2. 생명의 출현과 두뇌의 생성에 대해서
2. 생명의 출현과 두뇌의 생성에 대해서
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2. 생명의 출현과 두뇌의 생성에 대해서
초기의 포유류에서 사람에 이르는 진화의 연속성 가설은, 마음 또는 의식이 근본적으로 진정한 출발점이 아니라는 것을 함축한다. 진화에서 일어났던 극적인 불연속성의 사례들은 우주의 기원인 빅뱅이라는 불연속성과도 같이 생명의 기원도 이런 불연속성의 하나의 예로 본다.
생명체 안에 들어 있는 유전 분자의 '정보 암호화'는 그 때까지 우주를 지배해 온 법칙에 심각한 혼돈의 가능성을 또다시 적용된 예이다. 유전에 기초한 생명이 등장하기 이전까지도 정확한 행성 진화의 법칙을 따랐다. 기온 변동이나 잡음은 평균화된 것이다. 그러나 그 후 열잡음thermal noise(저항체 내부에서 열운동하는 전도 전자의 동요로 생기는 전자적 잡음) 수준에서 생긴 단일 분자적 사건이 터지면서 놀라운 결과를 이끌어낼 수 있었다. 만약 그 사건이 자기 복제 체계 속에서 일어난 돌연변이라면, 생물 진화의 전체 과정이 변화시킬 것이다. 즉 마치 하나의 분자적 사건이 고래를 죽이거나 암을 일으키고, 유해한 바이러스를 발생시켜 특정 생태계의 핵심 생물종을 공격해 그 생태계를 파괴해 버리는 것과 같다.
생명의 탄생이 그 기초가 되는 물리 법칙을 폐기시키는 것은 아니지만, 생명 탄생은 거기에 분자 수준의 사건이 원인이 되어 대규모적인 결과가 발생한다는 새로운 특성을 부가시켜 준다. 이러한 법칙의 변화가 진화의 역사를 불확정하게 만들고, 그에 따라 분명한 불연속이 형성되는 것이다.
과학에서는 생명의 출현은 다음과 같은 계층성을 가지고 있다.
과학에서는 고도의 정신현상을 만들어내는 생명시스템은 이런 계층성으로 진화해 왔다는 것이다.
지금으로부터 40억 년 전 최초로 등장했던 우리 모두의 조상인 원시생명체는 여러 가지 변화를 겪으면서 놀라울 정도로 다양하게 진화해서 전 지구상에 번영하게 됐다. 생명체는 물질의 계층시스템과는 양상이 조금 다르다. 그 차이가 무생물과 생물의 차이를 가져오는지도 모른다.
가장 단순한 형태로의 원핵생명체를 계층시스템으로 살펴보면 우선 크게 4가지의 고분자복합체(초고분자)로 이루어져 있다. 생명활동에 대한 모든 정도를 가지고 있는 핵질은 단백질과 DNA가 결합하여 실을 뭉쳐놓은 것처럼 되어 있고 세포질은 엄청난 수의 리보솜이 들어 있다. 그리고 이들을 둘러싼 지방질의 이중막인 세포막이 있고, 그 외벽은 세포막보다 더 튼튼한 세포벽으로 보호되고 있다. 여기에 단백질을 만들어 내는 데 필요한 전령 RNA, 전이 RNA, 여러 가지 생명활동을 촉발하는 효소들인 고분자 화합물이 있으며, 세포의 에너지원인 ATP, 글루코스, 아미노산, 물 등의 저분자 화합물, 그리고 칼륨, 나트륨, 수소이온 등의 원자수준에 이르기까지 여러 계층의 구조물들이 동시에 활동하여 복잡한 생명현상을 만들어낸다. 원핵세포의 DNA는 한 가닥의 환상형으로 한 점에서 세포막에 고장되어 관리된다.
원핵세포는 처음으로 물질대사라는 기능을 갖춘 가장 간단한 생명체이다. 이 원핵세포들 중에서 딱딱한 세포벽을 갖지 않는 마이코플라즈마 같은 종류의 원핵세포들이 융합하여 거대해지고 여기에 산소호흡을 하거나 광합성을 하는 원핵세포들이 공생하여 단상의 진핵세포로 진화한다.
이 단상 진핵세포는 원핵세포의 세포막보다 더 탄력적이라서 소포체, 골지체, 리소좀, 핵막 등 복잡한 세포 내막계를 발달시키고 세포내 골격계가 발달하여 원핵세포보다 다양한 생명현상을 보여준다.
단상진핵세포는 원핵세포를 서브시스템으로서 포함하고 원핵세포 보다 기능적으로 복잡하기 때문에 한 계층 위에 있는 상부구조이다.
단상(單相) 세포란 종에 따라서 살아가는 데 반드시 필요한 기본적인 개수의 염색체를 갖춘 세포이다. 사람의 경우는 23쌍(46개)의 염색체가 반드시 필요하고, 초파리의 경우에는 8개, 말은 64개이다. 개개의 염색체의 길이는 불규칙하기 때문에 염색체의 수가 진화의 정도를 말해 주지는 않는다. 즉 전체 유전정보량이 중요한 것이다. 이에 대해 복상(複相)세포는 생명유지에 필요한 염색체를 2배난을 가지고 있는 세포이다. 하나는 아버지에게서 다른 하나는 어머니에게서 물려받은 것으로 한 쌍을 이룬다. 그래서 이것을 상동염색체라고 부른다.
단상 진핵세포는 접합의 과정을 통해 복상의 진핵세포가 된다.
복상 진핵세포는 단순한 세포덩어리에 지나지 않는 다세포생물에서부터 세포의 수가 어느 한계를 넘어서면 조직의 재구성이 일어나서 새로운 구조가 출현하는 복잡한 동물들까지 진화했다. 이 새로운 체제의 첫 번째가 바로 상피체제이다.
2배엽동물- 상피체제
상피체제를 갖는 동물은 낭배(囊胚)기의 강장동물이다. 상피체제로 넘어가기 전에 우선 포배기 동물을 살펴보자. 한겹의 세포막으로 이루어진 공모양이다. 원은 하나의 복상 진핵세포를 뜻한다. 포배기는 단순한 세포덩어리에 지나지 않는다고 할 수 있다.
포배기 동물로 해면동물이 있지만 이들은 너무 원시적이어서 하나의 개체로 인정받지 못하기도 한다.
하지만 포배기는 낭배기를 형성하는 단위로 볼 수 있다. 낭배기가 단순히 포배기의 다음 단계가 아니고 계층적으로 한 단계 위의 구조인 것이다. 즉 포배기가 단세포가 모인 1계층 구조물이라고 하면 낭배기는 이들 포배기가 모인 2계층 구조물이다. 2계층 구조의 세포집합이 2배엽 동물이 되는 것이다.
상피조직의 세포는 매우 단단하게 결합되여 서로 밀접한 기능단위를 이룬다. 무척추동물은 격막(septate)결합으로 단단하게 결합되어 있다. 상피는 이러한 결합조직이 반복되기 때문에 끝이 없다. 따라서 상피체제는 공처럼 닫힌 구조를 해야 한다. 한편 결합구조는 분자를 거의 통과시키지 않는다. 이 때문에 상피로 둘러싸인 공간은 외부와 다른 분자조성을 갖는다. 이곳에 세포와 매트릭스라는 입체적인 분자망을 형성한다.
상피체제는 세포의 소화기관인 강장(腔腸)의 등장으로 대량의 영양물질을 처리할 수 있게 되어 다른 세포를 양육할 수 있는 여유가 생긴다. 이것으로 상피체제의 동물은 영양섭취를 전문으로 하는 소화전막상피인 내배엽 세포와 외부환경 정보를 수집하고 먹이를 포획하는 외배엽 상피세포로 분화된다. 우리 몸의 피부조직은 우리 몸을 감싸는 보호막일 뿐만 아니라 외부의 정보를 수집하고 먹이를 취하는 기관이다. 참고로 단상 세포로 이루어진 상피체제는 없다는 점을 덧붙인다.
3배엽 동물
2배엽 동물보다 상위 계층의 동물이 3배엽 동물이다. 1947년에 호주 남부의 에디아카라 언덕의 사암에서 7억 년 전의 것으로 보이는 해파리를 닮은 화석을 발견했다. 이들 에디아카라 동물들은 근육, 신경, 먹이잡는 기관 등이 고도로 분화된 조직을 가진 다세포생물이며, 현생동물처럼 잘 발달된 유성생식을 했다는 것이 아델레이드 대학의 그래스너 교수의 연구로 밝혀졌다. 이 에디아카라 동물들은 2배엽성 동물들로 초식성이고 매우 부드러운 몸통을 가지고 살았다. 그런데 이들을 먹이로 하는 강력한 포식자가 나타나 이들을 닥치는 대로 잡아먹고 크게 번성하였을 것이라고 과학자들은 추정한다. 이러한 위기에 당면한 초식성 생물들은 새로운 방어장비를 갖추지 않으면 안 되었다. 그래서 등장한 것이 단단한 껍질을 가진 3배엽성 생물이다. 이들은 2배엽 동물보다 훨씬 뛰어난 기능을 갖추었기 때문에 폭발적으로 번식하고 이러한 세력에 밀려 에디아카라 동물군은 멸종하고 만다. 이것을 캄브리아기 대폭발이라고 한다.
이때까지 종의 수가 50개에 머물던 것이 10,000종 이상으로 폭발적인 진화를 가져온다. 캄브리아 대폭발의 특징 중 하나는 몸통 디자인의 다양성이라는 것이다. 크기도 1cm에서 60cm까지 다양하고 다리의 개수나 눈의 수, 입의 구조 등에서 개성이 뚜렷하다.
캄브리아기 동물의 외피는 각질(角質)이거나 키틴질이다. 그리고 석회질의 외피는 올도비스기에 나타난다.
캄브리아기는 우리가 지금 볼 수 있는 모든 생명의 원형이 등장하여 그 우월성을 시험받는 시기이다. 갖가지 시스템의 생명이 생겨났지만 대부분이 이 시험에 통과하지 못하고 멸종하였으며 지구상에는 크게 곤충류와 척추동물류가 살아남게 된 것이다.
이러한 3배엽 동물은 2배엽 동물을 기본단위로 삼고 있다.
즉 3계층 구조의 세포집합은 외배엽, 내배엽, 중배엽을 갖춘 3배엽 동물이 된다.
3배엽 동물에는 가장 원시적인 간층직 체제의 동물부터 상피체강 체제의 동물이 있다.
간층직 체제
상피 체제의 성장에는 뚜렷한 한계가 있다. 얇은 두 겹의 상피로는 거대한 몸을 만들어 지탱할 수 없는 것이다. 그래서 내외 상피 사이의 공간에 콜라겐, 피브리넥틴, 흡수성 다당류를 많이 넣어 물을 흡수하게 하여 부풀린다. 이것이 간충직 체제이다. 이렇게 물의 팽압을 이용해서 체형을 유지하기 때문에 이것을 정수압성 골격이라고 부른다. 정수압성 골격을 갖춘 동물은 상피 체제 동물이 위와 아래의 구분이 있는 것에 비해 배와 등이라는 새로운 구분이 생긴다. 운동기구가 발달하지 못한 상피 체제의 동물은 고정된 자리에서 생활할 수 밖에 없다. 에디아카라 동물들은 고착생활이나 부유생활을 하는 것이 많다. 이에 비해 간층직 체제는 더욱 거대해진 몸을 먹여 살리기 위해서라도 먹이를 찾아 돌아다니지 않으면 안되게 되어 수면 바닥을 기어다니기 시작한다. 여기서 등과 배의 구분이 생기고 동시에 앞과 뒤의 구분도 생긴다. 그리고 배 쪽에는 이러한 이동을 하기 위한 근육과 신경이 발달한다. 간층적 체제의 동물로는 편형동물이 있다. 에디아카란기에 등장했던 포식자는 편형동물 같은 존재였는지도 모른다.
그러나 간층직 체제도 성장에 한계가 있다. 아무리 체형이 커져도 몸통의 두께가 6mm를 넘지 못한다, 그 이상이 되면 정수압성 골격을 유지하는 간층직 내의 가느다란 근육이 물의 무게를 견디지 못하고 끊어지기 때문이다. 큐티클라를 분비해서 몸통을 더욱 강하게 만든 위체당류도 15mm 정도이다.
여기서 생명체는 다시 비약적으로 시스템을 재조직하지 않으면 안된다. 시스템의 재조직은 지금까지의 조직을 밑바탕으로 하여 새로운 상부구조를 형성하는 것이다. 그것이 바로 상피체강 체제이다.
상피체강 체제
간층직 내에 중배역이라는 조직을 만든 것이 상피체강 체제이다. 중배엽은 일종의 수분 저장탱크라고 할 만큼 체액으로 차 있다. 이렇게 생명체는 몸 안에 수분 저자탱크를 갖춤으로써 처음으로 물을 떠나서 보다 장시간 존재할 수 있게 된다. 그리고 결함조직을 발달시켜 체벽을 강화하면 얼마든지 체형을 거대하게 만들 수도 있다. 중배엽의 존재는 여러 가지 기관을 만들 수 있는 가능성을 열어주고 수분의 비열이 크다는 것을 이용해서 체온유지도에도 커다란 역할을 한다.
상피체강 체제는 진화를 통해 다양한 생물로 분화하는데 특히 등쪽의 외배엽이 내부로 함입하면서 척색이라고 하는 고도의 신경계를 만든다. 외배엽에서 유래하였기 때문에 이 신경계의 주된 임무는 외부환경에 대한 정보수집과 처리이다. 이렇게 등쪽에 생긴 신경계 때문인지는 몰라도 생명체는 수면 바닥에 더 이상 관심을 보이지 않고 수면 위쪽에 관심을 두고 물 속을 보다 멀리 헤엄쳐 나간다. 그리고 더욱 빨리 헤엄치지 위해 근육섬유를 발달시키고 더욱 커진 몸통을 지탱하고 염분이 없는 곳에서도 살아남기 의해 칼슘으로 이루어진 내골격을 갖춘다. 그리고 이 동물은 드디어 육상으로 올라오고 이성을 갖춘 인간으로까지 진화한 것으로 보고 있다.
오늘날 많은 생물학자들와 심리학자들이 영장류의 진화 과정에서 발생한 성찰적 사고 reflective thought 역시 그 법칙을 변화시킨 불연속성에 기인한 것으로 믿고 있다. 여기에서도 새로운 상황은 그 기초가 되는 생물학적 법칙 자체를 폐기시킨 것이 아니라 문제를 생각하는 새로운 방법을 필요로 하는 특성을 덧붙인 것이다. 진화생물학자인 로렌스 슬로보드킨은 이 새로운 특성을 내성적 자아상과 동일시한다. 즉 현재의 자아상으로부터 거꾸로 진화의 의미를 찾아내는 식으로 생물학적 진화 법칙을 내재한 본질적인 원인을 얻는 것이다. 가령 다른 영장류가 생리적으로 사람과 매우 흡사한 뇌를 가졌더라도 그들에게 적용 가능한 법칙으로 사람을 이해하는 것을 불가능하다고 슬로보드킨은 말한다.
따라서 현재 파악할 수 있는 인간 두뇌의 의식 작용을 지향하는 식으로 자연의 모든 것을 설명하자는 것이다. 의식이라는 정신 개념과 두뇌는 실재 사물과의 관계는 정신을 다루는 철학자, 특히 칸트처럼 위대한 철학자들에게도 이런 문제에 관심을 가졌다. 칸트가 구별하는 세 층위는 다음과 같다.
첫 층위는 감성(sensbility) 층위로 '느낌'을 받아들이는 감각기관의 능력으로 정의된다. 둘째는 오성(understanding)의 층위로 감각되는 요소를 결합하는 관념화의 능력이다. 셋째는 이성(reason)의 층위로 오성에 의해 만들어진 관념의 사용을 지배하는 원리를 포함한다. 이런 구별을 바탕으로 우리는 세 층위를 이렇게 추상화해 볼 수 있다. ①외부 세계의 대상을 근거로 표상을 작성하고, ②그런 표상을 관념으로 추상화하고, ③그렇게 얻은 관념을 더욱 추상화하여 구조화하는 것입니다. 물론 이런 모든 과정은 뇌에서 일어난다.
그렇다면 이 인간의 뇌는 어떤 것으로 자연 속에서 등장하게 되었는가?
영국 태생의 물리학자인 크릭은 37살 되는 1953년에 미국의 제임스 왓슨과 함께 디옥시리보 핵산 분자의 구조가 이중 나선 임을 밝혀 내었다. 크릭은 이 업적으로 1962에 노벨상을 받는다. 이어서 그는 1973년에는 생명이 지구에서 비롯된 것이 아니라 외계의 생명체에 의하여 생명의 씨앗이 지구에 뿌려진 것이라는 이론을 발표하여 학계에 충격을 주었다. 크릭의 지적 호기심은 여기에서 멈추지 않았다. 1970년대 중반부터는 신경 과학으로 관심을 돌려 과학의 연구 주제에서 제외되어 있던 의식(consciousness)의 연구에 몰두하였다. 크릭의 20년 가까운 의식 연구에 자극을 받은 미국 신경 과학회는 1994년 의식에 관한 최초의 심포지움을 갖기에 이르렀다. 의식을 과학의 영역으로 끌어들인 장본인으로 크릭을 손꼽는 이유이다.
의식은 무엇이며, 의식은 왜 존재하는가를 완벽하게 설명해 낸 이론은 아직까지 없다. 어떤 학자는 인간의 가장 복잡한 문제, 예컨대 다른 사람과의 사회적 상호 작용에 대처함에 있어 도움을 준다고 설명한다. 의식은 자기가 무엇을 생각하고 있는가를 자기 자신이 알 수 있도록 해주는 것이기 때문에 다른 사람들이 생각하고 있는 것을 유추할 때 크게 도움을 주게 된다는 것이다. 또 다른 학자는 의식이 어떤 행동을 일으키고 어떤 목표를 추구할 것인가를 결정하는 기능을 갖고 있다고 설명한다. 어쨌든 이러한 설명들은 그럴 법하긴 하지만 완벽하지는 못한다.
의식에 관한 이론이 다양함에도 불구하고 공통적으로 거론되는 의식의 중요한 특성은 '자기 자각'(self-awareness)이다. 자기 자각은 일반적인 자각과는 그 개념이 다르다. 자각은 고통의 실제적인 감정이나 갈증을 느끼는 감각처럼 단순히 자신의 바깥을 알아채는 것이다. 그러나 자기 자각은 "나는 추위를 느낀다" 또는 "나는 만족스럽다"라고 생각하는 것처럼 스스로 자신의 내면을 느껴서 아는 것을 의미한다. 요컨대 지각을 주관적으로 경험하는 능력이 자기 자각이다. 말하자면 자기 자각은 우리가 어떤 것을 안다는 사실을 우리가 아는 것을 의미한다. 자기 자각하는 능력의 결과로 나타나는 마음의 상태를 의식 있는 마음이라 한다. 의식은 주관적인 현상이기 때문에 객관성에 의존하는 과학으로부터 연구 주제를 환영받지 못했다.
따라서 자연적으로 그동안 뇌를 놓고 근본적인 논쟁이 유발될 수 밖에 없다. 뇌가 무엇을 할 수 있느냐 하는 문제다. 이점에 있어서는 그 시대가 갖고 있던 통념상의 우주관이나 종교관과 무관할 수 없다.
오늘날에는 진화론 사고가 전 과학을 지배하는 시대이다. 따라서 두뇌도 이런 진화론적으로 파악하려는 것은 당연한 절차처럼 된다.
생명체는 우주에서 가장 복잡한 시스템의 대표적인 것이다. 시스템의 목적도 생명을 시스템의 관점에서 이해해 보고자 하는 목적이 가장 큰 것이다. 더 나아가 불가사의 한 정신을 만들어 내는 두뇌라는 시스템을 이해하기 위한 것이기도 하다.
보다 자세하게 그 과정을 살펴보면 다음과 같다.
진화론자들의 계산에 의하면 20억년 넘게 생명은 박테리아로 존재했으며 세상은 세균 배양액의 역할을 해왔다. 무핵의 단세포 동물들은 분열에 의해 획일적으로 번식하며 '영양계'라고 불리는 계통을 구성한다. 10억 년 전과 8억 년 전 사이에 핵과 생식기관을 지닌 세포들이 등장했다. 다시 말해서 번식 할 때 유전 정보를 서로 교환할 수 있게 되었다. 이렇게 해서 서로 다른 종이나 개체들의 집합체가 형성되었다. 이들은 서로 유전적 교류를 계속하면서 각자 공통된 유전형질을 소유한다. 이러한 대립적 성에 의한 개별화는 시작된다.
대립작용은 이미 초기 단세포동물이나 원생동물의 형태에서 나타나고 있다. 대다수의 이들 동물에게서는 전, 후의 양단이 관찰되고 되는데 이 양단 구조가 개체와 주변의 공간 사이에 상관관계를 형성하고 행동 양식을 결정한다. 머리와 꼬리의 이러한 비대칭이 어떻게 한 세대에서 다음 세대로 유전되는 것일까? 그에 대한 설명은 대략 다음과 같다.
세포핵 속의 DNA에 간직된 특수한 형상들이 메신저 RNA로 전이된다. RNA는 세포질을 통해 또 다른 DNA의 구성에 필요한 단백질을 즉석에서 만들어낸다. 이 단백질을 종의 기준에 맞추기 위해 주요 구성요소들은 즉석에서 결합 위치에 관한 정보를 입수해야 한다. 이 정보는 일반적으로 DNA와 단백질과 같은 세포 분활축을 만들어가는 용해성 분자들의 농도 구배(句配)에 의해 전달된다.
다세포동물의 구조에서도 이와 동일한 과정이 진행된다. 수천 혹은 수십억 개의 세포조직으로 성장하기 직전의 동물의 수정란은 원생동물 형태이다. 즉 수정란인 단체포 동물로서 세포핵은 부모에게서 동등하게 물려받는다. 하지만 세포질의 경우는 단연 모체에게서 물려받는 것으로 향후 생성될 기관의 비대칭의 근원이 된다. 메신저 RNA 분자와 단백질은 실제로 불균등하게 분포되어 있다. 어떤 경우는 한쪽에만 분포되기도 한다. 세포분열을 진행함에 따라 어떤 세포들은 모체 요소들을 가져가기도 하고 또 어떤 세포들은 그러지 않기도 한다. 이것은 이후 동물 형태가 완성될 때 그 운명을 결정짓는 데 영향을 미친다. 그 결과 머리와 꼬리가 서로 대립되어 있는 중간에는 돌기· 사지· 모공과 같은 특수한 조직을 지닌 부분들이 생겨난다. 머리부분의 신경조직이 발달해서 뇌를 이룬다. 파리나 메뚜기 종류의 경우에는 곤충들에게서만 나타나는 고유한 몇 가지 특징이 있기는 하지만 그럼에도 불구하고 동물 발달을 이해하는 데 이상적인 전형을 제공해준다.
난세포의 세포질은 모체 유전자로부터 오는 메신저 RNA를 함유하고 있다. 그 중의 하나가 '비코이드'라는 단백질을 합성하는데 이것은 파리의 머리에서 꼬리로 진행되는 분화 과정의 구성을 맡는 형태 발생적 실체가 된다. 모체에서 비코이드 유전자를 제거하면 머리도 흉부도 없는 배태가 만들어진다. 반대로 유전자를 갖고 있는 난세포의 세포질을 미래에 배태에 주입함으로써 부족한 요소들을 다시 도입할 수도 있다. 앞부분에서 추출한 세포질을 뒷부분에서 추출한 것보다 더 효과적이다. 생물학자 드리버와 뉘슬라인-볼라드는 단백질과 맞서는 항체를 이용해서 이 단백질이 난세포의 세포질 안에서 강한 농도 기울기를 가지고 분포한다는 사실을 보여주었다. 난세포 내의 단백질 농도는 동물 형태의 전후로 이어지는 축을 따라 나타난다. 예를 들어 경험적으로 기울기를 올려주면 그와 비례해서 머리의 뒤쪽 끝부분이 뒤로 연장된다. 형태 발생과정에서 또 다른 단백질(꼬리 부분)이 알려져 있는데 난세포 내에서 이 단백질의 구배(句配)는 반대로 작용하며 복부와 꼬리의 형성을 돕게 된다. 이 유전자와 그에 관련된 형태유전적 구배는 곤충 유충의 몸뚱이를 이루고 있는 각 마디(體節 체절)를 책임진다. 하지만 이것이 각 마디마디 고유한 형태를 만들어내는 데는 충분하지 않다. 이 기능을 맡게 되는 것이 바로 '유사유전자'(homoeoticgene)이다.
유사유전자들은 모든 종류의 동, 식물을 포함한 다세포생물과 효모균과 같은 단세포동물들에게서 발견된다. 유사유전자는 단백질을 제공해주며, 단백질, 즉 DNA와 결합하는 특성을 지닌 60여 개의 아미노산 결합물인 펩타이드(peptide)의 지속적인 영향이 큰 역할을 한다. 유사단백질의 촉매자의 기능을 담당한다. 그 역할은 다른 유전자들을 활성화하며, 팔이나 손가락과 같은 특수한 형태의 유전자들과 결합하여 세포 변형을 만들어낸다. 이 유전자들은 순서대로 염색체를 따라 배열되며, 유충의 전후로 이어지는 축을 따라 나타난다. 뒤부분일수록 더욱더 많은 유전자가 분포한다. 한 유전자의 기능을 제거하면 그와 연관된 구조는 사라진다. 예를 들면, 다리와 연관된 마디가 좀 더 앞부분의 구조 즉 촉각 구조 같은 것으로 바뀌어버린다. 반대로 하나의 유전자가 활성화하지 않아야 하는 곳에서 활성화하면 본래 정상적으로 생겨나야 할 구조보다 뒤쪽에 있는 구조가 앞쪽에서 발달한다.
파리의 경우를 통해서 알 수 있듯이, 몸체는 결국 동일선상에 배열된 일련의 유전자들이 자체적으로 형성하는 전후로 이어지는 축을 따라 차례로 표현함으로써 만들어진다. 파리 몸체에서 생기는 형체상의 변형은 반드시 유전자들이 개입한다. 그러므로 특이한 변종이 되지 않는 한 자기와 같은 종인 부류들과 별다른 차이가 없다.
파리와 마찬가지로 쥐에게서도 유사유전자를 발견할 수 있다. 형태는 거의 비슷하지만 파리의 경우보다 숫자가 많고 또 척추동물의 진화과정에서 생긴 두 개의 중복된 게놈에서 나온 4개의 혼합물에 따라 배열된다. 작용 원칙도 그대로지만 별도로 자율 각도라는 특징이 도입된다. 이것은 척추동물이 지닌 주요한 특징이다. 앞서 관찰한 바와 같이 파리의 경우에 유전자가 공간적으로 동일선상에 배열된다는 원칙이 이번에는 시간적 동일성이라는 개념이 추가된다. 파리의 경우, 하나의 유전자는 전후로 이어지는 축을 기준으로 자기보다 앞에 있는 유전자보다 먼저 활동하는 일은 절대로 없다. 그러나 척추동물에서는 몸체 부분들, 그중에서도 특히 체절이나 메타메리(구조 이성)가 연속적으로 이어진 신경구조의 형성에서는 전후로 이어지는 축의 공간적 개념의 연속성과 더불어 시간적 개념을 발견할 수 있다.
형태 형성이 시작되기 이전에 이미 마디가 분절된 파리의 경우와는 달리 척추동물에서는 위의 두 가지 현상이 동시에 이루어진다. 따라서 유사유전자의 활성과 시간이 변동됨으로써 상당한 변화들을 가져 올 수 있다. 이색증이라고 불리는 이 현상은 형태 형성 과정에 놀라운 유연성을 부여해주며, 각각의 태아가 생성되는 과정에서 고유한 환경적 요소들이 개입할 수 있는 시간과 계기를 마련해준다.(후성설) 척추동물은 진화하면서 점차로 시간과 환경에 따라 변화할 수 있다. 이런 점에서 척추동물은 균일하고 획일적인 곤충과 대립되는 것이다. 그러므로 척추동물의 출현은 생명체 안에 선택 능력과 적응 능력이라는 개념이 도입되는 것을 의미하며 이것이 바로 뇌의 발달로 이루어진다.
곤충의 전후로 이어지는 축에 따른 형태 형성과 염색체의 유사유전자들의 일렬 배열 원칙은 척추동물의 두개(頭蓋)와 뇌의 경우에는 사실상 적용되지 않는다. 척추동물의 뇌는 꽤 좁은 두개골 안에서 상당히 발달하게 되는데, 이것이 뇌 구조를 주름지게 하고 축 구조를 싱싱하게 만든다. 어쨋든 척추동물의 경우도 발생학적 근거에서 보면 곤충과 유사한 체절 배열을 발견할 수 있다. 그것은 파리의 머릿부분 유전자와 비슷한 유사유전자들에 의해 이루어진다.
두뇌의 유사유전자는 몸체의 유전자들과는 달리 하나의 염색체 위에 일렬로 배열되어 있는 것이 아니라 게놈 안에 분산되어 있다. 뇌의 복잡한 구조에 비하면 유전자 수는 상태적으로 적은 편이다. 척추동물들의 뇌의 진화과정은 마치 몇몇 유전자들의 절대적인 독점력이 후천적 요소들에 의해 점진적으로 밀려나버리는 것처럼 진행된다. 척추동물의 가장 큰 특징은 주위 환경세상와의 경계면이 극적으로 증대되었다는데 있다. 그것은 감각적 경험의 다양성과 그 양적 팽창뿐 아니라 개입 능력 면에서도 마찬가지이다. 척추동물의 감각기관들은 감각 정보를 전달하는 다양한 신경계통과 함께 대부분이 뇌에 집중되어 있으며 뇌의 마디 구조를 세분화한다. 한 개인이 보고 느끼는 나름대로의 고유한 세상은 점점 더 확대되어 보여지고 유전자적 요인에 기초한 부위와 겹쳐지면서 점차적으로 유전적 요인과 후천적 환경 요인 사이의 경계를 무너뜨린다. 뇌의 엄청난 발달과 더불어 경험 및 환경과 관련된 부위들은 본래의 유전들로 구성된 오래된 조직과 겹쳐지면서 기존의 것을 지워버린다.
신체와 그 신체를 통제라는 뇌가 발달함으로써 결과적으로 인간의 머리와 꼬리는 더욱더 대립하게 되었다. 그리고 결국은 뇌가 눈에 띄게 중요해진 것이다. 그러나 모든 동물들 중에서 가장 진화하고 자유로운 동물이라고 자처하는 인간들조차 사실은 육체의 유전적 굴레뿐 아니라 스스로 악과 선을 구별하는 뇌의 사고력에 예속되어 있다. 유전자들이 종(種)과 관련된 선천적 특성을 기억하는 요소라면, 후천적 획득 형질은 개인적인 기억의 토대를 마련해준다. 인간의 위대한 기억력은 뇌 구성에서 바로 이러한 후천적 획득 형질이 지배적인 부분을 차지하는 데에 따른 필연적인 결과이다.
이처럼 두뇌는 우주에서 물질적으로 매우 복잡한 시스템이다. 그 기본적인 구성요소는 무려 140억 개의 신경세포이고, 이들은 최대 10만 개 이상의 여러 세포들과 다양한 관계를 맺는 거대한 정보 네트워크이다. 좀더 상세하게 그 네트워크 구조를 이야기하면 2mm의 얇은 대뇌피질은 6개의 신경세포층을 하고 있고 이들은 또 지금 0.5mm의 작은 원기둥 모양으로 100개 정도의 신경세포가 모여 하나의 정보처리 단위를 형성한다.
이 작은 원기둥의 모듈들이 수없이 모여서 시각령, 청각령 등 정보처리 단위를 형성한다. 그리고 종국에가서는 이들 모두 정보를 총괄하는 전두엽이 있다.
뇌에서의 정보처리는 아래로는 신경세포의 단순한 흥분과 억제의 신경펄스에서 시작되어 모듈이라는 상부계열, 모듈이 모인 지각령, 그리고 이들 지각령의 정보를 통합하는 최상부의 전두전엽이라는 계층구조를 이루는 복잡한 네트워크이다.
그러나 가장 불가사의한 점은 뇌 자신이 자신의 구조나 기능을 밝히려는 자기인식 시스템이라는 점이다.
뇌를 다룬 것 중에 가장 오래된 문헌으로는 기원전 17세기 파라오 이집트 시대의 것으로 파피루스에 기록된 '스미스 고문서(papyrus Smith)'가 있는데 이 문서에는 뇌상이 사지의 마비, 몇가지 감각과 말과 기억의 상실을 초래한다고 쓰여 있다. 개괄적으로 볼 때, 이집트인들은 고대 그리스인들과 마찬가지로 사고를 하는 데 사용되는 것은 심장이라고 생각하였다. 부차적으로 위와 내장은 감정을 흥분시키는 것이었다. 그러하였기 때문에 여러 가지 가설이 쏟아졌다.
히포크라테스가 요약한 다수의 견해는 다음과 같다. 즉 인간은 뇌로 생각한다는 것이다. 그에게 대항한 반대 의견은 단 하나였지만 그것은 상당히 중요한 것이었다. 그것이 바로 '심장 중심론자'인 아리스토텔레스의 의견이다. 아리스토텔레스의 주장에 따르면 모든 기관에 공급되는 열을 간직한 난로인 심장은 지성을 비롯한 가장 고귀한 능력들을 수용하고 있다는 것이다. 차갑고 물렁물렁한 선(腺)인 뇌는 기관을 식혀 주는 얼음주머니에 불과할 뿐이다. 이 질문은 그 다음 세기에 그리스의 알렉산드리아 의학학파가 실시한 신경세포의 정밀한 해부를 통해 해결된다. 이 해부에서는 모든 신경들이 척수를 경유하여 뇌까지 뻗어 있는 모습이 잘 드러났다. 아리스토텔레스는 여기서 졌다. 18세기까지 의료계에서 가장 강력한 권위자였단 갈리엥은 동물에 대한 생체해부 덕분에 이 점을 좀더 명확히 할 수 있었다.
뇌에 관한 두 번째 논쟁은 데카르트가 불을 붙였다. 1662년 그의 유작인 [인간에 관하여]는 뇌를 하나의 기계로 기술함으로써 모든 생물학자들에게 충격을 던진다. 이른바 이 기계를 움직이는 톱니바퀴들이란 피질과 뇌엽, 뇌실, 회질, 백지, 그리고 그 유명한 송과선이다. 작은 호두만한 이 송과선은 뇌엽 한가운데 감추어져 있어서 잘 안보이는데 다른 기관들은 오른쪽과 왼쪽에 하나씩 두 개가 있는 반면에 이것은 단 하나밖에 존재하지 않는다. 그래서 '영혼의 자리'라는 최고의 존경을 받는 것이다. 기계에 비유된 이 가설의 세세한 부분들은 고차원적인 공상의 산물에 불과했지만 연구거리는 매우 풍부해서 해부학자들은 연구를 시작한다. 두 세기가 지나면서 연구자들은 섬세한 해부를 통해 기계를 하나씩 하나씩 분해시킨다. 그러나 전체적인 도면은 여전히 알려져 있지 않는 상태였다. 두 진영이 서로 대립한다. 한쪽에서는 국재론자(局在論者/localistionnistes)들이 특수한 뇌의 중심부가 말과 글씨, 감각, 사지의 움직임을 담당하는 기능을 가지고 있다며 독립시킨다. 다른 한쪽에서는 '일체론자들(unitaristes)'이 뇌의 베일에 싸여 있을 수밖에 없는 하나의 전체로서 기능한다고 주장한다.
1846년에, 장-피에르-마리 플루랑스는 실험실에서 빈틈없는 실험을 거듭한 끝에 뇌 분산의 개념 자체에 공격을 가한다. 비둘기와 토끼 또는 설치류(齧齒類)의 뇌를 가지고 중요하지 않은 부분부터 차례대로 하나씩 파괴시켜 보던 플루랑스는 어떤 능력이 별안간 상실되는 것이 아니라 점차적으로 지속적으로 악화되는 것을 발견한다. 이같은 현상으로 미루어볼 때 뇌의 기능은 명확한 어떤 부분들로 나뉘어지지 않으며, '탁월한' 정신 활동은 형체가 없는 요소인 정신이나 영혼에 의지해야 한다는 것을 의미한다. 폴 브로카와 최초의 국재론자들은 전적으로 틀린 것은 아니지만 국재론과 상당히 동떨어진 이러한 종류의 반론에 대항하여 힘겹게 싸워야 했을 것이다. 오늘날 국재론의 동기는 충분히 이해되고 있으며, 또한 '반(反) 국재론의 논거들 역시 최소한의 정신 기능으로는 뇌의 여러 부분에 자리잡고' 있는 다양한 신경망을 움직이는 아주 복잡한 체계에 도달할 수 있게 해주는 최초의 모델들을 만들게 해 주었다.
뇌의 관한 세 번째 논쟁은, 뇌를 구성하는 신경세포인 뉴런과 관계된다. 이 논쟁은 뉴런론자(neuroistes)들과 그물론자(reticularistes)들의 대립시킨다. 뉴런론자들은 각 뉴런이 교차를 통해 다른 세포들과 연결되어 있는 개별적인 세포들이라고 주장한다. 그러나 그물론자들은, 분리된 뉴런은 없고, 뇌의 신경 조직은 수천만 갈래로 연결된 하나의 그물망이라고 생각한다. 19세기의 현미경으로는 뉴런에 대해 단정적인 결론을 내린다는 것이 도저히 불가능했다. 뇌세포가 무엇으로 구성되어 있는지는 1840년대의 푸르키네(체코 동물생리학자) 이후에 밝혀진다. 그것은 커다란 중앙 물체인 소마(soma)와, 길다란 주(主)신경섬유인 축색돌기(axone), 그리고 나뭇가지나 뿌리처럼 여러 가닥으로 분기진 작은 돌기부의 무리인 수상돌기(dendrites)로 구성되어 있었다. 이 수상돌기는 끝부분이 매우 가늘어서 성능이 썩 괜찮은 광학 도구로도 관찰되지 않는다.
1872년 J. 폰 베르라흐는 그물망에 관한 모델을 제시한다. 그의 모델에 따르면 수상돌기와 보이지 않는 그 끝은 큰 거미집처럼 보이는데 이것은 뇌의 모든 신경 충동이 지나가는 유일한 그물망이다. 이 단일 모델에서는 정신주의적인 측면, 뇌를 하나의 전체로 보는 시각, 뇌를 각기 다른 기관이나 독자적인 세포들로 절단하려는 도가 지나친 분석에 대한 거부 등을 찾아 볼 수가 있다. 국재론을 주장하는 사람들의 진영도 결코 만만치가 않았다. 이 진영에는 게를라흐 라든가 골기 같은 훌륭한 미세해부학자들과 청년 지그문트 프로이트가 포함되어 있었다. 프로이트는 1882년에 뇌를 실제로 해부했다. 회백질의 절단면을 응고 착색하여 비교해 보기 위한 새로운 방법을 고안해 낸 키밀로 골기는 기만적인 편견의 위력을 잘 보여준다.
1878년, 그는 처음으로 아주 선명하고 상세한 뉴런의 사진을 얻어낸다. 뉴런은 검은색으로 착색되었는데, 가장 가느다란 수상돌기의 끝부분까지 눈으로 확인할 수가 있었다. 그러니 골기는 철저한 국재론자로 남게 될 것이다! 그는 보이지 않는 그물망을 끝까지 믿고 있었고, 또한 수상돌기가 신경섬유가 아니라 영양분을 공급하는 작은 다발들이라고 생각했던 것이다.
뉴런론의 승자는 에스파냐 사람인 산티아고 라몬 이 카잘이다. 그는 그 당시까지 별다른 반향을 얻지 못했던 골기의 기술을 한층 더 발전시켜서 정반대의 결론을 도출해 낸다. 카잘이 생각하기에 수상돌기는 뉴런의 구성 성분이고 각 뉴런은 하나의 세포이며, 망상은 존재하지 않는다. 1895년경, 그의 주장은 대부분의 신경학자들을 설득한 것처럼 보였다. 아니, 그 이상이었다. 레핀과 마티스 뒤발이 마치 아메바처럼 움직이고 수상돌기를 움츠리게 만들며(야간이나 외상을 입은 후에) 이웃한 뉴런과의 접촉을 끊는 (잠이나 실신 같은 현상은 이로 인해 생긴다는 것이다) 뉴런을 상상해 내자 뉴런론도 해명이 된다.
그런데 세기의 전환기가 임박할 즈음에 국재론이 반격을 가한다. 새로운 착색 방법에 힘입어 보이지 않던 문제의 그 망상을 비로소 찾아내게 된 것이다! 아파티, 베테, 그리고 니슬은 먼저 유충과 거머리의 신경체계에서 망상을 찾아냈는데 그것은 믿을 수 없을 만큼 아주 가늘고 어디서나 찾아 볼 수 있는 신경섬유라는 조직망이다. 많은 신경학자들이 동요하지만 라몬 이 카잘만은 다른 사람들과 맞서면서 끝까지 자신의 주장을 굽히지 않는다. 머지않아 그는 태아의 발육에 관한 연구 덕분에 뉴런론에 유리한 새로운 증거들을 제시한다. 각각의 개별적인 뉴런은 핵에서 생겨나 축색과 수상돌기들을 조금씩 조금씩 자라나게 한다는 사실이 명백하게 드러난다. 그후 30년대에는 신경 충동을 운반하는 것은 신경섬유가 아니라 지지조직을 이용하는 양분의 통로와 관련되었을 것이라는 사실이 알려진다. 뉴런론은 또다시 개가를 올린다.
한 차례의 논쟁이 끝나자 또 다른 논쟁이 시작된다. 정보는 뉴런을 따라서, 그리고 한 뉴런에서 다른 뉴런으로 어떻게 전달되며 뇌 안에 있는 신경충동의 성질은 어떤 것인가 하는 문제다. 19세기까지만 해도 지배적이었던 '동물의 혼'이라든지 '신경의 정수' 그리고 '가벼운 유체' 같은 애매한 개념들 이후에 등장한 첫 번째 진지한 대답은 바로 전기다. 명확하게 말해서, 신경충동은 전선케이블 속의 전기보다 3 백만 배나 빠른 속도로 신경을 따라간다. 그것은 전류라기 보다는 '분극파'를 형성하는 아주 미세하고 연속적인 방전인데 상당히 오랫동안 그 정확한 성질이 규명되지 않았다. 그러나 마침내 그 원인이 밝혀진다. 뇌조직과 신경 속에는 전기가 있는데 이 전기가 모든 전달을 설명해 줄 수 있을 것이다. 1904년 토마스 R. 엘리엇에 의해서 그와 반대되는 명제가 나타난다. 만일 전달이 화학 물질을 통해 이뤄졌다면? 그들은 신경과 신경의 통제를 받는 근육의 경우에 화학물질이 개입한다는 사실을 발견했다. 그렇다면 두 개의 뉴런 사이에도 그런 일이 일어날 수 있지 않을까?
이 개념은 대부분의 사람들에게 이단적으로 비친다. 정신주의적 편견이 또다시 작용한 것이다. 전기는 더욱 유동적이고 미묘하고 손으로 만질 수 없는 어떤 것이어서, 오히려 정신의 자리에 더욱 적합해 보였다. 그런데 신경 화학이 유리한 입장을 차지하면서 학자들은 뇌에서 아세틸콜린(acetylcholine)과 노라드레날린(no-radrenaline) 같은 물질을 검출하기 시작한다. 1930년대에 들어 존 C. 에클스가 이끄는 전기파 진영과 헨리 S. 데일, 그리고 빌헬름 펠트베르그가 함께 하는 화학물질파 진영 사이에서 이 싸움은 더욱 거세진다.
결론은 두 진영이 모두 옳았다는 것이다. 뉴런 가운데서 아주 극소수는 이웃한 뉴런에게 전기의 분극을 기접 전달하며, 대다수의 뉴런은 화학분자인 '전달자 뉴런'이나 중개자 뉴런'을 통해 전달한다. 이 화학분자는 그 안에서 충동이 전기의 성질을 띠는 옆의 뉴런을 흥분시키기 위해 시냅스(뉴런 연접)를 뛰어 넘는다.
그러나 신경과학의 궁극적인 목표는 뇌의 기능을 표시한 지도의 완성이다. 뇌의 지도 제작은 의학영상(medical imaging) 기술의 획기적인 발전으로 괄목할 만한 성과를 거두고 있다. 대표적인 뇌영상 방법으로는 자기 공명 영상(MRI)과 양전자 방출 단층 촬영(PET) 기술을 손꼽는다. 이들을 사용하여 뇌의 영상을 찾아내서 뇌의 지도를 그리게 된 것이다. 따라서 기억, 지각, 학습, 언어와 같은 주요한 인지 기능의 생리학적 기초가 밝혀지고 있다. 이러한 성과에 고무된 신경 과학자, 심리학자, 철학자들은 의식이 과학적으로 설명될 수 없다는 고정 관념을 거부하고 의식의 수수께끼에 도전하기 시작했다. 의식 연구는 신생 분야이지만 다양한 이론이 쏟아져 나오고 있다. 그 중에서 가장 명성이 높은 사람이 다름 아닌 크릭이다.
크릭에 따르면, 의식은 뇌의 상이한 부분에 있는 뉴런(neuron), 즉 신경 세포들이 동시에 동일한 주파수에서 진동할 때 생긴다. 크릭은 자신의 의식에 관한 이론을 소개한 저서인 [놀라운 가설](1994)에서 사람의 정신 활동을 전적으로 뉴런의 행동에 의한 것으로 설명한 자신의 이론을 '놀라운 가설'이라고 명명하고, "이 가설은 오늘날 대부분의 사람들의 생각과 다르기 때문에 참으로 놀라운 것이라 말할 수 있다"라고 덧붙였다.
크릭의 '놀라운 가설'은 이른바 결합 문제(binding problem)를 중요한 쟁점으로 부각시켰다. 모든 물체는 모양, 색채 등 다른 특성을 갖고 있으며 이러한 속성들은 뇌의 상이한 부위에서 제각기 처리된다. 따라서 우리는 하나의 물체를 볼 때 여러 속성들이 뇌의 여러 부위에 있는 뉴런에 의하여 처리된다. 이와같은 동일한 물체의 다른 속성을 처리하는 뉴런들을 하나로 묶는 방법을 결합 문제라 한다. 크릭은 뉴런들이 동일한 주파수에서 동시에 진동하는 것을 결합 문제의 해답으로 제한하지만 다양한 반론이 속출하고 있다.
크릭 못지 않게 의식 문제를 해결했다고 주장하는 사람은 제랄드 에델먼이다. 1972년 면역학 연구로 노벨상을 받은 에델만은 그가 '신경 다윈론 (neural Darwinism)'이라고 명명한 과정으로부터 의식이 생긴다는 특이한 이론을 내놓았다. 신경 다윈론은 다윈의 진화론을 뉴런에 적용한 것으로서, 뉴런 집단들 사이에서 벌어지는 자연선택에 의하여 인간의 사고 기능이 발휘된다는 주장이다. 에델먼은 자신의 이론을 널리 알리기 위해서 [맑은 공기, 찬란한 불길 ](1992) 등 몇 권의 책을 냈지만 크릭으로부터 "독창적이지 못한 아이디어를 특이하고 애매한 전문 용어로 치장했다"라는 혹평을 받았다. 대부분의 신경 과학자들은 크릭의 평가에 동의하고 있다. 어쨋던 에델먼의 이론은 크릭의 [놀라운 가설]처럼 적어도 신경 과학에 단단한 뿌리를 두고 있다.
그러나 일부에서는 재래의 신경 과학이 의식을 설명할 수 있을는지에 대해 근본적인 회의를 표명했다. 이들은 주로 철학과 물리학 분야의 과학자들이다. 대표적인 인물은 영국의 물리학자인 로저 펜로즈이다. 그는 1989년에 인공 지능을 가장 호되게 공격한 문제작으로 평가되는 [황제의 새로운 마음]을 펴냈다. 이 책에서 펜로즈는 인공 지능의 주장처럼 컴퓨터로 인간의 마음을 결코 복제할 수 없다고 강조하면서 그 이유로 의식이 뇌의 세포에서 발생하는 양자 역학적 현상에 의하여 생성되기 때문이라고 했다. 그의 양자 의식 이론은 신경 과학자들로부터 마음의 수수께끼를 풀기는커녕 오히려 신비화시켰다는 비난과 함께 조롱까지 당했으나 펜로즈의 끈질긴 노력에 힘입어 대중적 관심을 얻었을 뿐만 아니라 그의 난해한 저서가 뜻밖에도 베스트 셀러가 되는 행운까지 안았다.
양자 역학에 의하면, 물질의 아원적 단위, 원자 이하의 모든 실체들은 우리가 보는 관점에 따라 입자처럼, 때로는 파동처럼 행동하는 양면성을 갖고 있다. 입자와 파동은 전적으로 성질이 다르다. 입자는 한 곳에 응축된 물질의 작은 덩어리인 반면에 파동은 공간으로 흩어져 퍼져 갈 수 있는 형태없는 떨림이라 할 수 있다. 그러나 아원자적 단위는 입자처럼 행동할 때에도 그 입자적 성질을 희생하며 파동적 성질을 발전시킬 수 있으며, 그 역도 그러하다. 요컨대 입자에서 파동으로, 파동에서 입자로 변형을 계속한다.
양자 역학에서는 파동에서 입자로 바뀔 때 비국소성(nonlocality)을 나타내는 것으로 간주한다. 원자 이하의 실체들이 파동 상태에 있을 때에는 공간적으로 떨어져 있는 수많은 장소에 동시에 존재한다. 그러나 파동 상태가 붕괴하여 입자 상태로 되돌아갈 때에는 파동의 한 부분이 붕괴하면 아무리 멀리 떨어져 있더라도 다른 부분들이 같은 순간에 정확하게 붕괴한다. 이와 같이 한 장소에서 일어난 사건이 공간적으로 격리되어 있는 다른 부분들의 행동을 즉각적으로 결정하는 전체의 연결을 비국소성이라 이른다.
펜로즈는 비국소성을 의식이 뇌세포에서 발생하는 가장 중요한 이유로 꼽는다. 사람의 뇌에는 무수한 많은 상이한 생각들이 동시에 양자 역학의 파동 상태로 존재한다. 이러한 생각들은 파동 상태가 붕괴하면서 결합되어 하나의 의식적 사고가 된다. 이 때 뇌의 여러 위치에 존재하는 생각들을 전체적 관련에 의하여 즉각적으로 연결시켜 의식을 발생시킬 수 있는 것은 뇌가 비국소적인 특성을 갖고 있기 때문이다. 말하자면 비국소성은 결합 문제에 대한 펜로즈의 나름의 해법인 셈이다.
펜로즈의 양자 의식 이론은 큰 반향을 일으켰으나 그의 주장에는 큰 구멍이 있었다. 뇌의 어느 곳에서 양자 역할이 요술을 부리는지를 몰랐기 때문이다. 그러나 1993년 행운이 찾아왔다. 그의 책을 읽은 미국의 스튜어트 하메로프가 영국으로 건너온 것이다. 마취학 교수인 하메르프는 1987년에 펴낸 [최후의 컴퓨팅]이라는 저서에서, 의식이 미세소관(microtubule)에서 일어나는 양자 역학적 과정으로부터 생긴다는 가설을 내놓은 바 있다.
미세 소관은 뉴론을 비롯한 거의 모든 세포에서 골격 역할을 하는 세포내 소기관으로서 단백질로 만들어진 길고 가느다란 관이다. 생물의 세포가 두 개로 분열할 때 전자 현미경으로 볼 수 있는 미세 소관들은 마치 전화기의 다이얼처럼 9쌍의 미세 소관이 주의를 둘러싸고 그 중앙에 다시 한 쌍의 미세 소관이 자리를 잡는 기이한 형태를 취하고 있다. 하메로프는 미세 소관 사이의 신호 전달이 비국소적 특성을 갖고 있다는 사실을 발견하고, 미세 소관을 통한 신호 전달을 양자 역학적 현상으로 간주하였다. 그러나 하메로프의 이론은 신경 과학의 주류로부터 관심을 끌지 못했다.
펜로즈는 미세 소관을 의식의 뿌리로 지명하고 이를 바탕으로 그의 의식 이론을 가다듬은 저서인 [마음의 그림자들](1994)을 펴냈다. 그는 이 책에서 뇌가 문제를 해결할 때 미세 소관과 뉴런 수준의 두 개의 수준이 필요하지만 뉴런 수준은 마음의 물리적 기초인 미세 소관 수준의 그림자에 불과할 따름이라고 주장했다.
의식에 관한 이론은 크릭의 놀라운 가설에서 펜로즈의 양자 의식 이론에 이르기까지 천차만별이다. 의식의 수수께끼에 도전하는 과학자들의 노력을 카누 여행에 빗대는 이유이다. 물살 빠른 강에서 카누를 타고 파도를 넘을 때마다 눈에 들어오는 풍경이 뒤흔들 듯이 각양 각색의 이론이 속출하고 있는 것이다.일부 인공지능 학자와 컴퓨터 과학자들을 비롯하여 과학소설가들은 인간의 정체성이 몸으로 체현된 구성체라기보다는 본질적으로 정보 패턴이라는 주장을 내놓았다. 이들에 따르면, 이 명제는 인간의 의식을 컴퓨터 속으로 다운로드 받음으로써 증명할 수 있다고 한다.
그런데 최근의 신경과학자 가운데 데모지오 Demasio 같은 학자는 인간의 생물학적 유기체에 대해서 관심을 갖고 있으면서 인간의 신체에 대해서는 전혀 다른 시각을 갖고 있다. 그의 실증적 연구에 따르면 인간의 신체는 단순히 디지트화될 수 있는 정보 흐름으로 이루어진 것이 아니라, 보다 복잡한 순환적 규칙을 갖고 있는 호르몬 시스템으로서, 바로 이 시스템은 두뇌의 감정과 정서를 매개하지만, 대뇌 피질에 위치하고 있지는 않는다는 것이다. 즉 그는 인간의 신체는 논리적 정보뿐만 아니라 다양한 정서의 근원지로서 두뇌를 비롯한 인간 몸 전체가 유기적으로 연결되어 인간의 인지 작용과 행동 결정이 이루어진다는 점을 보여주었다. 그는 한 가지 매우 흥미로운 사례를 들고 있다. 신경학적으로 상해를 입은 어떤 환자는 논리적 계산과 프로그램을 수행하는 데는 전혀 문제가 없었지만, 보통 사람들이 가진 정서의 발생이 정지된 상태였다.
이 환자는 놀라운 계산 능력과 논리적 해결 능력에도 불구하고 매사에 전혀 의사 결정과 행동 결정을 내릴 수 없었다는 것이다. 따라서 인간의 결정 과정에는 단순한 논리 차원이 아니라 유기체의 오랜 진화적 합의와 정서가 작용하고 있다는 사실이 밝혀진 것이다. 결론적으로 말하자면, 인간의 온전한 인지 작용은 인간의 몸을 필요로 한다는 점이다. 신체없이 오직 정보 흐름만으로는 생각하는 것은 따라서 진정한 인간적 사유가 아니다. 그렇기 때문에 일부 과학자들이 고안한 인간의 정신을 캐취할 수 있는 칩이 두뇌에 성공적으로 삽입될 수 있다고 해도 그것은 인간의 몸 전체에서 발생하는 것에 대해서 매우 불완전하여 부분적인 표상에 머물을 뿐이다.
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