2-1. 자연은 차이를 혐오한다.

 

 

생명의 기원에 관한 문제는 생명의 정의와 표리일체의 관계에 있다.----- 이 지구상에는 여러가지 모양을 한 동물, 식물, 그리고 미생물로 넘쳐나고 있다. 그리고 주위를 살펴보고 어느 것이 생물이고 어느 것이 생물이 아닌지 하나하나 살펴보며 생각하는 사람은 없을 것이다. 생물과 비생물 사이에는 한번만 보아도 누구나 명백한 차이점을 찾아낼 수 있다. 그런데도 불구하고 막상 <생물의 정의는 무엇인가>라고 질문을 받으면 생물학자조차도 대답할 수 없다.--- 생물에 대해 엄밀한 정의는 할 수 없지만 그것이 비생물과 다른 성질, 또는 생물에 공통된 성질, 다시 말해서 생명의 특성을 들 수는 있다. ---- 생물의 특성은 (1) 에너지 대사를 하는 것, (2) 모양과 형태를 갖추고 있다는 것, (3) “자기복제능력을 갖고 있다는 것이다.

[생명의 탄생 원시생물로의 물질의 진화] P92---96

 

오늘날 생명의 기원을 연구하는 연구자들에게 지지를 받고 있는 일반적인 견해는 다음과 같다. 생겨서 얼마 안 된 지구상에는 아직 생명이 존재하지 않았으나 생명의 기초가 되는 간단한 유기화합물(탄소화합물로서 CO CO2보다 복잡한 화합물)이 자연히 합성되었고, 이 유기화합물들은 서로 반응하여 차례차례로 보다 복잡한 화합물로 성장해 갔다. 다시 몇 개의 분자가 모여서 복합체를 만들고 최종적으로 지구상 최초인 생물이 출현한다. 이 생물이야말로 오늘날 지구 상의 생물들에 공통이 되는 조상이 되는 것이다. 이 최초의 생물은 진화하여 점차로 복잡한 미생물로, 하등동물이 되고, 최후에는 우리 인류의 출현에 이르게 된다는 것이다. --- 생물이란 지구상에서 탄생된 것이며 그것은 화학물질이 진화한 결과 필연적으로 발생한 것이라는 생각이다. 즉 생명의 탄생을 지구환경하에서의 물질진화의 한 결과로서 취급한 것이다. 원시지구상에서 생물체의 기초가 되는 유기화합물이 생겨나고 그것이 최초의 생물이 될 때까지 발전하여 가는 과정은 그후에 생물진화에 대응하여 <화학진화>라 부르게 되었다.

[생명의 탄생 원시생물로의 물질의 진화] P25--

 

어느날 갑자기 자기 자신과 똑같은 것을 만들어 내는 분자가 아주 우연히 만들어졌다.”

그리고 한번 만들어진 생명체는 그 속성(자기복제능력)에 따라 지구상에 존재하는 모든 생명체의 기원이 되었다.

 

뭔가가 여전히, 상당히 허전하다. 왜 생명체가 생겨났는가에 대해서는 아직도 잘 설명되지 않는다.

 

그러던 중에

[위험한 생각들]에 나오는 스콧 샘슨의 <생명의 목적은 에너지를 분산시키는 것이다>라는 글과 [생명이란 무엇인가 그 후 50]에 나오는 제임스 케이 & 에릭 슈나이더의 <무질서로부터의 질서 : 생물학에서 복잡성의 열역학>이라는 글을 통해서 [Into the Cool]이라는 책을 알게 되었다.

 

아마도 생명의 기원에 대해서 가장 그럴듯한 과학적 가설을 제시하고 있는 책은 [Into the Cool]이 유일한 것 같다. (놀랄만한 것은……… 생명의 기원이 <자연은 차이를 혐오한다>는 극좌적 관점에 기초하고 있는 것 같다는???)

 

[Into the Cool]은 에릭 슈나이더와 도리언 세이건의 공저인데 도리언 세이건은 [코스모스]를 저술한 유명한 천체물리학자 칼 세이건과 [생명이란 무엇인가?], [공생자 행성] 등을 쓰고 미토콘드리아와 세포내 소기관들의 세포내 공생설을 주장한 생물학자 린 마굴리스의 아들이다.

 

<자연은 차이를 혐오한다> <Nature abhors a gradient>를 번역한 것이다. 이 말은 이 책의 중요한 아이디어 중 하나로 소개되고 있고 5장의 제목이기도 하다.

 

gradient를 번역하기 위해서 나름대로 고민을 많이 했는데, 사전에 따르면, 기울기, 물매, 경사도, 언덕, 비탈을 뜻하고 [위험한 생각들] [생명이란 무엇인가 그 후 50]에서는 다음과 같은 식으로 번역되어 있다. 다음의 문구들을 처음 보았을 때 그 뜻을 이해하기 위해서 한참을 고민하고 마침내 포기했었던 기억이 있다.

 

좀 더 일반적으로 말하면, 생태학자 에릭 슈나이더가 지적한 것처럼, 자연은 경사gradient(기울기)를 몹시 싫어한다(여기서 경사란, 상당한 거리에 걸쳐서 나타나는 차이를 말하는데, 예를 들어 온도나 압력 같은 것이다).

[위험한 생각들, P130]

 

평형에서 멀리 끌고가면, 계는 모든 수단을 동원해 가해진 기울기에 맞설 것이다. 가해진 기울기가 증가함에 따라 평형에서 더 멀리 움직이지 않으려 하는 계의 반발도 강해진다.

[생명이란 무엇인가 그 후 50, P302]

 

아쉽게도 이 책을 구입해서 Preface Introduction을 겨우 겨우 읽었다.(이 책은 왜 번역본이 안나오는지!!!)

아래에 나오는 인용내역이 없는 번역글들은 [Into The Cool]Preface Introduction에서 순서대로 부분 부분 발췌한 것이고 gradient는 문구에 따라서 <차이> 또는 <기울기 차이등으로 번역했다. (더 좋은 번역어가 있으면 추천 바랍니다. 워낙 호기심을 땡기는 주제여서, 엄청나게 저급한 영어실력에도 불구하고상당한 시간을 들여서, 나름대로 노력 많이 했습니다. 그래도 번역에 대해서 어떠한 보증도 할 수 없습니다.)

(참고로 이 책은 웹싸이트도 가지고 있습니다. : http://intothecool.com/ )

 

 

촛불을 켜면, 처음에는 불꽃이 확 피어 오르지만 곧이어 안정된 상태로 가라 앉는다. 불꽃은 밀랍과 심지가 다 없어질 때까지 타오른다. 생명은 꾸준히 타고 있는 불꽃과 유사한 현상으로 일정한 형태의 에너지흐름이다. a controlled burning, a pattern of energy flow

 

이것은 단순한 비유가 아니다. 동물들은 수소가 많이 함유된 화합물과 산소의 반응으로부터 에너지를 끌어낸다. 이것은 마치 수소가 많이 함유된 밀랍(화합물)과 연료로서 산소가 반응하고 있는 동안만큼만 촛불이 살아 있는 것과 같다. 하지만, 물론 중요한 차이점들도 있다. 유기체는 매우 낮은 온도에서 타오른다”. 유기체의 불꽃은 상대적으로 오랫동안 특정한 형태를 유지한다. 또한 유기체의 불꽃은 사고로 꺼지거나 치명적으로 약화되거나 주어진 생명이 다하기 전에 자신의 형태와 기능을 재생산한다. 불꽃과 같이 생명은 확산된다. 그러나 불꽃과는 다르게 살아있는 유기체는 재생산을 한다. 그리고 유기체의 재생산은 (완벽한 과정은 아니지만) 다양하게 이루어지기 때문에, 그리고 모든 다양체들이 살아남지 못하기 때문에 생명은 진화한다.

 

흐름 시스템은 때때로 자기조직화하는 것처럼 보이고 심지어 기적처럼 보인다. 흐름 시스템은 실제로 시스템을 둘러싼 흐름들에 의해 조직화되는 것이기에 열려져 있고 연결되어 있다. 이러한 과학을 위한 다른 이름이 열린계 열역학이다. 전문분야에서 열린계 열역학은 비평형 열역학이라는 인상적인 이름으로 많이 알려져 왔다. 왜냐하면 열린계는 흐름의 중심, 성장 그리고 변화를 포함하는 흥미로운 시스템으로 정적이거나 고요하거나 죽어있지 않기 때문이다. 열린계는 평형상태에 있지 않다. 이렇게 꼴사나운 발음하기 어려운 긴 단어를 간명하게 하기 위해 우리의 이야기 흐름에 통합하기 위해 우리는 비평형 열역학을 가능한 경우에 좀더 간접적인 약어 NET로 언급할 것이다.

 

생명체는 더 많은 에너지를 모으고 전개시킴으로서 스스로의 성장과 파괴, 인식과 자기반성의 잠재적 능력을 증가시킨다. 성장을 위해서 에너지를 사용하는 절묘한 형태들 발효, 메탄생성, 물보다 유황에 기반한 자주빛 광합성 은 인간이 나무, 석탄, 그리고 석유라는 자연적 부를 개발해서 사용하기 전까지 수십억년 동안 진화했다. 이러한 경향들은 기계적 과정으로서 생명을 해석하려 할 때 미스터리처럼 보이지만, 우리가 생명을 에너지흐름과 필수적으로 관련된 자연적인 시스템, 열려진 시스템으로 생각할 때 비로서 이해될 수 있는 것이다. 에너지와 부, 에너지와 생명, 에너지와 풍부함 간에는 항상 유연관계가 있어 왔다.

 

화학반응, 생태계, 태양계, 그리고 경제 현상들은 에너지 차이들gradients가 존재하는 주변에서 조직화된다. 에너지 차이들은 에너지흐름이 발생할 수 있는 조건을 형성하는 온도, 압력, 그리고 화학적인 자연에 존재하는 차이를 말한다. 유전자를 포함하는 전체를 조직화하는 에너지흐름이라는 더 큰 이야기 중에 매우 흥미로운 하나의 부분이 유전자이고, 그리고 유전자는 결국 에너지흐름을 따라온다. 비록 생명은 없지만 - “물리학적 유기체라 불리우는 것들이 에너지흐름의 영역 내에서 개체로 발전하기 시작했다. 이러한 에너지로부터 유래된 집합체들은 통합성, 복잡성, 그리고 몇가지 경우에는 재생산하는 경향성을 보여준다. 이것들을 자세히 살펴보면 물질대사와 기억에서부터 경제학과 비현실적 생명체에 대한 연구에 이르기까지 다양한 범위에서의 발전에 빛을 비추어 준다.

 

기울기 차이를 줄이려는 자연의 경향, 열역학 제2법칙에 따라 확산되는 에너지의 경향은 자연적인 복잡한 살아 있거나 무생명의 유기조직체에 의해서 도움을 받아서 실현된다.(Schneider 1995) 그러므로 열역학 제2법칙은 우리가 왜, 어떻게, 무엇 때문에 존재하는 지를 이해하는데 도움을 준다. 주변환경과 분리되어 있지만 동시에 그 쪽을 향해서 활발하게 뿌리를 뻗고 성장해나가는 유기체는 주변환경과 필수적으로 연관되어 있으며, 그런 관계 속에서 자신의 형태를 유지하고 확장하는 새로운 방법을 발견한다. 차례대로 그들은 제한된 에너지 자원을 사용하고 그리고 다 써버린다. 의식적이고 사고력이 있는 혹은 무의식적이고 생리학적인 그들의 지능은 그들이 그렇게 하는 것을 도와준다. 에너지를 다 써버리는 과정에서, 일을 수행하고 자기자신을 만드는 과정에서, 그들은 자연적인 기능을 수행한다. 엔트로피의 생산은 열역학 제2법칙의 명령이다. 이것은 어떤 실제적인 과정에서 증가하는 해체와 생산되는 원자적 무질서의 경향을 설명한다.

 

그러나 그들이 단지 그 법칙에 복종하기만 하는 것은 아니다. 그들은 그것의 작동을 활동적으로 향상시킨다. 우리가 복잡한 유기체와 생태계들의 주변지역을 측정할 때, 우리는 그들이 스스로를 차갑게 유지하는 것을 발견한다. 이것은 그들이 엔트로피의 자연적인 생산을 가속화하는 그런 방법으로 그들로부터 열을 밀어내기 때문에 가능하다. 아이러니하게도 혹은 역설적이게도 한가지 관점에서 볼 때, 그러나 상당히 자연스러운 좀더 전체론적인 관점에서 볼 때, 복잡한 시스템은 보다 단순하고 보다 덜 조직화된 그런 시스템보다 더 효율적으로 엔트로피 생산이라는 자연의 목적을 달성하는데 효과적이다. 이러한 사실은 불가피하게 살아 있는 존재가 자연에서 일정한 기능을 수행하고 있다는 의심을 가져오는 결정적인 사안이다. 살아 있는 존재의 자연에서의 기능은 인체에서 심장과 폐의 주변환경과 관련된 생리학적 기능과 유사하다.

 

그들은 살아 있는동안 자신을 둘러싼 상대적인 무질서와 구별되는 정체성을 보여준다. (생명체가 잘 가지고 있는 것으로 보이는) 자발적으로 생성되는 이러한 복잡계들은 압력, 온도, 혹은 화학적 집중 정도에 대한 측정 가능한 차이를 의미하는 기울기 차이gradient에 의해서 만들어진다. 이러한 기울기 차이들은 에너지흐름을 가져오고, 그리고 환경이 우호적이라면, 기울기 차이를 줄이기 위하여 복잡계가 발생한다. – 그리고 때때로, 복잡한 유체역학적 구조인 테일러 소용돌이의 경우처럼, “번식하기도 한다. (Koschmieder 1993) 상대적으로 단순한 NET 시스템들에서 우리는 생리학의 선구자들, 불안과 동요를 제한하고 방지하는 능력 - 생명체가 나중에 충분히 개발한 그런 능력 을 보고 있는가?

 

신의 섭리는 대영제국의 풍부한 석탄 매장량을 허락해 주고 산업혁명과 전 지구적인 지배력의 마르지 않는 샘물을 허락해 주었으며, 하나님의 거룩한 사랑과 함께 영국의 헤게모니를 보장해 주었다. 그러나 후에 좀더 과학적인 경향의 생각들은 그렇게 확신하지 못했다. 생명은 최고의 우연, 우주적인 몇 가지 종류의 요행수처럼 보인다. 지구를 포함해서, 모든 조직체들은 자신의 길을 가고 있다. 생명체는 결코 오래 존속되지 않으며, 또한, 논쟁하기 좋아하는 (그리고 몇몇은 여전히 그러한) 창조론자들과 같이, 생명체는 영혼이 불어넣어졌으며, 정교하게 만들어졌으며, 우주에서 돌보아져 왔다. 만약 그렇지 않다면, 열역학적으로 회복할 수 없는 정도로 파괴될 운명이었다. 그리고 과학-열역학-은 그것을 증명했다.

 

그런데, 사실은 그렇지 않다. 예측되는 우주적 소진은 사실과 다르다. 현대적 열역학은 에너지흐름에 노출된 우주의 지역들에서 어떻게 생명 또는 무생명의 복잡한 구조들이 종종 생겨나고, 확장하고, 그리고 그들의 복잡성을 증가시키는지를 보여준다. 왜냐하면 우주에 존재하는 기본 힘(중력, 전자기력, 약한 핵력과 강한 핵력)의 상호작용은 완전하게 통합되지 못했을 뿐만 아니라, 우주에 존재하는 모든 물질이 밝혀진 것도 아니기 때문에, 열 죽음 (혹은 우주의 마지막)에 대한 보증들은 과학적으로 신뢰할 수 없다.

 

이 책의 중요한 아이디어 중 하나인, 자연은 차이gradient를 몹시 싫어한다는 아이디어는 매우 단순한 것이다. 차이gradient는 단순하게 (예를 들어, 온도, 압력 혹은 화학적 농도의) 간격을 가로지르는 차이가 있다는 것이다. 차이들에 대한 자연의 혐오는 성장하는 시스템들의 가장 화려한 복합체를 통해서 자발적으로 이러한 차이들을 제거하려는 경향성이 만들어지는 것을 의미한다. 차이들의 붕괴라는 이 단순한 개념은 열역학이라는 어려운 과학을 간략하게 요약하고, (우주에서 중력만큼이나 중요한) 엔트로피의 비밀을 풀고, 그리고 생명체를 포함하는 모든 복잡한 구조들과 과정들이 어떻게 자연적으로 존재할 수 있는지를 설명해 준다.

 

우리는 다음과 같은 경우에 차이의 자연적 붕괴에 대해 잘 알고 있다. 자연은 진공을 혐오하므로, 공기가 제거된 금속캔을 자발적으로 짜부러뜨린다. 이 경우에, 자연은, 자극이나 의도 없이, 금속캔의 외부의 높은 압력(평방 인치당 14파운드)과 내부의 낮은 압력 사이의 압력의 차이를 수정한다. 그러나 이 책에서 우리는 압력의 예시를 방대하게 확장한다. 우리는 다음과 같은 것을 설명하고 있다. 금속캔의 경우와 같은 그리고 수많은 다른 차이들에 대한 자연의 혐오는 자연의 법칙이라는 것, 그리고 에너지흐름 스스로가 생명체를 포함해서 여러가지 서로 다른 자연의 복잡계를 만들어 내는 것은 어디에서나 멈출 수 없는 경향성이라는 것.

 

우리는 심지어 국민국가nation-state와 같은 자연에 존재하는 복잡계들의 기원, 존속, 그리고 최후의 종말에 대한 (열역학 제2법칙으로 불리우는) 이 법칙의 중요성을 설명할 것이다. 우리는 에너지와 물질에 관한 과학적 사고의 역사를 추적해서 우리가 현재 어느 지점에 있는지를 알아볼 것이다. 우리는 과학의 위대한 통합을 목전에 두고 있다. 태양으로부터 오는 에너지는 새로운 정체성을 갖는 개체를 낳고, 영속시키고, 그리고 정성들여 만들어 낸다. 그런 것들은 회오리바람과 꽃부터 경제와 정부에 이르기까지 매우 다양한데 이들 중 많은 것들은 보이지 않는 손이나 눈에 의해서 사전에 계획된 것처럼 보인다.

 

그러나 생명체는 시간이 지남에 따라 복잡성이 증가하는 정반대의 상태, 진화적 경향을 증명하고 있다. 어떻게? 이것이 핵심적인 패러독스다. 이책에서 우리는 그것을 양자물리학자의 이름을 따서 슈뢰딩거의 역설이라고 부른다. 슈뢰딩거는 열역학 제2법칙이 생명체에 대하여 명백하게 무시하고 있다는 사실을 해명해야 할 필요성에 대하여 처음으로 관심을 집중시킨 사람이다. 2법칙은, 그것의 원래의 형태에서, 엔트로피 (원자적 혹은 분자적 무작위)는 폐쇄된 시스템에서 불가피하게 증가한다고 말한다. 그러나 살아있는 존재들은 오랜 세월 동안 매우 훌륭하게 원자적 그리고 분자적 패턴들을 정교하게 만들어내고, 그리고 보존하고 있다.

 

문화비평가 C. P. Snow, 과학과 예술 사이에 차이가 증가한다는 것에 동의하지 않고 있는데, 그는 교육받은 사람이라면 누구나 열역학 제2법칙을 알아야 한다고 주장한다. 2법칙을 모른다면, 그는 두 문화와 두번째 시선(1969)Two Cultures and a Second Look – 문화 전쟁의 변화무쌍한 전쟁터에서 초기의 경고사격 -에서 세익스피어의 작품을 읽지 않은 것과 같다고 말했다. 2법칙은 우주적 죽음의 보증인이나 폴리머(중합체) 화학자들에게나 중요한 난해한 수학적 방정식, 그 어느 것과도 같지 않다. 차라리, 2법칙은 에너지흐름에 의해 작동하는 복잡계의 창조물 그리고 정교한 작품을 설명하는데 도움을 준다. 2법칙은 또한 우리의 관심을 우리가 보고 있는 많은 종류의 발달한 복잡계의 직접적인 과정들, 우리 자신의 진화와 같은 것들을 포함하는, 그러한 직접적인 과정들로 향하게 한다. 짧게 말해서, 자연적 현상은 파괴뿐만 아니라 창조까지도 차이들을 파괴하는 것에 의해서, 2법칙의 규정에 따라서 설명할 수 있다.

 

 

 

엄밀하게 말해, 인간을 포함한 모든 유기체는 변형된 햇빛, 즉 햇빛이 변화한 것이다. 그리고 에너지의 흐름이라는 측면에서 볼 때, 그 흐름들이 거쳐가는 중간기착지에 불과하다. 열역학적 관점에서 보면, 생태계의 연속된 과정은 에너지의 포획과 감소(분해)를 극대화하는 과정이다. 마찬가지로, 지난 35억년에 걸쳐 생명이 점점 더 복잡해지게 된 것은 대다수 진화론자들이 주장하듯이 자연선택의 결과만이 아니라, 햇빛을 더 많이 잡으려는 노력의 산물이다. 생명체들은 에너지를 느리게 연소시킴으로서, 생태계가 오랜 시간에 걸쳐 안팎의 변화에 적응하면서 존속할 수 있도록 만들었다.

[위험한 생각들, P130]

 

 

평형에서 멀리 끌고가면, 계는 모든 수단을 동원해 가해진 기울기에 맞설 것이다.
가해진 기울기가 증가함에 따라 평형에서 더 멀리 움직이지 않으려 하는 계의 반발도 강해진다.


우리는 이것을 수정된 제2법칙으로, 고전적인 제2법칙을 카라테오도리 이전의 정의라고 부르고자 한다. 화학계에서 르 샤틀리에 원리는 수정된 제2법칙의 사례에 해당한다.

[생명이란 무엇인가 그 후 50, P303]

 

응집적 자기조직화 구조가 출현한다는 것은 이제 더 이상 놀라운 일이 아니며, 그것은 계를 평형에서 멀리 끌고 가기 위해 외부로부터 가해진 기울기에 저항하고 그것을 흩어 놓으려 할 때 나타날 것이라고 예상할 수 있는 반응이다. 따라서 우리는 흩어지기 구조라는 형태 속에서 무질서로부터 질서 출현을 본다.

[생명이란 무엇인가 그 후 50, P303]

 

지구를 태양이 가하는 대규모의 기울기를 지닌 열린 열역학 계라고 본다면, 수정된 제2법칙은 그 계가 쓸 수 있는 모든 물리적 및 화학적 과정들을 동원해 이 기울기를 줄일 것이라고 주장한다. 우리는 지구의 생명체가 태양에 가한 기울기를 흩어 놓는 하나의 수단으로서 존재하면, 그렇기에 수정된 제2법칙의 한가지 구현 형태라고 주장한다. 살아 있는 계는 평형에서 거리가 먼 흩어지기 계이며, 지구의 방사선 기울기를 줄일 수 있는 큰 잠재력을 지니고 있다.

[생명이란 무엇인가 그 후 50, P305]

 

이런 조직적 행동의 출현, 즉 생명의 본질은 이제 열역학을 통해 예측할 수 있는 것으로 이해되고 있다. 질 높은 에너지가 생태계 안으로 더 많이 퍼올려질수록, 그 에너지를 흩어놓기 위한 더 많은 조직화가 출현할 것이다. 따라서 우리는 더 많은 무질서를 일으키는 대가로 무질서로부터 출현하는 질서를 갖는다.

[생명이란 무엇인가 그 후 50, P310]