라이너스 폴링과 20세기 화학

 

 19세기 화학은 많은 화학 물질 (유기물과 무기물, 자연 물질과 합성 물질)의 특수한 성질과 상호 작용을 기술하기는 했지만 적절하게 설명해 내지는 못했다. 한 줌의 원소들 사이에서 일어나는 무수히 많은 화학반응은 말할 것 도 없고 쉽게 지각할 수 있는 물체들의 차이(가령 딱딱하고 부드럽고, 달콤하고 시큼한)는 무엇 때문에 생기는가? 20세기에 와서도 화학 이론은 내세 울 만한 주장을 펴지 못했다. 그런데 1930년대에 무르익은 양자 역학에서 새로운 분석 방법이 파생하여 새로운 화학 결합의 상이 출현하기 시작한다. 그것은 마침내 원소의 성질을 분석하고 화학반응을 예측하는 새로운 기술이 되었고, 뿐만 아니라 분자 생물학과 생명에 대한 생화학적 해석에서 진행되고 있는 방대한 결과들로 연결되었다. 이러한 변혁에서 첫 손꼽는 주역이 미국의 라이너 스 폴링(Linus Pauling)이다.

 

 라이너스 폴링은 1901년 2월 28일 오리건 주 오스위고에서 루시 이자벨 달링 폴링과 허먼 윌리엄 폴링의 아들로 태어났다. 폴링 집안은 예사롭지 않은 가문이었다. 라이너스의 숙모 스텔라 '핑거스' 달링은 이름난 금고털이였고,심령술사인 친척도 있었다. 허먼 폴링은 약사로 '창백한 사람들을 위한 폴링의 분홍색 알약'을 선전한 적도 있다. 그는 1910년 위궤양으로 젊은 나이에 죽었는데, 죽기 직전에 지방 신문에 편지를 써서 비범하고 지적인 재능을 지닌 아들에게 어떻게 용기를 불어넣어 주어야 하는지 물었다. 남편을 잃은 이자벨은 오리건의 작은 마을 콘던에서 하숙을 쳤다. 라이너스는 아버지 생전에는 화학에 아무 흥미도 느끼지 않았는데, 열두 살이 되자 문을 닫은 제련소에서 훔친 화학 물질을 가지고 실험하기 시작한다.

 

 1917년 졸업도 하지 않고 (두 번째 노벨상을 받고 난 뒤인 1962년 졸업장 을 받았다) 고등학교를 그만두었지만 오리건 농과대학에 들어가 화공학을 공부했다. 대학에 들어간 것은 순전히 그가 우겨서 된 일이었다. 어머니에게는 그의 공부보다는 가족에게 돈을 대는 게 더 중요했기 때문이었다. 1922년 학사 학위를 받고 나서 캘리포니아 공과대학 대학원에 진학한다. 당시 캘리포니아 공과대학은 화학부가 뛰어났는데, 간단한 '기름방울' 실험으로 전자의 전하를 처음 계산해 낸 저명한 물리학자 로버트 밀리컨(Robert Millikan)이 학장이었다. 캘리포니아 공과대학에서 폴링의 주요한 관심 영역은 물리 화학이었다. 그 는 곧 로스코 디킨슨(Roscoe Dickinson)의 지도를 받게 된다. 디킨슨은 10년 전 막스 폰 라우에가 복합 결정의 구성을 연구하는 과정에서 발견한 X선 회 절(回折: 파동의 전파가 장애물로 인해 일부가 차단되었을 때 장애물의 그림자 부 분에까지 파동이 전파하는 현상. 음파, 전자기파, 빛, X선 등에서 일어남)을 이용해 복합 결정의 구성을 연구한 인물이다. 폴링은 디킨슨과 협력하여 휘수연광 (輝水鉛鑛:몰리브덴의 원광)의 구조를 기술하고 많은 논문을 출간했으며, 1925년 최우수 성적으로 박사 학위를 받았다. 

 1920 년대 중반 새로운 양자 이론이 출현하여 원자를 더 잘 이해할 수 있게 되었고 화학을 새롭게 파악하기 위한 발판도 마련되었다. 폴링은 1926년 유럽 으로 가서 2년 전에 만난 적이 있는 아르놀트 조머펠트(Arnold Sommerfeld)와 함께 뮌헨에서 지냈고, 취리히에서 에르빈 슈뢰딩거를 만났으며, 코펜하겐에서 닐스 보어를, 괴팅겐에서 베르너 하이젠베르크와 막스 보른을 만났다. 이렇게 그가 양자 역학의 주역들과 교제한 것은 화학과 물리학의 새로운 결합을 상징한다. 이듬해 캘리포니아 공과대학에 돌아왔을 때에는 생존 화학자들 가운데 양자 이론을 제대로 이해하는 몇 안 되는 인물에 끼게 된다. 1931년 캘리포니아 공과대학 정교수가 되었고, 1929년에서 1934년까지 는 버클리의 캘리포니아 주립대학에서도 학생들을 가르쳤다.

 그는 초창기의 결정 연구에서 관심을 넓혀 1928년에는 양자 이론을 화학 결합 현상에 적용하게 된다. 폴링은 여러 원자들의 고유한 성질이 파동 역학에 의해 해석된 전자와 어떻게 관련을 맺는지를 보여 주었다. 또 화학 결합의 형성을 체계적으로 배치하는 일련의 규칙을 발전시켰다. 그 규칙들은 수학적 형태로 일반화되어 전자쌍 생성과 전자스핀과 관련되었고 원자 궤도상에서 볼 수 있다. 오비탈의 상호 작용은 물리적 관계를 결정하고, 나아가 화합물과 관련된 여러 가지 특질을 결정한다. 폴링에 관한 훌륭한 전기를 쓴 테드 고어첼 (Ted Goertzel)과 벤 고어첼(Ben Goertzel)은 이렇게 적었다. "시적인 표현을 바란다면 이렇게 말할 수 있다. 원자들은 전자의 양자파 작용을 교란하면서, 상대 원자를 '붙잡는' 가장 효과적인 방법으로 정확히 서로에게 닿는다. 이렇게 해서 원자들은 서로 결합하여 물질의 기본 요소인 분자를 만든다."

 

 1931년 폴링의 가장 영향력 있고 가장 중요한 논문인 「화학 결합의 특성」이 <미국 화학 학회보>에 실린다. 이를 시발로 1930년대 초 연달아 6편의 뛰어난 논문을 발표한다. 폴링의 업적은 주목을 끌었고 그는 학계에서 명성을 얻었다. 뿐만 아니라 대중 매체에서도 떠오르는 젊은 미국인으로, 유력한 노벨상 후보 로 칭송했다. 폴링은 주목을 받을 만한 인물이었다. 자신의 이론과 발견을 설 명하는 전공 분야 밖에서는 탁월한 화술의 소유자로서 비범한 문장과 유머를 가미한 기지를 발휘했다. 1931년 랭뮤어상 리셉션에서 강연할 때에는 우연히 정전으로 잠깐 말을 끊었을 뿐 쉬지 않고 말했다. 1939년 폴링은 20세기 화학 부문의 매우 중요한 저작인 『화학 결합의 특성』 초판을 펴냈다.

 

 폴링은 이렇게 쓴 바 있다. "1935년 무렵......나는 원자 결합의 특성을 본질적으로 완전히 이해했다고 생각했다." 그로부터 그는 더 복잡한 유기 분자의 연구로 시야를 넓혔다. 일찍이 1929년 유전학자인 토머스 헌트 모건이 캘리포니아 공과대학에 왔을 때부터 생물학에 관심을 가졌던 폴링은 이제 생명 과정을 이해하는데 화학이 매우 중요함을 예견했다.

 폴링의 생화학 연구는 의학을 비롯해 여러 영역에 영향을 주었다. 첫 번째 연구 대상은 혈액 내에서 산소를 운반하고 피를 붉은색으로 만드는 단백질인 해모글로빈의 구조를 해명하는 것과 관련이 있다. 처음에는 성공하지 못했지만 몇 년 뒤 겸상(鎌狀) 적혈구 빈혈증의 화학적 기초를 발견한다. 뉴욕 시의 센트리 클럽에서 저녁을 먹다가 갑자기 깨닫게 되었다고 한다. 그 결과 이 혈액의 질병이 분자 수준에서 일어나며, 멘델의 유전 법칙에 따라 유전하고, 말라리아를 예방하려는 유전적 적응임이 밝혀졌다. 자연히 겸상 적혈구 빈혈증이 왜 아프리카 흑인들에게 많이 발병하는지가 설명되었다. 무용을 가진 전문
겸상적혈구 빈혈증의 화학적 성질을 발견한 것은 생물 발생 연구의 이정표 였다. 그리하여 폴링은 혈청 반응을 더 자세히 연구하게 되었고, 항체의 구조, 항체와 항원의 관계도 조사했다. 당시 면역학에서 가장 저명한 학자인 카를란 트슈타이너 에게서 영감을 받고 힘을 얻어 항체-항원 반응 이론을 개발한다. 이 이론은 완벽하지는 않았지만 많은 영향을 주었다. 1942년 최초의 인공 항체 생산에도 관여했다.

 

 하지만 생화학 분야에서 폴링의 가장 중대한 업적은 역시 아미노산과 단백질 연구이다. 그 연구로 분자 생물학의 발전을 위한 발판이 상당 부분 마련되 었다. 생물학적 극미 세계의 도처에 존재하며 20세기 초부터 생명계를 이해하는 실마리로 여겨진 단백질은 순전히 그 수가 너무 많고 복잡하다는 이유로 오랫동안 분석할 엄두를 내지 못하고 있었다. 폴링은 종래의 기술을 이용함과 아울러 X선 회절에서 실마리를 얻어 분자의 축도 모형을 만드는 잘 알려진 방법을 택했다. 1937년 연구를 시작한 폴링은 1940년대 말 커다란 분자는 여러 번의 연결로 다양한 대칭을 이룰 것이라는 관념을 깨끗이 단념했다. 오히려 폴링은 과학적 상상력으로 비약하여 나선형이 '당량(當量)이지만 비대칭인 두 물체의 일반적 관계'를 표현한다는 것을 깨달았다. 길다란 분자들은 나선형을 취하는 수가 많다. 폴링은 로버트 코리(Robert Corey)와 함께 1950년 나선 구조에 관한 중요한 논문을 출간한다.

 DNA의 구조, 즉 유전 정보를 암호화하고 단백질 합성을 유도하는 길고 얇은 이중 나선의 분자 구조는 폴링의 통찰에서 유래한 가장 유명하고 눈부신 발견이다. 실제로 폴링이 DNA의 구조를 발견할 수도 있었는데 미국 정부의 참견 때문에 못했다고 생각할 수 있다. 그도 그 문제를 연구했지만, 킹스 칼리지 에서 모리스 윌킨스(Maurice Wilkins)가 찍은 질 좋은 X선 회절 사진을 접하지 못했다. 폴링은 1952년 영국에 가서 그 사진을 볼 작정이었다. 그러나 국무성 은 의회의 반미 활동 위원회의 권고에 따라 폴링의 정치적 견해가 자유주의라는 것을 이유로 여권을 갱신해 주지 않았다. 결국 폴링은 미국에 남았고, 1953 년에 발표한 논문에서 DNA 분자를 3중 나선 모형으로 기술했다. 그것은 틀린 것이었다. 두 달 뒤 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭이 올바른 이중 나선 구조의 설명을 발표한다.

 

 만년의 라이너스 폴링은 많은 정치 활동으로 더 두드러졌다. 1930년대에는 업턴 싱클레어가 캘리포니아 주지사가 되기 위해 벌인 놀라운 (실패했지만) 사회주의 캠페인을 지지했다. 2차 대전이 끝난 뒤에는 냉전 정책을 신랄하 게 비판하고 핵실험 금지 조약을 주창한 유력 인사였다. 그리하여 폴링은 1950 년대에 좌익 급진주의자로 조사받았고, 미국 재향 군인회로부터 "공산주의 노 선의 선동자"라는 비난을 듣기도 했다. 1963년 그가 노벨 평화상을 받자 <뉴욕 헤럴드 트리뷴>은 그를 가리켜 "회유하는 반전 운동가"라 지칭했다. 베트남 전쟁 동안에는 대체로 신좌파 정책을 지지했고 그쪽의 대변자가 되었다. 하지만 그는 정치 사상가는 결코 아니었다.

 캘리포니아 공과대학이 폴링의 두 번째 노벨상을 인정하지 않았기 때문에 1963년 민주주의 제도 연구 센터로 자리를 옮긴다. 1967년에 샌디에이고의 캘리포니아 대학으로 갔다가 1969년에는 스탠퍼드 대학에서 은퇴할 때까지 일했다.

 

 마지막 이삼십 년, 즉 1966년 무렵부터 흔한 감기와 헤르페스에서 암에 이르기까지 여러 질병을 막는데 비타민 C가 중요하다는 사실을 입증하기 위한 연구를 시작한다. 다량 복용의 효능을 입증하고 확신을 심어 주는 데는 실패했다. 아내인 아바 헬렌과 함께 매일 아침 많은 양의 비타민제를 먹었지만, 그것은 그가 오래 산 것과는 별 관련이 없을 것이다. 폴링은 기독교 근본주의자인 아서 로빈슨(Arthur Robinson)과 1974년 분자 교정 의학 연구소를 세웠는데, 오늘날 캘리포니아 팔로앨토에 있는 라이너스 폴링 과학·의학 연구소가 그것이다.

 

 폴링의 사적 인생은 겉으로는 평온했지만 속을 들여다보면 갈등이 없지 않 다. 그는 1922년 제자인 아바 헬렌 밀러와 결혼하여 3남 1녀를 두고 오래도록 행복한 결혼 생활을 했다. 라이너스 폴링은 무신론자였지만 폴링 부부는 유니테어리언(삼위일체설 부인, 그리스도를 신격화하지 않고 신은 하나뿐이라고 주장) 교도가 되었다. 그의 말을 빌리면, 유니테어리언교가 "세상을 개선하기 위 해 노력해야 한다고 믿는 이들을 교도로 받아들이기" 때문이었다. 성격을 평가하는 로르샤흐 검사로 과학자들을 조사한 두 차례의 연구에서 그 자신은 자기도취적이고 야심이 많으며 상상력이 풍부할 뿐 아니라 허무를 느끼는 사람으로 나타났다. 폴링은 감정을 억제하고 자신을 조절하느라 많은 애를 썼던 것 같다. 자신은 절대로 좋은 아버지가 못 되었다고 느꼈다. 네 자녀 가운데 딸 린다 폴링 캠브와 가장 가까웠다.

 

 폴링은 세상을 떠나기 전 몇 해 동안 대중에게서 존경을 받았다. 아내가 죽고 홀아비로 전국 토크쇼에 출연하자 그를 염려하는 수많은 편지가 여성들로 부터 쇄도했다. 1990년 전립선암 선고를 받았고, 나중에 전립선암이 소장으로 번졌다. 라이너스 폴링이 매일 비타민 C를 10밀리그램씩 먹으면 영생을 얻는다고 주장한 적은 전혀 없다. 그는 1994년 8월 19일 숨을 거두었다.