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동적평형

1. 빠르다. 동시성 : short range
2. 복잡계
3. 동적평형 : 항상성, 복원력, 나비효과
4. 전체 > 부분의합 : 쪼개면 알 수 없다

동적평형 :  색즉시공, 공즉시색, 사소한 차이
- 동일 : 항상성, 복원력
- 변화 : 나비효과, 창발

"생명이란 동적 평형 상태에 있는 흐름이다."
헤라클레이토스의 '만물은 유전한다(Everything Flows)
우리는 동적 평형이 갖는 유연한 적응력과 자연스러운 복원력에 감탄해야 한다

양은경 KIST 테라그노시스 연구단장 2012.3.6

지난주 국제학회에 다녀왔는데 다국적 제약회사인 ‘노바티스’에서 낸 연구결과가 상당히 흥미로웠습니다. 사이언스나 네이처 등 유명 학술지에 게재된 표적 단백질을 다시 실험해 봤더니 상당수가 효과가 없다는 결과였죠.” 표적 단백질은 특정 질병의 발현을 막는 단백질로 신약을 개발할 때 자주 이용된다. 노바티스가 유명 학술지에 실린 56개의 표적 단백질을 대상으로 재실험을 했더니 3분의 2 이상이 아무런 효과가 없는 것으로 나타났다는 것이다. 양 단장은 이에 대해 “생명현상이란 것이 워낙 복잡하기 때문에 기초연구에서는 표적 단백질로 나타날 수 있지만 실제로는 효과가 없을 수 있다”며 “기초연구를 할 때 집단 연구를 할 수 있게끔 해 주면 이런 실험 결과를 줄일 수 있을 것”이라고 설명했다.

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모래성은 생명이라는 존재의 본질을 정확하게 기술하는 비유가 된다. 생명이란 요소가 모여 생긴 구성물이 아니라 요소의 흐름이 유발하는 효과인 것이다.  우리는 자신의 표층, 즉 피부나 손톱이나 모발이 끊임없이 생성되면서 옛 것을 밀어내는 것을 본다. 그러나 이러한 현상이 표층에서만 일어나는 것은 아니다. 신체의 모든 부위, 장기나 조직에서뿐 아니라 언뜻 보기에는 고정적인 구조처럼 보이는 뼈나 치아에서조차 그 내부에서는 끊임없는 분해와 합성이 반복되고 있다.  수많은 원자는 생명체 내부로 흘러 들어왔다가 생명체 내부를 흐르며 빠른 속도로 빠져나가고 있는 것이다.  6개월 만에 만난 친구는 6개월 전에 보았던 그 친구와는 분자적 차원에선 완전히 다른 사람이다. 결국 생명은 끊임없이 분자의 생성과 소멸을 반복하는 동적 흐름 그 자체를 의미하며 그 동적 흐름의 평형 상태가 생명체의 의식적인 통제나 관리가 전혀 부재한 상황 속에서 기가 막힐 정도로 오묘하게 알아서 잘 유지되고 있다는건데..  생성과 소멸이 끊임없이 일어나는 역동적 흐름이 얼마나 정교하게 유지되길래 우리 인간은 이런 사실을 잘 인지조차 못하고 사는 것인가

1960년대 이후에는 생태계가 고정되어 있지도 않고 균형 잡혀 있지도 않으며 예측 가능하지 않다는 비평형설이 훨씬 더 많은 지지를 받게 되었다. 이러한 생태계의 비평형설의 관점은 자연보전에서도 ‘서식지의 보호’에서 ‘생태계의 관리’로 초점을 옮기게 되었다. 생태계는 산불, 태풍, 가뭄, 홍수, 병충해 등 끊임없는 교란을 받고 있다. 그런데, 어떤 생태계나 어떤 종은 교란이 없으면 존재할 수 없다는 점이 중요하다. 예를 들어 ‘프레리(prairie)’라고 불리는 미국의 초원에서 원식생을 복원하기 위해서는 원주민 인디언이 살던 시절에 들불이 자주 일어난 것처럼 인위적으로 들불을 놓아야 한다. 또한 로키산맥의 소나무 숲과 캘리포니아의 세쿼이아 숲, 호주의 유칼리나무 숲의 유지에는 산불의 발생이 필수적이다. 홍수가 잦던 곳에서는 홍수가 일어나지 않으면 생물다양성이 크게 감소하게 된다. 과거에는 보호지역에 철책을 치고 사람이 출입하지 않도록만 하면 생물다양성이 보전된다고 생각했으나 지금은 그렇지 않다. 보호지역의 내부뿐만 아니라 외부지역의 상황도 보호지역 내부의 생물종의 보전에 매우 중요하다. 따라서, 원래 우세하던 자연적인 교란과 지역주민들의 활동도 고려하는 종합적인 생태계관리로 생물다양성을 보전해야 한다.

우리의 몸은 매일 우리가 음식물을 먹음으로써 형태를 유지한다. 신체의 모든 조직과 세포는 먹은 음식물에서 온 것이다. 즉, 우리의 몸을 조사해보면 우리가 무엇을 먹었는지도 알 수 있다. 하지만 그 음식물에서 만들어진 분자는 가만히 있지 않는다. 몸을 이루고 있는 분자들은 모두 빠른 속도로 분해된다. 분해되어 사라진 그 분자의 자리에 새로 먹은 음식물이 새로운 분자가 되어 들어가는 것이다. 즉, 옛날 분자는 몸 밖으로 나가고 그 자리를 새로운 분자가 채우게 되는 것이다. 마치 사라진 퍼즐 조각의 자리를 새로운 조각이 와서 그림을 완성하는 것처럼. 한순간도 쉬지 않고 우리의 몸은 끊임없이 변화를 거듭하고 있다. 몸 전체에서 이 변화가 발생하고 있지만, 전체적인 그림으로 보자면 이는 매우 미미한 부분에 불과하기 때문에 우리의 몸이 변형되거나 하는 일은 없는 것이다.

왜 사람들은 나이가 먹어가면서 시간이 빨리 흐른다고 느낄까에 대한 것이다. 똑같이 1년이 흘러도 옛날에 비해 ‘지금’ 훨씬 더 그 1년이 빨리 흘렀다고 느낀다는 것. 이것은 단순히 우리가 바쁘게 열심히 살아서 그렇게 체감하는 것이 아니라, 실제로 나이가 먹으면 누구나 그렇게 느끼는 것이 당연하고 오히려 과학적이라고 이 책은 말한다. 저자는 그 이유를 자세히 설명하면서 ‘시간’의 개념을 독자에게 주지시켜, 뒤에 설명할 동적평형의 의미를 쉽게 이해할 수 있도록 한다. ‘동적인 평형’ 상태인 생명은 절대로 거스를 수 없는 시간의 축을 달려가고 있기 때문에 그 위대함이 빛을 발한다는 것을 차근히 설명한다.

생물과 무생물 사이

제1장 뉴욕 요크애비뉴 66번가
제2장 이름 없는 영웅
제3장 네 개의 알파벳
제4장 샤가프의 퍼즐
제5장 노벨상을 탄 서퍼
제6장 DNA의 그늘
제7장 기회는 준비된 자에게만 찾아온다
제8장 원자가 질서를 창출할 때
제9장 동적 평형이란 무엇인가
제10장 단백질의 가벼운 입맞춤
제11장 내부의 내부는 외부다
제12장 세포막의 다이너미즘
제13장 막(膜)에 형태를 제공하는 것
제14장 수/타이밍/녹아웃 마우스
제15장 시간이라는 이름의 돌이킬 수 없는 종이접기

그 아름답고도 경이로운 세계로의 초대!

“나는 췌장에 있는 한 유전자에 흥미가 있었다. 이 유전자는 분명 중요한 세포 과정에 관여하고 있을 것이었다. 그래서 나는 유전자 조작 기술을 활용하여 DNA에서 이 개체의 정보만 빼내어 이 부품이 결여된 실험쥐, 곧 녹아웃(knock-out) 마우스를 만들었다. 이 쥐에 어떤 변화가 일어나는지를 관찰하면 그 유전자의 역할이 밝혀질 것이었다. 오랜 시간과 많은 연구비를 들여 우리는 이 실험쥐의 수정란을 만들었고, 무사히 출산시켰다. 새끼 쥐는 앞으로 어떤 변화를 일으킬까? 우리는 마른침을 삼키며 계속 관찰했다. 새끼 쥐는 쑥쑥 자라 결국 어른 쥐가 되었다. 그러나 아무런 일도 일어나지 않았다. 모든 정밀 검사를 해보았으나 아무런 이상도, 변화도 찾아볼 수 없었다. 도대체 어찌된 일인가?”

“생명은 기계가 아니다!”

기계론적 생명관에 대한 이의제기

저자는 제2의 파브르를 꿈꾸던 어린 시절, 도마뱀 알에 조그만 구멍을 내고 안을 들여다본 적이 있다고 고백한다. 호기심에서 시작한 일이지만 곧바로 자신이 돌이킬 수 없는 짓을 했음을 깨닫는다. 그 기억은 저자의 마음속에 깊이 남아버리고 저자는 어느덧 생명을 연구하는 과학자가 되어 마이크로 차원의 분자 세계로 빠져든다.
1953년 DNA 구조가 해명된 이래, 20세기 생명과학은 생명을 ‘자기 복제를 하는 시스템’이라고 정의했다. 이 생명관으로 보면, 생명체란 마이크로 부품으로 이루어진 조립식 장난감(= 프라모델), 즉 분자 기계에 불과하다. 이렇게 20세기 생명과학은 데카르트가 생각했던 기계론적 생명관, 곧 이원론적 생명관에 주목했다. 이 관점에서 DNA 자체를 극소의 ‘외과 수술’만으로 자르고 붙여서 정보를 바꿀 수 있다고 여겼다.

저자는 췌장의 한 부품(GP2, 글리코프로틴)에 관심이 있었다. 이 부품은 존재하는 곳이나 양으로 보아 분명 중요한 세포 과정에 관여하고 있을 터였다. 저자는 유전자 조작 기술을 활용하여 DNA에서 이 개체의 정보만 제거해 이 부품이 결여된 ‘녹아웃(knock-out) 마우스’(연구를 목적으로 특정 유전자를 없애거나 불활성화시킨 쥐. 이를 통해 특정 유전자가 어떠한 작용을 하는지 개체 수준에서 조사할 수 있다)를 만들었다. 이를 통해 GP2의 역할을 밝힐 수 있을 것이라 기대했다. 그러나 쥐에게는 연구팀이 기대한 그 어떤 현상도 일어나지 않았다.
저자가 밝혀낸 것은 결국, “생명을 기계적으로 조작할 수는 없다”는 사실이었다.
저자는 바로 이 부분에 생명의 본질이 있음을 직감하고, 기계론적 생명관이 놓치고 있는 중요한 생명현상에 주목할 필요가 있음을 지적한다.
“우리는 한 개의 유전자를 잃은 마우스에게 아무 일도 일어나지 않았다는 사실에 낙담할 것이 아니라 아무 일도 일어나지 않았다는 사실에 놀라워해야 한다. 동적 평형이 갖는 유연한 적응력과 자연스러운 복원력에 감탄해야 한다.” 본문 p.235

“항상성을 유지하려는 생명의 활동은 아름답고 경이롭고 감동적이다.”
치밀하고 경이로운 생명, 그 아름답고 스릴 넘치는 ‘동적 평형’의 세계
DNA 구조 발견보다 10년 이상 앞선 시기에 유대인 과학자 쇤하이머는 ‘생명체인 우리 몸은 플라스틱으로 된 조립식 장난감처럼 정적인 부품으로 이루어진 분자 기계가 아니라 부품 자체의 다이내믹한 흐름 안에 존재한다’는 중요한 생명현상을 발견해냈다. 그러나 지금 그는 어떤 과학 교과서에도 등장하지 않는 ‘잊힌 영웅’이 되었다. 저자는 쇤하이머의 위대한 발견에 새롭게 주목해야 할 필요가 있다고 말한다. 여기에 우리 생명이 가지는 중요한 특성이 있기 때문이다.

생명은 유전자 녹아웃 기술로 부품 한 종류, 한 조각을 완전히 제거하더라도 어떤 방법으로든 그 결함이 채워져 보완 작용이 일어나고 전체가 조화를 이루며 기능 부전 현상은 일어나지 않는다. 생명에는 부품을 끼워 맞춰 만드는 조립식 장난감 같은 아날로지로는 설명할 수 없는 중요한 특성, 곧 다이너미즘이 존재하는 것이다. 우리가 이 세상에서 생물과 무생물을 식별할 수 있는 것은 이 다이너미즘을 느끼고 깨달을 수 있기 때문인 것이다.

“생명이란 동적 평형상에 있는 흐름이다. 생명을 구성하는 단백질은 만들어지는 순간부터 파괴되기 시작한다. 이는 생명이 그 질서를 유지하기 위한 유일한 방법이었다. 생명은 그 내부에 얽히고설킨 형태의 상보성에 의해 지탱되며 그 상보성으로 인해 끊임없는 흐름 속에서 동적인 평형 상태를 유지할 수 있는 것이다. 지그소 퍼즐 조각은 하나둘씩 버려진다. 퍼즐 구석구석에서 이런 현상이 발생하지만 퍼즐 전체적으로 보면 이는 극히 사사로운 일부에 지나지 않는다. 그렇기 때문에 전체적인 그림이 크게 변하는 일은 없는 것이다. 그리고 또한 새로운 조각도 잇달아 생성된다. 중요한 것은 새로 만들어진 조각은 자신의 모양이 규정하는 상보성에 의해 자기가 들어가야 할 위치가 이미 결정되어 있다는 것이다.” 본문 p.154

여기에 저자는 ‘시간’ 개념을 더해 자신만의 생명관을 풀어낸다. 곧, 생명은 매 순간 위태로울 정도로 균형을 맞추면서 시간축을 일방통행하는 존재라는 것. 이것이 ‘동적 평형’의 위업이며, 이는 절대로 역주행이 불가능하고 동시에 어느 순간이든 이미 완성된 시스템이라는 것이다. 따라서 생명은 기계와 달리 코드 하나를 뽑는다고 해서 망가지지는 않는 놀라운 유연성을 발휘하지만, 동시에 인위적인 어떤 작은 조작과 개입에도 쉽게 전체의 균형이 깨질 수 있는 존재라는 것이다. 저자가 도달한 답은 다름 아닌 ‘동양론적 생명관’과도 맞닿아 있다.

이 모든 탐구의 끝에, 저자는 결국 이렇게 고백한다.

“자연의 흐름 앞에 무릎 꿇는 것 외에, 그리고 생명을 있는 그대로 기술하는 것 외에 우리가 할 수 있는 일은 아무것도 없다.”

출판사 서평 펼쳐보기출판사 서평 닫기책속으로"사실 고등동물의 경우는 그들이 질서 정연한 것들을 먹이로 삼고 있다는 것을 우리는 잘 알고 있습니다. 즉 많든 적든 복잡한 유기화합물의 형태를 띠고 있는 아주 질서 정연한 상태의 물질이 고등동물의 먹이로 유용하게 사용되고 있는 것입니다. 그것이 동물 먹이로 이용되면 한참 더 질서가 무너진 형태로 변합니다."

수뢰딩거는 이 부분에서 오류를 범했다. 이 생각은 너무 순진했던 것이다. 사실 생명은 부의 엔트로피를 위해 음식물에 함유된 유기 고분자의 질서를 섭취하고 있는 것이 아니다. 생물은 소화 과정에서 단백질이든 탄수화물이든 유기 고분자에 함유되어 있을 질서를 잘게 분해하여 거기에 함유된 정보를 아낌없이 버린 후에야 흡수한다. 왜냐하면 그 질서란 것은 다른 생물의 정보에 들어있던 것이며 자기 자신에게는 노이즈가 될 우려가 있기 때문이다.

하지만 슈뢰딩거의 성찰 중에 섭취가 엔트로피의 증대를 거스르는 힘을 창출한다는 부분은, 그의 인식 수준에도 불구하고 아주 정확한 지적이었다. 그 의미와 구조를 명확히 하기 위해서는 그와 동시대의, 그러나 이 세상에는 존재하지 않았던 또 한 명의 고독한 천재, 루돌프 쇤하이머에 대해 말하지 않을 수 없다. (132쪽, '제8장 원자가 질서를 창출할 때' 중에서)

바이러스를 단순한 물질과는 분명히 구분 짓는 유일한, 그리고 가장 큰 특성이 있으니 바로 스스로를 증식한다는 것이다. 바이러스는 자기 복제 능력을 갖고 있다. 34
바이러스는 생물과 무생물 사이에서 방황하는 그 무엇이다.
바이러스를 생명의 범주에 넣어야 하느냐 무생물의 범주에 넣어야 하느냐 하는 문제는 오랫동안 논란의 대상이었다.
짧게 결론을 말하자면 나는 바이러스를 생물이라 정의하지 않는다. 즉 "생명이란 자기 복제를 하는 시스템이다."라는 정의로는 불충분하다고 생각한다는 것이다. 35
생명이란 요소가 모여 생긴 구성물이 아니라 요소의 흐름이 유발하는 효과인 것이다. 135
생명이란 동적 평형 상태에 있는 흐름이다.

내부의 내부는 외부다
자기 복제를 하는 존재로 정의된 생명은, 쇤하이머의 발견에 다시 한 번 빛을 비춤으로써 다음과 같이 재정의 될 수 있다.
"생명이란 동적 평형 상태에 있는 흐름이다."
끊임없이 파괴되는 질서는 어떻게 그 질서를 유지하는 것일까? 그것은 곧 흐름이 계속되면서도 어떻게 하여 그러한 일종의 균형 잡힌 시스템을 확보하는가, 즉 어떻게 평형 상태를 취할 수 있는가를 묻는 질문이다. (146쪽)

동적인 평형상태는 가능한 한 그 결함을 메우기 위해 자신의 평형점을 이동시켜 조절하려한다. 그런 완충 능력이 동적 평형이라는 시스템의 본질이기 때문이다. 평형은 자신의 요소에 결함이 생기면 그것을 메우는 방향으로 이동하고, 과잉상태가 되면 그것을 흡수하는 방향으로 이동한다. (228쪽)

우리는 한 개의 유전자를 잃은 마우스에게 아무일도 일어나지 않았다는 사실에 낙담할 것이 아니라 아무 일도 일어나지 않았다는 사실에 놀라워해야 한다. 동적 평형이 갖는 유연한 적응력과 자연스러운 복원력에 감탄해야 한다. 결국 우리가 밝혀낼 수 있었던 것은 생명을 기계적으로 조작할 수는 없다는 사실이었다. (235쪽)

생명이라는 이름이 동적인 평형은 그 스스로 매 순간순간 위태로울 정도로 균형을 맞추면서 시간 축을 일방통행하고 있다. 이것이 동적인 평형의 위업이다. 이는 절대로 역주행이 불가능하며, 동시에 어느 순간이든 이미 완성된 시스템이다.