생명의 탄생에서 현대의 기술혁명에 이르기까지
카오스와 코스모스의 무질서 속에서
물리학 너머의 세계를 탐구하다

★★★〈네이처〉,〈사이언티픽 아메리칸〉추천 도서
★★★ 복잡계의 대가 스튜어트 카우프만의 대표작
★★★ 과학전문기자 강양구 강력 추천

아이작 뉴턴이 인류에게 준 선물인 고전 물리학은 수동적인 목소리로 서술된 세계이다. 바위가 떨어지고, 행성들이 궤도를 돌며, 별들은 자신의 질량에 의해 뒤틀린 공간 속을 떠돈다. 이 세계에서는 행위doing는 없고, 사건happening만 있을 뿐이다. 수없이 많은 일이 일어나고 기적 같은 일도 벌어지지만, 모두 맹목적일 뿐이다. 《무질서가 만든 질서》는 이 문제를 직접 공격한다. 우주의 보편적 맥락에서 생명을 설명하는 환원주의에 반박하며, 세계를 각 세포가 스스로 상호작용하여 얽힌 그물로 해석한다. 이 책은 창발주의 선구자이자 복잡계 과학의 대가로 불리는 스튜어트 카우프만의 최신작으로, 우리를 단숨에 과거로 데려가 생명이 탄생한 자리로 안내한다. 그는 복잡계 과학이 어떻게 다윈의 진화론을 성장시켰는지 그리고 생명이 외부압력 없이 스스로 계system를 형성하여 어떻게 생물계의 엔진을 작동시켰는지 설명한다. 그는 생물의 생명을 분자, 원자와 같은 입자로 설명할 수 있을지라도, 거기에 내재된 속성은 물리학으로 환원될 수 없다고 힘주어 말한다.
그동안 과학 분야에서 답하지 못했던 생명의 기원에 관한 궁금증을 해소해 주는 이 책은 다양한 학문이 교차되는 접점에 있다. 물리학과 화학, 생물학, 수학 그리고 철학 등 여러 학문을 토대로 심오한 생각의 경계를 자유롭게 넘나드는 카우프만의 글은 혁신적이고 새로운 시각을 제공한다. 탁월하고, 종합적인 세계관을 담은 이 책은 21세기 과학계에 매우 고무적이다.


생명은 에너지, 물질, 시간과 공간을 넘어
자발적으로 존재를 증명한다

그동안 생명의 기원과 진화에 관한 다양한 연구와 이론이 발표되었다. 물론 이는 인류 및 과학 발전사에 지대한 영향을 주었고, 그 공헌 또한 인정되어야 하지만, 우리는 여전히 생명은 어디서, 어떻게 시작되었는가 하는 질문에 선뜻 답하지 못한다. 생명계를 구성하는 요소들을 분석할 수 있을지는 몰라도, 그 체계의 속성과 작동방식에 관해서는 정확히 알지 못하기 때문이다.
이것은 과학계의 흔한 시도인 물리학이나 화학으로 환원될 수 없다. 그 이유는 생명 현상이란 개별 구성 요소들의 단순한 합이 아니라 창발적인 속성, 즉 세포 각각이 자기조직화를 하고 있기 때문이다. 이 시스템적인 성격은 생명공학 분야의 특징이기도 하다. 스튜어트 카우프만은 진화생물학, 유전학, 생태학과 같은 생물학의 다양한 분야를 바탕으로 어떻게 생물학이 물리학과 다른 방식으로 생명 현상을 설명하는지 보여 준다.
총 열두 장으로 구성된 이 책은 환원주의 관점에서 우주와 세계를 분석하는 시각을 정연한 논리로 반박하며, 복잡계 과학이라는 패러다임으로 생명의 탄생에서부터 다세포 생물의 출현, 캄브리아기의 대폭발 그리고 거대한 문명의 출현과 쇠퇴에 이르는 크고 작은 무질서 속의 질서에 관해 이야기한다. 그는 이것을 구체적으로 설명하기 위해 자기조직화와 창발성의 개념을 도입하여, 자연에서 자발적으로 생겨나는 질서의 사례들을 속속들이 소개한다.


“생명의 기원과 진화에 대한 스튜어트 카우프만의
도발적 해석은 기존의 물리학에 활력을 불어넣었다”_〈 네이처〉

이 책에서 가장 핵심적인 논의는, 카우프만이 정성 들여 설명한 화학 진화에 관한 이야기이다. 생명 현상에는 RNA, 지질, 단백질과 같은 생명의 구성단위가 서로의 생성을 촉진하여 순환 고리를 이루는 재생산 메커니즘이 저절로 생긴다는 것이다. 이 논의를 바탕으로, 카우프만은 수많은 과학자가 토로하는 세계의 무의미성을 반박한다. 과학을 깊이 연구하면 할수록 세계가 철저히 무의미하게 느껴진다고 말하는 각 분야 과학자들과 다르게, 카우프만은 생명과 우주는 늘 새로운 가능성에 열려 있으며, 따라서 의미로 가득하다고 말한다. 그는 생명이란 움직이는 입자만큼이나 실제적인 존재로, 이에 따라 행위 주체성과 가치, 행동이 등장했다고 주장한다. 저자가 책 구석구석에서 힘주어 말하는 ‘실제적’이라는 단어에 방점이 찍히는 이유다.
인류를 설명하는 가장 포괄적인 원리, 즉 생명의 기원과 진화에 관해 다루는 이 책은 스튜어트 카우프만이 일생을 바쳐 연구한 결과물을 모두 담고 있다. 복잡계 연구의 세계적 중심지인 미국 산타페 연구소의 명예교수이기도 한 그는 해당 분야에서 일어나고 있는 혁명의 일부로, 생명의 기원에 관해 권위 있는 책을 쓸 수 있는 적임자로 손꼽힌다. 21세기 생명과학의 정수라 부를 수 있는 이 책을 통해 우리는 무질서한 자연계에 숨어 있는 생명의 패턴을 이해할 수 있을 것이다.


<추천사>
스튜어트 카우프만은 슈뢰딩거의 《생명이란 무엇인가》 이후 70년 만에 가장 명징하고 창의적인 해석을 내놓았다. 그는 생명이란 물리학으로 설명할 수 없다고 말한다. 모든 것을 물리학으로 설명하려는 망상이 사라진 자리에 창발성과 다양성이 넘치는 생명의 생기가 자리 잡았다는 사실은 우리에게 벅찬 감동을 준다._강양구, 《과학의 품격》의 저자

이 책은 저자가 물리학과 생물학의 상호작용에 일생을 바친 연구의 절정으로, 21세기 생명과학의 정수가 고스란히 담겨 있다. 단연코 다음 세대의 과학자들에게 무한한 영감을 줄 것이다._폴 데이비스Paul Davies, 《침묵하는 우주》의 저자

현대 과학자 중 저자만큼 야심 차게 생명의 기원에 관해 다룬 과학자는 없었다. 오랫동안 사람들을 사로잡았던 수수께끼, 생명의 신비에 대한 답이 궁금하다면, 이 책으로 시작하라._<사이언티픽 아메리칸Scientific American>



<책속에서>
본문 중에서

우리는 세계를 유도할 수 있는, 세계가 궁극적으로 어떻게 되어갈지 알아낼 수 있는 토대를 물리학(특수상대성이론, 일반상대성이론, 양자역학, 표준모형과 양자장론)에서 찾을 수 있다고 생각한다. 그러나 우리는 그렇게 할 수 없다. 우주의 최종적인 산물은 이 토대 위에 있겠지만, 토대에서 유도해 낼 수는 없다. 이 알 수 없는 전개는 토대라는 선착장에서 미끄러져 제멋대로 떠다닌다. 고대 그리스의 철학자 헤라클레이토스Heracleitos가 말했듯이, 세계는 부글거리며 나아간다WorldBubbles Forth._프롤로그 세계는 부글거리며 나아간다 | p. 14

생물권은 문자 그대로 자기 자신을 만들고, 그렇게 함으로써 다양성을 넓혀간다. 그럼 다시, 어떻게, 왜 그렇게 되는가? 놀랍게도, 그 해답은 ‘살아있는 세계는 더 다양하고 복잡해질 수 있으며 그 과정에서 스스로 그렇게 될 가능성을 만들어 낸다는 것’에서 찾을 수 있다. 이렇게 되려면, 열역학 제2법칙으로 질서가 무너지는 속도보다 더 빠르게 질서를 만들기 위해 에너지 방출을 이용해야 한다. 앞으로 함께 살펴볼 것처럼, 몬테빌과 모시오의 제약 회로와 열역학적 일 순환의 아름다운 이론은 우리의 새로운 이야기를 잘 뒷받침해 줄 것이다._2장 세계는 기계가 아니다 | p. 29

세계에는 속이 빈 지질 소낭 속의 리포솜처럼 ‘개체’를 감싸는 막이 있다. 이것은 유전성 변이와 선택이 일어날 수 있는 원생세포를 낳는다. 이 모든 것에 의해, 계는 조직화를 전파하고 다양한 생물권을 이룬다. 이러한 계는 세 가지 회로 덕분에 말 그대로 자신을 재생산할 수 있다. 이들이 진화하면서 만들어내는 생물권을 예측할 방법은 없으며, 이것을 지배하는 그 어떤 법칙도 없다. 따라서 생명은 완전히 자연적이며 신비주의와 무관한 생기론vitalism에 의해 펼쳐진다. 헤라클레이토스가 말했듯이, 생명의 세계는 진정으로 부글거리며 나아간다._3장 전파되는 조직화 | p. 71

다메르와 디머는 이런 방식으로 원시세포의 이론을 구성했다. 이러한 원시세포들은 여러 가지 펩티드나 RNA 배열 또는 둘 다를 풍부하게 함유한 수프를 갖추고 있다. 건습 순환 중 습한 기간에, 그동안 말라 있던 다층막이 물로 인해 불어나면서 수조 개의 리포솜이 만들어진다. 이 중 일부가 앞에서 언급한 무작위의 폴리머들을 함유하고 있어서, 원시세포를 형성한다. 습한 기간에 분자들이 쪼개져 펩티드나 RNA의 무작위적 뒤섞임과 재합성이 일어나지만, 이번에는 다층다메르와 디머는 이런 방식으로 원시세포의 이론을 구성했다._6장 원시세포 | p. 145

우주에서 ‘기회를 잡는’ 그 무엇이 되려면 어떠해야 하는가? 무언가를 잡을 기회가 되고, 그러한 기회를 잡을 수 있는 누군가가 되려면 어떠해야 하는가? 이 문제의 핵심은 되풀이할 가치가 있다. ‘혜택을 누리는 자’가 없다면 기회는 없다. 혜택을 누리는 누군가가 있어야 맥락은 기회가 된다._9장 놀랍고도 진실한 이야기 | p. 177

여기에서는 생명이 물리학에 뿌리를 두고 있지만, 그 너머에 예측 불가능한 수많은 방법으로 살아가는 방식을 만들어낸다는 것을 증명하고자 한다. 이것이 바로 이 책을 쓴 목적이기도 하다. 세 회로(제약, 일, 촉매) 덕분에 생명 시스템은 문자 그대로 자기 자신을 구축하고, 원자 수준 위의 비에르고드적 우주에서 끝없이 개방적인 복잡성을 향해 자신을 구축해 간다. 어떤 법칙도 이 기적을 기술하거나 연역할 수 없다._12장 물리학 너머의 세계 | p. 217

옮긴이 서문
프롤로그

1장 세계는 기계가 아니다
원자 수준 위의 비에르고드적 우주｜열역학 제2법칙을 넘어서｜인간의 심장은 왜 존재하는가?｜생명체란 무엇인가?｜기계로서의 세계

2장 기능의 기능

3장 전파되는 조직화
일｜경계조건, 일 그리고 엔트로피｜제약 일 순환비전달적인 일과 전달적인 일｜제약 회로, 그 이상｜두 회로｜자기재생산의 가능성｜물리학의 일반성과 생물학의 특정성 과정의 조직화 전파

4장 생명의 비약
RNA 세계｜지질 세계｜랜덤 그래프의 연결성｜컴퓨터에서 실험실로｜생명의 세 가지 회로｜분자 다양성의 후손｜생기력
5장 대사를 만드는 방법
CHNOPS｜반응 그래프에 대한 가설｜실험실 안으로｜집단적 자가촉매 집합에 대사를 연결하기

6장 원시세포
다메르-디머 시나리오｜원시세포를 향하여｜엔트로피에 맞서 질서를 만들고 유지하기

7장 유전성 변이

8장 우리가 하는 게임
세계에 대한 감지, 평가, 대응｜움직임｜물질에서 중요성으로｜도구적 당위｜복잡하고 정교한 게임

9장 놀랍고도 진실한 이야기
패트릭의 이야기｜루퍼트의 이야기｜슬라이의 이야기｜거스의 이야기

10장 무대는 준비되었다
생물권의 다양성이 폭발하다｜우리는 수학화할 수 없다｜맥락에 따른 정보

11장 선택적 진화와 스크루드라이버
전적응과 선택적 진화｜스크루드라이버의 다양한 용도

12장 물리학 너머의 세계
엔트로피와 진화｜생물학은 물리학으로 환원될 수 없다｜어떤 법칙도 생물권의 창발을 함의하지 않는다

에필로그
참고문헌