적으로 커지게 된다. 그래서 중력보다는 마찰력이나 점성력, 정전기력, 표면장력 등의 힘이 지배하게 된다. 길이가 줄어들게 되면 면적은 길이의 제곱의 비율로 줄고 부피는 길이의 세제곱의 비율로 줄기 때문에 질량보다는 면적에 관계되는 힘이 상대적으로 커지게 된다. 그래서 중력보다는 마찰력이나 점성력,정전기력,표면장력 등의 힘이 지배하게 된다. 질량과 가속도의 크기에 비례하는 관성력과 주변의 유체의 점도와 속도에 비례하는 점성력의 비를 레이놀즈 수로 정의하는데 이는 다음의 식으로 설명된다.


여기에서 는 밀도, L은 길이, V는 속도를 나타낸다.


Fig 10. 마이크로 모터와 머리카락(직경100)

초소형 마이크로 모터와 같은 수um의 기계시스템을 만들기 위해서는 기존의 제작 방법을 사용할 수가 없다. 이는 제작하기 위한 도구는 매우 정밀하여야 하기 때문에 리소그래피(Lithography)방법을 이용하게 된다. 이는 실리콘 기판 위에 layer를 덮고 자외선에 의해 식각이 되는 PR(photo resist)을 일정한 높이로 덮은 후 원하는 형상을 인화한 필름을 사용하여 특정 부분만을 자외선에 투과시킴으로 PR을 감광한다. 그 후 불필요한 PR층과 layer를 식각액으로 제거시키면 원하는 형상이 만들어지게 된다. 하지만 MEMS기술의 문제는 두께가 얇은 형상의 제작은 용이하지만 넓이에 비해 두께가 큰 형상의 경우 식각액이 제거해야 할 부분을 완벽하게 없애지 못해서 형상을 제작하는데 어려움이 있다. 이를 해결하기 위해 보다 강한 광선인 X-Ray를 사용하는 RIGA MEMS기술이 도입되어 너비에 대한 높이의 비를 높이게 되는데 최대 10의 깊이에 대해 400nm정도 너비를 갖는 형상을 제작할 수 있게 되었다. 하지만 높이가 커짐에 따라서 형상이 휘어지는 등의 문제를 안고 있다.
박테리아 편모의 형상은 길이가 50 정도 이상이고 직경은 12~19nm정도가 되는데 편모의 형상만을 제작하는 데에도 현재 기술로는 어려움이 있다. 게다가 각각 회전자와 고정자 등의 역할을 하는 부분들은 편모 전체의 형상에 비해 충분히 작다. 또한 편모의 모터는 크기가 작을 뿐만 아니라 인공적인 마이크로모터에 비해서 오히려 복잡한 구조를 갖는 많은 부품들로 구성되어있다. 박테리아의 편모는 관성력보다 점성력의 영향이 큰 레이놀즈 수의 세계에서 존재하고 또한 몸길이가 5 이하이기 때문에 이보다 큰 분자의 확산에 의한 영향을 크게 받게 된다. 박테리아가 1초 동안에 20 를 이동하는데 비해 주위의 분자의 확산속도는 1초에 45 정도이기 때문에 정지해 있는 박테리아는 주위의 확산되는 물질에 접촉이 가능하기 때문에 이동 수단인 편모의 효율을 높일 필요가 없다. 즉 이동수단이 발달되어야 할 필요가 없기 때문에 진화론에서 말하는 근육으로의 진화의 필요가 없다.[2,12] Table 2은 박테리아 편모와 마이크로 모터를 비교하여 정리하였다.

Table 2. 박테리아 편모와 마이크로 모터 비교

박테리아 편모

마이크로 모터

회전속도 [rpm]

-

~15,000

머리카락 직경에 대한 상대크기

1/500

0.5~1

운동원

산의 유동

정전기력

제작과정

설계 (창조)

설계(MEMS공정)

Aspect ratio (높이:너비)

최대2500:1

최대 25:1

5. 결 론

지금까지 정보저장기기와 DNA를 통한 인체의 정보를 적용하는 원리 그리고 모터와 편모의 작동원리 및 구조적 차이에 대해 살펴보았다. HDD나 차세대 정보저장기기를 진화의 산물이라고 말하는 이는 아무도 없을 것이다. 이는 복잡한 부품들이 각각 특정한 목적을 가지고 있어서 모든 부품이 정확하게 결합되어야만 작동되는 환원불가능한 복잡성을 갖기 때문이다. 마찬가지로 DNA역시 단백질 합성의 과정을 충실히 수행하기 위해서는 각각의 효소 RNA 중합효소,(m,r,t)-RNA들이 각각의 역할을 할 수 있도록 미리 준비되어 있어야 한다. 또한 그 외에도 필요에 따라서 원하는 단백질을 생산해야 하는 메카니즘과 정보가 저장된 곳을 찾아내고 새로이 생산된 단백질의 이상유무를 확인하는 효소등 다양한 역할을 하는 효소들이 존재하고 이러한 기능들이 정확하고 적절히 작용해야 하기 때문에 DNA를 단순히 구조의 RNA에서 진화된 형태라고 하는 것에 잘못된 것이다. 또한 이러한 정밀한 서보제어 및 코딩된 DNA 정보패턴으로부터 원하는 정보를 디코딩하는 신호처리는 지적으로 설계된 전형적인 예이다. 또한 박테리아 편모의 모터부와 구조적 유사성을 갖는 마이크로 모터를 비교하였다. 진화론의 관점에서 매우 하등한 편모의 모터 부품들이 현재 첨단 기술로 제작 가능한 모터보다 크기가 작을 뿐만 아니라 복잡한 매커니즘으로 구성되어 있으며 aspect ratio도 매우 큰 환원불가능한 복잡성을 갖고 있음을 알 수있다.


6. 후 기

본 연구는 한국과학재단 지정 정보저장기기연구센터의 지원 (R11-1997-006101-0)으로 수행되었으며 이에 감사드립니다.


7. 참고문헌

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