이근호 목사

(9) 복잡계가 되어지는 과정
복잡계를 대략적으로 요약하면 다음과 같다.
고립계(isolated system)
환경과 완벽하게 고립된 즉 에너지나 물질, 정보의 입출입이 완전히 통제된 시스템을 고립계 또는 절연계라고 부른다. 고립계는 에너지가 보존되는 보존계로서 고전역학의 주된 대상이었다. 이 고립계의 진화는 엔트로피 증대 법칙에 지배된다.
우주는 우리가 생각할 수 있는 최대의 전체이기 때문에 우주 바깥에는 아무 것도 없다. 따라서 우주 자체는 바로 가장 완벽한 고립계이다. 클라우지우스는 우주가 완벽한 고립계이기 때문에 우주는 결국 최대 엔트로피 상태인 열사(Heat Death)에 이른다는 비극적인 미래를 예견했다.
뜨거운 입자와 차가운 입자가 같이 모여있다가 시간이 가면서 점점 고르게 뒤섞이게 되고 온도는 미지근한 상태가 될 것이다. 이렇게 고립계에서는 엔트로피 최대의 상태가 평형상태이다.
그런데 우주는 팽창하고 있는 고립계이다. 팽창으로 우주는 결코 평형상태에 이를 수 없다. 즉 우주는 비평형상태에 있게 되고 우주가 열사에 빠지는 것을 막아 준다.
폐쇄계(closed)
고립계에서 에너지의 출입이 자유로워지면 폐쇄계가 된다. 폐쇄계나 개방수동계는 고정된 다이나믹스를 가지며 물리적인 세계는 대부분 이 폐쇄계나 개방수동계이다. 즉 열에너지는 확산에 의해 자유롭게 출입이 가능하기 때문에, 고체, 액체, 기체의 물질 등 상태변화가 일어나기도 한다.
폐쇄계의 진화는 엔트로피 증대 법칙뿐만 아니라 볼츠만의 질서화 원리가 진화방향을 결정한다. 헬름홀츠의 자유에너지 (열역학적 퍼텐셜)의 정의
F=U-TS (F=자유에너지, U= 내부에너지, T=온도, S= 엔트로피)
에 의하면 온도와 부피가 변하지 않는 경우에 평형상태는 자유에너가 최소값을 취하는 상태가 된다. 이 경우에 반드시 엔트로피가 최대가 된다고 말할 수 없다. 즉 시시템의외부에서 내부의 에너지를 빼앗아 가면 즉 온도가 내려가면 TS의 값은 무시할 수 있을 정도로 작아진다. 폐쇄계에서는 헬름홀츠의 자유에너지가 최소인 상태가 바로 평형상태가 된다.
개방계(open)계
에너지뿐만 아니라 물질까지 출입할 수 있게 되면 개방계 또는 유동계라고 부른다. 한편 개방계는 에너지를 보존하지 않는 산일계이기도 하다. 개방계에서는 깁스 자유에너지가 최소인 상태가 평형상태이다.
개방계라고 해서 계가 완전히 열려있는 것이 아니고 대부분 닫혀 있고 특별한 부분만 열려있다. 폐쇄성은 시시템을 환경으로부터 독립시키는 역할을 하며 개방성은 시스템의 변화를 가능케 한다. 개방계가 질서를 만들어 낼 수 있는 것은 무작위로 주어진 에너지의 흐름 즉 열에너지의 흐름을 기계적인 에너지 즉 역학적인 에너지로 바꾸는 데 있다. 개방계는 다시 개방수동계와 능동계로 나눈다.
개방수동계
외부에서 받아들이나 물질이나 에너지량만큼 밖으로 버리는 물질이나 에너지량이 균형을 이루고 있는 상태는 조용한 평형상태(equilibrium state)라고 한다. 즉 외부에서 들어오는 것은 많은 밖으로 배출되는 것은 상대적으로 적어지면 개방계의 내부는 크게 요동이 일어나는 비평형상태가 되는 것이다. 계속 외부에서 공급되는 물질 또는 에너지량이 늘어나 더욱 요동이 커져서 분기점(bifurcation point)에 이르면 개방계의 내부구조가 무너지는 간혈적인 카오스가 나타난다. 그리하여 이 단계에서는 곧 새로운 질서를 자기조직하게 된다. 이것을 프리고진은 산일구조라고 불렀다. 베나르 대류가 그 좋은 예이다. 온도가 낮을 때는 무질서 하게 돌아다닌다.
이 분자들의 무질서한 운동은 미시적인 요동에 의한 것이다. 그러나 온도가 높아져 어느 임계점을 넘어서면 무질서하게 돌아다니던 분자들이 마치 군인들이 열병식을 하는 것 같은 착각이 들 정도로 일정한 흐름을 만들어 매우 질서 있는 구조를 만들어 낸다. 이 구조는 정적인 것이 아니고 시간적으로 진동하는 동적 구조이다. 즉 이 구조를 만들고 있는 분자들이 끊임없이 교체되고 있는 것이다.
분자들이 상호작용할 수 있는 거리는 극히 작다. 그러나 베나르 대류에서 보듯이 분자의 크기에 비해 거대한 구조물을 만들고 있다. 분자들이 어떻게 이런 거리를 초월하여 상호작용할 수 있는지 아직 분명히 알려져 있지 않다.
개방적응계
베나르 대류처럼 외부에서 열에너지를 주어야만 그 구조를 유지할 수 있는 수동적인 것에 비해 자신의 동적인 구조를 유지하기 위해 스스로 에너지원을 찾아다니는 시스템이 있다, 그 대표적인 것이 생명체이다. 즉 개방능동계이다.
개방능동계를 개방적응계라고 부르기도 한다. 개방적응계는 계내의 상호작용에 의해서 계 내부의 특성이 수정되는 역학적인 특성을 갖고 있다.
폐쇄계나 개방수동계의 경우 그 내부구조의 변화 즉 상전이는 외부환경에 의한 것이다. 그러나 개방적응계는 내부의 피드백 기구에 의해 스스로 내부구조를 바꾸어 갈 수 있는 것이다. 이것이 바로 적응이라는 현상으로까지 발전한다.
세포막에 들러싸인 세포라든지 생태계에서의 종의 자연 도태라든지, 기억이나 학습현상은 모두 개방적응계의 보기이다. 특히 세포막에는 작은 구멍이 있는 이 구멍보다 큰 물질은 통과하지 못하고 작은 물질만 통과한다. 물이 이 구멍보다 크기가 작기 때문에 자유롭게 드나든다. 그리고 세포막에는 선택투과성이라는 성질도 있다. 영양분 등과 같이 세포에 필요한 물질은 선택적으로 통과시켜주는 보다 커다란 출입구가 있다. 그리고 세포 내에서 생기는 노폐물을 신속하게 내보낸다. 이러한 작업이 이루어지기 위해서는 세포막에 물질을 구분하는 능력이 필요한 것이다. 세포에는 단백질이 붙어 있어 필요한 물질, 블필요한 물질을 구분해 준다. 세포막의 이러한 능력을 능동수송이라고 부른다.
지구도 하나의 거대한 개방계이다. 지구와 우주공간 사이의 물질 교환은 거의 일어나지 않지만 (요즈음은 우주탐사선의 발사로 지구의 물질이 우주공간으로 나가게 되었고, 우주공간을 방황하는 운석이 지구로 떨어진다. 따라서 우주와 물질교환도 이루어지고 있다고 말할 수 있지만 극히 미미한 것이다.) 에너지 교환은 끊임없이 일어나고 있다. 태양으로부터 태양열을 받았다가 폐열을 우주공간으로 내보내고 있다. 게다가 제임스 러브룩은 지구가 단순한 개방계가 아니라 개방적응계라고 주장한다. 그는 유명한 가이아 가설로 지구는 살아 있으며 태양으로부터 받은 에너지를 이용해 지구의 환경을 바꾸어 생명체가 살아가도록 상상성을 유지하고 있다고 주장한다. 개방적응계는 비평형계기어야 한다. 비평형계는 그 비평형의 상태가 더욱 발전하면 이윽고 카오스 상태에 이르게 된다. 말하자면 카오스란 개방계에서 비평형상태의 하나라고 볼 수 있으며 이 상태가 자기조직 현상, 창발적 현상의 바탕이 되는 것이다.
개방적응계는 비선형적이고 평형으로부터 아주 멀리 떨어진 비평형계이다. 여기에서 일어나는 여러 가지 현상은 신비스럽지만 아직 분명히 밝혀지지 않고 있다. 프리고진 등이 비선형비평형열역학을 연구함으로써 그 비밀을 밝히려고 노력 중이다.
두 개의 경쟁하는 시스템이 있을 때 이들은 결국 하나로 통합되는 경우가 있다. 시스템이 통합되는 방법의 다양하다. 하나는 흡수 통합법이다. 흡수통합은 먹고 먹히는 관계다. 먹이는 쪽의 조직은 그 조직의 특성은 무시되고 최소의 구성요소까지 철저히 분해되고, 흡수되고 포식 시스템의 살을 찌우는 데 사용될 뿐이다. 사람이 음식을 먹고 소화시키는 과정과 같은 것이다. 말하자면 소화작용이란 식물이 된 시스템을 물리적으로 파쇄하고 화학적으로 분해하여 최소화세포들이 흡수할 수 있게 하는 것이다. 이 분해과정이 여의치 못할 때 소화불량이 되고 설사병이 걸린다.
두 번째 통합은 협력공생 관계이다. 두 시스템이 서로의 특성을 필요로 하여 서로의 시스템을 파괴하지 않고 융합함으로써 하나의 시스템으로 통일되는 것이다. 이것의 좋은 본기는 린 마굴리스의 세포공생 진화설이다. 원핵세포생물이었던 다양한 박테리아들이 서로의 특성을 필요로 하여 합체하고 하나의 생명체로 변화하여 진핵세포로 진화하였다. 독립적으로 떠돌아가니던 진핵세포들도 혼자 살아가기보다는 다수가 뭉쳐 돌아다니는 것이 보다 효율적이라는 것을 알고 다세포생물로 진화한다. 다세포생물의 경우도 동종의 공생협력체라고 할 수 있다.
기본요소→전이구조→자기촉매구조→자기보전구조→자기복제구조→생명체
다윈은 종의 기원에서 말하기를 "모든 생물은 치열한 경쟁 상태에 놓여 있어서 생존을 위해 항상 투쟁한다"고 했다. 그는 자원은 제한적인 반면에 생물 개체수는 무제한적으로 성장하기 때문에 생물들의 이러한 투쟁은 불가피하다는 것이다. 그러나 많은 생태학자은 이 이론이 실체와 부합되지 않는다고 한다. 고기 조각 하나를 놓고 두 마리의 동물, 특히 다른 종의 동물이 서로 먹으려고 티격태격하는 일은 드물다. 심지어 경쟁이 관찰되는 경우라 하더라도 그것이 때때로 대수롭지 않게 나타난다.
식량과 다른 자원의 공급이 제한되었을 때, 유사한 생물들은 어떻게 서로의 경쟁을 피할 수 있을까? 같은 지역에 살고 있는 유사한 종들은 서식처를 생태적 지위로 나누어서 경쟁을 회피한다.
생태학에서 가장 철저히 증명되었던 원리 중 하나로 '두 종에 생물이 똑같은 생태적 지위를 누리는 경우는 결코 없다'는 원리(가우스 원리)이다.
유사한 동물 종이 서로 다른 먹이를 찾거나 서로 다른 시기에 활동하거나 아니면 서로 다른 생태적 지위를 차지하기 때문에 같은 지역에서 공존할 수 있었던 예는 무수히 많이 알려져 있다. 각각의 식물 종도 또한 서로 다른 생태적 지위를 차지한다. 예를 들면, 어떤 종은 모래 토양에서만 사는가 하면, 어떤 종은 부식질이 많은 토양에 서식한다. 어떤 종은 산성 토양을 좋아하며, 또 어떤 종은 알카리성 토양을 좋아한다. 지의류 같이 토양을 필요로 하지 않는 종이 있는가 하면, 어떤 종은 이른 계절에 성장하는 반면 어떤 종은 늦은 계절에 성장기를 맞는다. 크기가 작기 때문에 살아 남을 수 있는가 하면 몸집이 크기 때문에 잘 지내는 것도 있다.
식물들 사이에는 격렬한 투쟁이 없으며 전쟁처럼 서로 죽이는 일은 더더구나 없다. 서로 분점한다는 기초 위에서 조화롭게 성장한다. 경쟁의 원리보다는 협동의 원리가 훨씬 더 강력한 것이다. 묘목들은 1제곱야드당 수천 그루가 같이 자라더라도 서로 죽이지는 않는다. 그들은 이용 가능한 물, 양분, 그리고 광선을 서로 나누면서 자랄 수 있는 데까지만 자랄 뿐이다.
동물이 경쟁을 피하는 가장 간단한 방법 중의 하나는 먹이의 분점이다. 때로는 서식처의 공간적 분할이 경쟁이 예방하기도 한다. 메기는 산소를 적게 요구하므로 물이 얕고 흐름이 느린 개울에 서식하며 송어는 용존 산소를 많이 요구하기 때문에 급류와 폭포처럼 산소 공급이 용이한 장소에서만 서식할 수 있다. 염도가 0.5%이상인 물에서 살 수 없는 홍합은 굴과는 절대로 경쟁하지 않는다. 왜냐하면 굴은 염도가 0.5% 이하인 물에서 살수 없기 때문이다.
서식처를 각기 다른 시간에 이용하는 것도 자연이 채택하는 경쟁을 피하는 전략이다. 대부분의 서식처에는 주행성과 야행성의 두 가지 유형의 생태적 군집이 있을 수 있다.
초식동물은 또한 똑같은 먹이를 가지고 서로 다투지 않도록 특별한 습관과 능력을 지닌다. 얼룩말은 말과 같은 앞니를 가지고 있어서 길고 건조한 풀을 먹는데 아주 능숙하다. 야생 소는 초본류의 곁순을 먹는데, 소처럼 자신의 혀로 그것을 훑어서 앞니에 대고 찢는다. 톰슨 영양은 다른 동물들이 이미 지나간 곳에서 풀을 뜯는데 이들과 다른 포복식물과 다른 동물이 미처 뜯어 먹지 못했던 풀을 골라 먹는다.
이처럼 생태적 지위에 따라 서식처를 분할함으로써 경쟁을 회피하는 일이 동물계나 식물계를 막론하고 매우 일반적으로 행해진다.
다윈은 말하기를, 모든 개체는 자신의 수를 늘리기 위해 극도로 노력하기에 그것을 말리지 않는다면 지구는 곧 한 쌍의 자손으로 뒤덮일 것이라고 했다. 그리고 자연증강의 제한 요인으로서 포식, 기아, 극단적 기후 및 질병 등 네 가지를 제시하였다.
그러나 굶주림이나 질병으로 직접적으로 영향을 미치는 경우는 드물다. 그 대신 암컷이 성숙에 이르는 기간을 조절함으로써 그 수가 조절되는데 개체의 수가 너무 과밀하면 배란을 점점 늦추든지해서 배란을 중단하기 까지 한다.
생물은 결코 환경과 투쟁하지 않으며, 환경에 둘러싸여 그것과 더불어 살아간다. 어떤 생물도 강력한 바람에 대항하기 위해서 에너지를 낭비하지 않는다. 생물은 최소한의 에너지를 사용하여 그 몸을 구성하며 이를 유지하며 기능을 발휘할 수 있다. 수학이나 공학에서 최대의 효율을 나타낸다고 밝혀진 구조들이 동식물에게서 발견된다는 사실에서 자연의 효율성을 엿볼 수 있다. 효율성이란 생물의 필요 조건이며 생명 그 자체로 정의되어야만 한다. 만약 자연계가 동식물이 필요로 하는 것보다 더 효율적인 구조를 제공한다면 이는 낭비가 되고 말 것이다.
새로운 발견에 따르면, 진화는 어떤 유전학적 작용에 의해 촉진될 수 있다고 한다. DNA의 유전자 및 환절(環節)은 박테리아 및 기타 특정 생명체의 염색첵에 뛰어든다고 밝혀졌는데, 이것은 곧 염색체가 지속적으로 탈바꿈될 수 있음을 말해 준다. 연구자들은 그러한 유전학적 '다시 쓰기'가 모든 생명체에서 발생할 수도 있을 것이라고 추측했다.
DNA의 어떤 환절들은 유전자의 통상적인 산물에 전혀 기여하지 않는 것으로 보인다. 암호의 문맥에서 무의미하게 보이는 이러한 중간 열(유전 암호를 구성하는 문자격의 분자들의 계열)의 발견을 연구자들 중 한 사람인 하버드 대학의 월터 길버트는 '무서운' 사실이라고 표현했다. 영국의 '뉴 사인언티스트'지는 이렇게 평했다. '유전자에 대한 우리의 개념 자체가 이제 의심스럽다. DNA는 생물학자들이 생각했던 대로 일관성 있는 기록 보존소가 아니라 하나의 유동체, 말하자면 유전자군이 팽창과 수축을 반복하고, 떠다니는 원소들이 들락거리는 하나의 역동적 조직이라고 할 수 있을 것이다.
비타민 C를 발견했고 노벨상을 수상한 바 있는 생화학자 앨버트 센트뢰르디는, 더 큰 질서를 향해 나아가는 것은 자연의 근본 원리일 수 있다고 주장했다. 이러한 특징을 그는 신트로피(syntropy)라고 부른다. 엔트로피(entropy)와는 반대되는 개념이다. 생물은 스스로를 완성하려는 타고난 추진력을 지니고 있다고 그는 믿었다. 어쩌면 실제로 유기체의 세포 외위(外圍)가 그 중심에 있는 DNA로 정보를 되돌려 보내면서 지시사항을 변경하는지도 모른다.
요컨대 요소와 요소, 요소와 전체간의 자기 되먹임의 메커니즘이 자기 조직화의 비밀인 것이다. 생물계는 자기 참고를 그들의 안정성으로 사용하거나 더 나아가 더 높은 형태로 자신을 고양시키는 데 사용할 수도 있다.
박테리아를 예를 들어 보자. 지구상의 최초의 생명인 이것은 세포핵이 없다. 이것이 나누어지거나 자신을 복제함으로써 번식한다. 상호간의 어떤 생식 물질을 교환할 수 있는 능력도 있다. 이것은 재생산의 과정은 아니다. 이것이 뜻하는 바는, 세상의 모든 박테리아는 다른 박테리아의 '생식 창고'로 사용할 수 있다는 것이다. 생식 창고에 있는 물질의 지속적인 반복 점진식 변환을 통해서 박테리아는 바뀌는 조건에 빨리 적응할 수 있다. 그러나 이러한 자기 참고에 기초한 생물체의 결점은, 박테리아는 자기 복제를 할 때(다시 되먹이는 결과로 빚어지는) 모체에서 분할된 종류의 다름을 제외하면 박테리아 사이에는 아무런 개체성이 없다는 것이다.
린 마굴리스와 도리어 세이건은 미생물학적 진화를 다룬 그들의 저서에서, "생명체의 거대한 자기 참고식 고리의 하나에서, 성적 재생산이 존재하게 됨으로써 나타나는 DNA의 변화가, 우리들로 하여금 유전 공학을 통해서 DNA를 변화시킬 수 있게 한 의식의 수준에 이르게 하였다"라고 했다.
물리학 세계에 있어 아주 작은 그리고 가장 근본적인 물질의 수준에서도 자기 참고식 반복 점진 과정이 일어날 수 있다는 것이다. 소립자들은 진공 상태에서 반복 점진식으로 생기고 사라지는 꾸준한 과정으로써 만들어진다. 이것이 뜻하는 바는, 환원론자들의 실재, 즉 자연의 근본 질료는 바위 같은 영구성이나 혹은 정적인 양에 의한 것이 아니라 입자들의 양자장(quantum field) 속에서 꾸준히 생겨나고 사라지는 어떤 역동적인 순환적 성질이나 과정에 의한 것이라는 사실이다.
반복 점진이 제안하는 것은, 안정성과 변화란 대칭적이 아니라 서로 상대의 거울에 의한 상대의 반영이라는 것이다. 예로서 인체의 세포를 생각해 보자. 7년 정도마다 세포들은 완전히 바뀐다. 즉 반복 갱신된다. 내장 중의 하나인 이자는 24시간마다 전세포가 완전히 바뀌며, 위장의 질벽 속 세포는 3일에 한 번씩 바뀐다. 심지어 뇌 속의 단백질의 98%가 매달 완전히 바뀐다. 비록 우리들 자신을 이루는 물질은 꾸준히 변화하지만 우리 자신들은 실질적으로 변화하지 않는다.
이러한 자기 조직화는 주변에서도 쉽게 관찰된다. 비근한 예로 무리지어 날아다니는 모기떼의 경우를 보자. 모기때들은 분산도 확산도 하지 않으면서 그 형태를 아주 잘 유지한다. 개별적인 모기들의 운동의 무질서한 성격을 고찰해 볼 때 이것은 놀랄 만한 점이다. 이것은 요소와 요소간의 상호 작용(다른 모기떼로부터 떨어지지 않으려는 성향)과 집단과 요소간의 상호 작용(집단적 운동은 개별 모기의 무질서한 운동을 방해한다)이 결부되어 만들어지는 질서이다.
무작위적인 움직임이 되먹임을 통해서 복잡한 질서에 이르는 보다 고차원적인 과정은 흰개미의 집짓기에서 볼 수 있다. 휜개미들의 집짓기에는 아무런 설계도도, 그것을 감독할 중앙 관료 제도도 없다. 처음에 개미들은 흙덩어리를 물고 이리저리 옮기면서 무질서하게 돌아다닌다. 이렇게 하면서 다른 개미들을 끌어모으는 페르몬이라는 화학 물질을 방사해서 흙더미에 스며들게 한다. 처음에는 되는 대로 하다가 일단 어느 지점에 흙이 다른 곳에 비해 많이 쌓이게 되면 그곳이 개미들이 나르는 흙덩이리가 모이는 초점이 된다. 그것은 더 많은 개미들을 끌어들이고 개미의 행동은 이제 그 구조에 구속되게 된다.
인간 사회에서 옷의 패션의 변화도 이러한 자기 되먹임의 과정을 잘 보여준다. 패션을 만들어 내는 고차적인 계획이 있는 것은 아니다. 디자이너들은 그것을 유도하지만 그것의 성공 여부는 자신도 알 수 없다. 그 이유는 자기 되먹임이 가지는 비선형성으로 인해서 고도로 불확정적이기 때문이다. 먼저 임의의 소수가 어떤 패션에 매력을 느끼고 자기의 취양에 맞으면 입기 시작한다. 이것이 유행을 탈 경우에는 자기 되먹임이 성공한 것이다. 갑자기 그 옷을 입는 사람들이 증가하고 다른 사람들을 끌어모으는 자기 되먹임이 시작되면서 그 유행은 발산적으로 퍼져나간다. 이제 이 패션은 개별적인 사람들에게 선호의 문제가 아니라 옷의 양식을 구속하는 강제성을 가진다. 이것은 전체가 요소에 가하는 되먹임이다. 이 단계에 도달하면 패션은 마치 자신의 정체성을 유지하기 위해 투쟁하는 살아 있는 유기체와 닮아간다. 요소들의 교란은 항상 있지만 그것은 신속하게 저지되고 계의 평형 상태는 유지된다. 예컨대 이 유행에 못마땅한 사람들로 있겠지만 그럴 경우 그는 '촌스럽다'는 눈총을 받게 된다. 그는 촌스러움을 변하기 위해 그 강제에 복종하면서 자기 체형에 어울리지 않는 옷을 울며 겨자 먹기로 입게 된다. 또는 유행에 무관심한 사람도 기성복 시장에서 그 스타일의 옷 외에는 구할 수 없어서 그 옷을 입게 되는 수도 있다. 어쨌든 결과적으로 그는 그 계를 강화시켜 주는 역할을 부지불식간에 하고 있다.