모양 : 무질서가 스스로 만드는 규칙

모양

무질서가 스스로 만드는 규칙

필립 볼 형태학 3부작

당신의 세계관을 뒤흔들 형태학 이야기

해바라기부터 튜링 구조까지 저절로 만들어진 모양들

 

자연의 걸작들은 혼자서 만들어졌다

다채로운 모양 속에서 찾아낸 형태학의 근본 원리

 

이 책을 읽은 뒤에 여러분이 보는 세상은 그 이전의 세상과는 전혀 다를 것이다. 복잡한 세상에 대한 과학의 설명력은 물론, 과학이 열어 주는 아름다움을 느끼고 싶은 독자들에게 이 책을 추천한다. ―홍성욱(서울 대학교 생명 과학부 교수)

 

필립 볼의 형태학 3부작은 비단 과학도들뿐 아니라, 언어와 문화, 현상의 패턴에 관심 있는 인문 사회학도들에게도 반드시 추천하고 싶은 책이다. ―조지은(옥스퍼드 대학교 한국학․언어학 교수)

 

형태학(morphology)의 시대가 돌아오고 있다. 과학 학술지 《네이처(Nature)》는 지난 4월 1일자에 파리와 같은 벌레를 쫓기 위해 얼룩말의 줄무늬가 발달했다는 주장의 논문을 실었다. 이 논문은 파리를 비롯한 벌레들이 얼룩말에 질병을 전파하고 적지 않은 양의 피를 빼앗는다는 사실과 이러한 파리들이 다양한 형태의 줄무늬에 앉는 것을 회피하거나 물려고 하지 않는다는 다양한 관찰 결과를 통해 얼룩말의 줄무늬가 발달하게 된 핵심적인 이유를 증명했다. 그리고 이러한 연구는 앞으로 파리들이 줄무늬를 싫어하는 이유를 규명해야 하는 새로운 과제를 부여하고 있다. 이제 형태는 개별 종들의 흥미로운 생김새를 넘어서, 동물들의 발달과 생태계 내의 상호 관계를 드러내는 중요한 요소로 자리 잡기 시작했다.

이번에 (주)사이언스북스에서 펴낸 ‘필립 볼 형태학 3부작’ 중 첫 번째 권인 『모양(Shapes): 무질서가 스스로 만드는 규칙』은 19세기 후반에 참신한 학문으로 등장한 이후로 오랫동안 소외되었던 형태학에 전보다 더 명확한 체계와 근거를 부여한 책이다. 이 책에서 저자인 필립 볼은 생물학, 물리학, 수학부터 최근의 진화 발생 생물학과 천문학에 이르는 자연 과학의 다양한 학문들을 ‘형태의 자발적 발생’이라는 주제로 융합시켰다. 여기서 더 나아가 초기의 형태학과 관계를 맺었던 20세기 초의 예술 사조인 아르누보, 유겐트슈틸과 같은 예술 분야 곳곳에 흩어진 단서들까지 모아 새로운 형태학의 원리를 조직했다. 초기 형태학에서도 중요한 연구 주제였던 얼룩말의 줄무늬에 대한 조지프 리디어드 키플링과 앨런 매시선 튜링의 선구적인 연구도 이 책에서 확인할 수 있다. 나비 날개에 현란하게 퍼진 다채로운 무늬들부터, 해파리의 유동적인 형태와 놀라운 대칭성, 생명체의 성장을 준비하는 배아에 드러난 줄무늬까지 모든 형태를 아우르는 학문이 다시 시작된 것이다.

이 책에서 우리는 환경에 적응하려는 진화적 노력뿐만 아니라, 주어진 자원과 제약 아래서 최대한의 다양성을 추구하는 자발성의 결과로 현재 우리가 보는 자연 속의 다양한 형태가 이루어졌음을 확인할 수 있다. 겉으로는 비슷해 보이는 수많은 모양들이 어떻게 서로 다른 과정을 거쳐서 지금 우리가 보는 그런 유사성을 갖게 되었는지, 크게 다르지 않은 과정 속에서 어떻게 전혀 다른 모양이 나왔는지에 대한 막연한 추측이 아닌 이해를 얻을 수 있다. 20여 년 동안 과학 학술지인 《네이처》에서 편집자, 편집 고문으로 활동했던 필립 볼은 현대 자연 과학의 다양한 연구 성과들을 융합시켜서, 서로 다른 형태들을 스스로 발생시킨 근본적인 원리를 다채롭게 서술했다.

 

1996년 물리학자 리 스몰린(Lee Smolin, 1955년～)은 은하를 실제로 일종의 반응-확산 계로 간주할 수 있으며 이 우주 바람개비(은하)는 이제 막 태아 형성을 위해 발생을 시작한 수정란에서 나타날 수도 있는 소용돌이 무늬가 어마어마한 크기로 표현된 것이라고 지적했다. ―본문에서

 

나선은 자연에 도처에 존재한다. 요즘 유행하는 용어로 유비쿼터스다. 이것은 모든 나선이 똑같은 방식으로 형성되었다는 의미는 아니다. 가령 유체 흐름의 소용돌이는 완전히 다른 부류이다. 나선 은하는 회전하는 먼지, 가스, 그리고 별들의 혼합물이 휘저어진 단지 확대된 소용돌이에 지나지 않는다고 생각하기 쉽다. ―본문에서

 

생명은 어떤 모양으로 만들어졌을까?

패턴의 관점에서 풀어낸 자연의 수수께끼

 

저자는 이 책을 시작하면서 “어떻게 인간은 어떤 형태만 보고도 그것이 생물인지 아닌지를 알 수 있을까?”라는 질문을 1장에서 던진다. 저자는 생물과 무생물 사이의 형태적 특징을 부정했던 톰프슨의 연구에 주목한다. 동시에 인간이 어떤 물체의 겉모양만으로도 생물인지 여부를 판단할 수 있다는 사실이 형태의 원리를 이해하는 핵심적인 단서임을 지적한다. 생명체가 환경에 적응하는 과정에서 획득한 복잡성은 우리가 생명의 형태를 눈으로 인식할 수 있는 중요한 특징이다. 단순히 복잡하다는 이유만으로 생물로 단정하는 것이 아니라, 그러한 모양의 세밀함을 생존하려는 노력의 흔적으로 본 까닭에 그 모양에 생명이 있다고 판단한다는 것이다. 하지만 이와 함께 저자는 바다 미생물인 규조류와 운석에서 발견한 세균과 유사한 무기물의 사례를 통해, 눈은 익숙하지 않은 형태에서 생명의 유무를 구별하는 데는 한계가 있음을 지적한다. 우리의 시야를 벗어난다면 모든 생물과 미생물의 형태 차이가 바위와 곤충만큼 크고 또렷하지는 않다는 점에서 톰프슨의 통찰은 지속되고 있다고 저자는 말한다.

2장에서는 톰프슨이 “모든 6방 구조 중에서 가장 유명하고 가장 아름다운 것 중 하나”라고 말했던 벌집의 형태를 다뤘다. 그렇지만 저자와 톰프슨은 벌집이 자연의 기하학적인 정교함과 계획성을 상징한다고 보는 통념에 편승하지 않았다. 다윈은 밀랍을 절약하기 위해 벌과 벌집이 진화해 왔다고 주장했다. 이에 대해 톰프슨은 밀랍 표면력 간의 상호 작용이 벌집의 모양을 결정한다고 맞섰다. 저자 역시 벌집의 정교한 외관에 감탄하는 대신, 최근의 다양한 연구 성과를 종합해 냈다. 그 결과 벌집은 주어진 자원과 환경에 완벽하게 최적화된 것이 아닌, 벌들이 밀랍으로 집을 짓는 과정 속의 우연한 결과에 더욱 가깝다는 사실을 보여 주었다.

 

대류하는 유체에서 볼 수 있는 이 패턴들의 풍부함과 다양성 때문에, 하나의 주어진 실험에서 어떤 패턴이 나타날지를 예측하기는 쉽지 않다. 원칙적으로 한 특정한 집합의 조건들에서 몇 가지 대안적 패턴들이 가능할 때, 어느 것이 선택되느냐는 시스템이 어떤 조건을 갖추었느냐에 달렸을 수도 있다. ―본문에서

 

이 끝에서 저 끝까지 꿀벌의 유전체를 해석할 수 있지만, 그 안에 어디서도 벌집의 청사진을 찾을 수 없다는 것이다. 그것은 생명체(암컷 일벌)가 일을 열심히 할 때만 드러나는 어떤 것이다. 단지 한 생명체가 아니라 꿀벌 떼가 그래야 한다. 이 6각형의 저장소는 집단의 노력으로 생긴다. ―본문에서

 

심장이 보내는 구조 신호는 어떤 패턴을 그릴까?

튜링이 찾아낸 패턴 형성의 비밀은 무엇이었을까?

인간과 자연을 오가며 그려 낸 흥미진진한 이야기의 패턴

 

3장에서는 현대 과학자들이 실험실에서 만들어 낸 다양한 형태와 반응들, 그리고 그것이 실제 패턴들의 연구에 주는 시사점을 다룬다. 특히 심장 발작을 일으키는 심장 부정맥이 일어날 때 보이는 나선형 파장의, 패턴이 물에 떨어뜨린 잉크 방울이 한동안 확산과 응축을 반복하는 화학 반응과 유사하다는 발견이 인상적이다. 이 반응은 우리의 직관에 반하는 까닭에 한때 당혹감을 불러일으키기도 했다. 이제는 이 나선형 패턴을 조작하는 방식이 곧 심장이 멈추기 전에 일으키는 경고에 대응하는 열쇠가 된 것이다.

4장에서 다소 의외의 인물을 만날 수 있다. 오늘날 우리가 사용하는 디지털 컴퓨터의 초석을 놓은 인물이자, 사과를 한입 베어 물고 안타까운 죽음을 맞이한 것으로 유명한 과학자 앨런 매시선 튜링이다. 초등학생일 때 톰프슨의 『성장과 형태』를 읽은 후로 형태의 발생이라는 주제에 관심을 갖게 된 튜링은 이 분야에서도 선구적인 업적을 남겼다. 그는 「형태 형성의 화학적인 토대」라는 논문에서, 생물이 발생하는 동안 서로 다른 세포 내의 유전자를 발현시키는 스위치를 켜거나 끌 수 있는 화학 물질인 ‘형태 형성 물질’의 개념을 제안했다. 이 형태 형성 물질이 확산되거나 정지되는 패턴에 따라 우리가 보는 생물체들의 모양이 만들어진다는 내용이다. 이런 주장은 시대를 다소 앞섰지만, 오늘날에는 다른 과학 분야들의 연구 성과를 통해 그 타당성이 입증되었다. 형태학에 앞서서 그가 제안한 튜링 패턴이 귀환한 것이다.

5장은 개별 생물을 넘어서 그 생물들의 집단이 갖는 패턴과 그것이 그 구성원들이 드러내는 패턴의 원리와 어떤 관계가 있는지 보여 준다. 사회성 곤충 중 하나인 흰개미 중 어느 종은 높이가 6～7미터에 이르러서 마치 점토 성당처럼 보이는 집을 짓고는 하지만, 그것 역시 필연적이거나 처음부터 의도된 형태가 아니다. 이런 거대한 모양의 집은 어디까지나 개별 개미들 간 상호 작용의 결과이며, 이런 상호 작용이 누적된 결과 작은 흙덩이가 모여 거대한 성당이 된다. 어떤 개미도 자신들이 특정한 모양의 거대한 집을 짓고 있다는 의식은 없다고 저자는 지적한다. 그럼에도 이런 포괄적인 행동 원리가 어느새 자연 중에서도 가장 정교하며 거대한 형태를 구현해 낸다. 하나의 자발적인 규칙만 쌓여도 어느 순간 무질서에 형태가 들어선다.

생물학은 이렇게 ‘기성품’을 이용하는 것 같이 보이지만 그것은 또한 눈부실 정도로 화려하고 거의 한없는 변이를 만들어 낼 수 있다. 그러나 이 모든 것이 진화적 맥락 안에서 나타나고, 이것은 자연이 ‘작동’하는 패턴을 선별할 권한을 가진다는 것을 의미한다. 살아 있는 자연은 본질적으로 창조적이며 또한 그 창조물의 가치를 평가할 능력이 있다. ―본문에서

 

곤충들은 서로 다른 청사진으로 일하지 않는다. 단지 타일을 놓기 좋아하는 방식에 작은 차이가 있을 뿐이다. 곤충들은 시작할 때, 우리가 타일이 만들 패턴을 생각하는 것 이상으로 생각하지 못한다. 여기서 또다시 패턴은 사실상 그 자신을 만든다. ―본문에서

 

누구도 자연의 패턴을 만들지 않았다

스스로 형성된 모양의 세계가 펼쳐진다

 

6장과 7장에서는 각각 식물의 잎차례와 인체 배아의 전개를 주제로 균일한 공간에서 스스로 형성되는 모양의 원리와 그 패턴을 다루었다. 6장에서는 식물의 줄기에서 나선형 패턴으로 잎들이 차례로 돋아나는 과정을 분석하는 수단으로써 널리 알려진 피보나치수열의 유용성을 확인할 수 있다. 동시에 저자는 식물의 잎차례가 피보나치수열에 따라 형성되었다고 극적으로 설명하지 않는다. 그는 식물의 잎차례는 햇빛을 받고 성장해야 하는 식물의 물리적인 제약과 한쪽으로 잎이 쏠렸을 때 일어나는 꺾임과 같은 물리적인 힘에 대한 자발적인 반응의 중요한 사례이며, 피보나치수열은 어디까지나 결과적으로 부합한 도구임을 강조한다.

7장에서는 가장 복잡한 모양 중 하나인 인체의 형성을 다루는데, 형태 형성 물질의 유도에 따라 배아에서 특정한 패턴이 발현하며, 배아 내에 구획이 형성되어 각각의 부위가 발달하는 일련의 방식을 서술한다. 여기서 우리는 개별적인 패턴의 발생이 총체적인 형태, 즉 모양의 형성으로 귀결되는 가장 포괄적인 사례를 확인할 수 있다. 저자는 진화 발생 생물학과 튜링의 발생 이론을 비롯한 다양한 접근법을 수렴하여, 소수의 화학적 도구들이 거대한 인체 구조를 형성해 가는 복잡한 과정에서 패턴의 자발성이 갖는 중요성을 입체적으로 서술한다.

다양한 과학적 성과들을 종합하여 오랫동안 위축되었던 형태학에 새로운 설득력을 부여한 이 책은, 우리가 사는 세계의 다채로운 모양들이 환경과 자원의 제약과 단순한 법칙만으로 형성되었음을 알게 해 준다. 서로 다른 시대와 학문의 통찰이 하나로 모여서 만든 이 새로운 형태학은, 우리 주변의 수많은 형태들 너머의 이야기 속으로 다가가는 문을 열어 주었다.

 

우리 몸은 정확히 자발적으로 머리부터 발끝까지, 한 덩어리의 마노 또는 나가서 표범의 가죽이 따르는 방식으로 패턴을 만들지 않는다. 더구나 처음부터 각 세포에 위치와 기능을 부여하는 명령에 따라 만들지도 않는다. 그 대신 우리는 (놀랍게도 거의 정확하다는 점에서) 각각의 나비 날개에서 이미 접했던, 예정된 것과 우발적인 것의 섬세한 조합인 일종의 도구 상자 패턴의 한 예인 것이다. ―본문에서

 

그러나 이 정도는 더욱 확신할 수 있는데, 자연의 조직화하는 힘이 모든 형성의 근간이라는 헤켈과 자연 철학의 개념은 현대 생명 과학의 지지를 얻기에 너무 멀리 떨어져 있다는 것이다. 지금까지 우리는 살아 있는 자연이 만들어 내는 여러 가지 패턴 형성 과정을 살펴보았다. 그런데 이 패턴들은 어떤 보이지 않는 불가항력으로 좌지우지되는 것이 아니라, 어찌 보면 적절한 기회를 따라 만들어진 것 같다. ―본문에서

 

자연계 생성에 대한 심오하고 새로운 영역을 우리에게 보여 준다. ―《파이낸셜 타임스》

 

폭 넓고 지적이며, 독단적이지 않은 3부작이다. ―《타임스 리터러리 서플먼트》

 

 

차례

서문과 감사의 말

1장 세상의 모든 모양: 패턴과 형태

2장 벌집의 교훈: 거품으로 집짓기

3장 파동 만들기: 시험관 안의 줄무늬

4장 문신: 숨기기, 경고하기, 모방하기

5장 야생의 리듬: 군집 형성의 규칙

6장 정원의 식물은 어떻게 자랄까?: 데이지의 수학

7장 배아의 전개: 생명 탄생의 패턴

부록1 비누 막 구조

부록2 진동하는 화학 반응

부록3 BZ 반응의 화학적 파동

부록4 리제강 띠

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필립 볼

과학 저술가. 1983년에 옥스퍼드 대학교 화학과를 수석으로 졸업하고 1988년에는 브리스톨 대학교에서 물리학 박사 학위를 받았다. 20여 년 동안 《네이처》의 물리․화학 분야 편집자, 편집 고문으로 일했다. 『화학의 시대(Designing the Molecular World)』, 『H₂O(Life's Matrix)』, 『브라이트 어스(Bright Earth)』, 『물리학으로 보는 사회(Critical Mass)』(2005년 아벤티스 과학 도서상 수상)』, 『음악 본능(The Music Instinct)』 등 대중 독자를 대상으로 한 다양한 분야의 과학 책을 저술했다. 미국 항공 우주국(NASA), 영국의 빅토리아앤드앨버트 미술관, 런던 정치 경제 대학(LSE) 등에서 다양한 과학 강연을 하고 있으며, 《네이처》, 《뉴사이언티스트》, 《가디언》, 《뉴욕 타임스》 등 여러 잡지와 신문에 기고하며 과학 문화 확산을 위해 노력하고 있다.

 

옮긴이 조민웅

건국 대학교 물리학과를 졸업하고 서울 대학교 대학원에서 물리학 석사, 박사 학위를 받았다. 숙명 여자 대학교에서 ‘이온 다발 때려 내기를 이용한 패턴 만들기’를 연구했으며 한국 과학 기술 연구원에서 ‘다이아몬드상 탄소 필름의 성장 메커니즘’을 연구했다. 현재 동국 대학교 융합 에너지 신소재 공학과에서 연구 교수로 있으면서 계산 과학을 통해 재료의 성질을 연구하고 있다.

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