이를 개선하려면, 개별 학문들이 상호작용할 수 있는 환경을 제공하는 보다 폭넓은 기반의 일반과학 혹은 과학적 운영체계가 필요하다. 현대의 우려들은, 인간이 대기의 구성과 토지 표면 및 생물상을 변화시킨 결과에서 비롯되었다. 이런 현대적 우려들은, 의학이 발달하던 초기 시절에 인체에 대해 가졌던 비슷한 우려들을 여러 면에서 반영한다.
19세기 말, 생화학과 미생물학은 이미 크게 발전했으나, 서로 단절되어 있었고 질병을 다루는 데 별 도움이 되지 않았다. 그러나 의학의 비약적인 발전은 생리학이라는 일반과학의 존재 덕분에 가능했다. 생리학은 학문 간 경계를 넘는(transdisciplinary) 학문이었고, 살아있는 유기체의 본질적인 창발적 특성(emergent properties) 을 인식했다. 예를 들어, 인체의 중심 체온이 섭씨 37도로 유지되는 원인을 알고자 할 때, 생화학적 접근만으로는 문제를 풀 수 없다. 체온 조절은 시스템 제어 문제이기 때문이다. 그러나 생리학에서 출발하면, 산화 대사와 같은 생화학적 측면이 자연스럽게 그 체계 안에 맞춰 들어간다.
이 글의 주된 목적은, 이러한 유추를 토대로 지구생리학(geophysiology) 이라는, 행성 규모 문제를 다루는 학문 간 환경을 제시하는 것이다. 특히 다양한 분야가 얽혀 있는 문제에 적용하기 위해서다. 창발적 특성이 존재한다고 가정(증명되지 않았더라도)할 때, 지구를 살아있는 유기체로 간주하는 것은 실용적인 목적에서 유용할 수 있다.
19세기 이전의 과학자들은 살아있는 지구라는 개념에 비교적 익숙했다. 그중 한 명인 제임스 허튼(James Hutton, 흔히 ‘지질학의 아버지’라 불림)은 그의 저서 『지구 이론(Theory of the Earth)』(1788)에서 지구를 초유기체(superorganism) 에 비유하며, 이를 연구하기 위한 과학으로 생리학을 권장했다.
그러나 허튼의 건전한 지구관은 지난 세기 초에 폐기되었다. 이는 지구와 생명 과학 모두에서 ‘기원’과 ‘진화 이론’에 대한 관심이 높아진 결과였을 것이다. 생물학자들에게는 다윈의 자연선택에 의한 종 진화라는 위대한 비전이 있었고, 지질학자들에게는 지구 물질 환경의 진화가 단순히 물리적·화학적 결정에 의해 이루어진다는 완전히 독립적인 이론이 있었다.
이로 인해 19세기에 지구 과학과 생명 과학의 분리는 불가피했다. 탐험과 개발이 진행되면서 지구에 관한 정보가 급격히 늘어났지만, 생물체를 연구하는 기법과 해양·대기·암석을 연구하는 기법은 매우 달랐다. 아마도 당시 과학은 흥분에 가득 찬 시기였을 것이다. 허튼의 ‘초유기체’ 개념을 지키거나 더 넓은 관점을 유지하려는 사람은 거의 없었다. 놀라운 것은 과학이 분리되었다는 사실이 아니라, 서로 매우 다른 두 가지 진화 이론이 오늘날까지 공존해왔다는 점이다.
이 분리가 지속된 이유는, 지구 과학자와 생물 과학자가 ‘적응(adaptation)’이라는 마취제 같은 개념을 서로 받아들였기 때문이라고 생각한다. 그러나 적응이라는 개념은 의심스럽다. 현실 세계에서, 유기체가 적응하는 환경은 단순히 물리·화학적 힘에 의해서만 결정되는 것이 아니라, 이웃 생물들의 활동에 의해 결정된다.
이런 세계에서는 환경을 변화시키는 것이 ‘게임의 일부’일 수 있으며, 환경을 바꿈으로써 더 많은 자손을 남길 수 있다면, 유기체들이 물질 환경을 바꾸지 않을 이유가 없다. 다윈의 시대에는, 우리가 오늘날 알고 있는 것 — 우리가 숨 쉬는 공기, 바다, 암석이 모두 생물의 직접적인 산물 혹은 그들의 존재로 크게 변형되었다는 사실 — 을 알 수 없었다. 생물은 단지 ‘죽어 있는’ 물리·화학적으로만 결정된 세계에 ‘적응’하는 것이 아니다. 그들은 조상들의 숨결과 뼈로 이루어진 세계 속에서 살고 있으며, 지금도 그것을 유지하고 있다.
가이아(Gaia) 이론은 빅토리아 시대 생물학과 지질학의 ‘분리’를 비판하는 데서 출발하지만, 훨씬 더 나아간다. 가이아 이론은 대기·해양·지표 암석으로 구성된 물질 환경과 생물권(biota)이 긴밀히 결합된 시스템의 진화를 다룬다. 기후와 화학 조성 같은 중요한 성질의 자가 조절(self-regulation) 은 이러한 진화 과정의 결과로 본다. 살아있는 유기체나 많은 폐쇄 루프 자기 조절 시스템처럼, 전체는 부분의 합을 뛰어넘는 창발적 특성을 나타낼 것으로 예상된다. 이런 시스템은 발명가들이 잘 아는 것처럼, 단순한 인과 관계의 논리로는 설명하기 매우 어렵다.
공학자와 생리학자들은 오래전부터 피드백의 미묘함을 알고 있었다. 항상성(homeostasis)은 피드백이 적절한 세기(amplitude)와 위상(phase)으로, 그리고 시스템의 시간 상수(time constant)가 적절할 때만 가능하다. 긍정적·부정적 피드백 모두, 적용 시점에 따라 안정이나 불안정을 초래할 수 있다. 이론 생태학 모델이 수학적으로 난해한 것은 엔지니어에게 전혀 놀라운 일이 아니다. 그들은 이를 ‘열린 루프 시스템(open loop system)’에서 피드백이 임의로 적용된 경우로 볼 것이다.
반면, 데이지월드(Daisyworld) 같은 지구생리학 모델은 부정적·긍정적 피드백을 일관되게 포함하며, 그 결과 견고하고 안정적이다. 이런 모델은 수많은 비선형 방정식을 포함해도 안정적인 어트랙터(attractor) 를 유지한다.
나는, 어떤 지구의 특정 성질의 조절이 전부 혹은 상당 부분 결정론적 물리·화학으로 설명될 수 있다는 주장에 반대하지 않는다. 살아있는 시스템은 화학을 경제적으로 사용하며, 물리·화학을 ‘더 잘 하려고’ 애쓸 이유가 없다. 가이아의 목적은 지구를 바라보는 새로운 방식을 제안하고, 실험적으로 검증할 수 있는 예측을 만드는 것이다.
가이아의 작동 원리를 고민하면서 생긴 호기심이 없었다면, 디메틸 설파이드, 이황화탄소, 메틸 요오드화물, 메틸 클로라이드와 같은 중요한 미량 기체들이 발견될 시점에 찾아지고 발견되지 못했을 것이다. 결론적으로, 가이아 이론은 우리에게 세 가지를 생각하게 한다.
1. 생명은 행성 규모의 현상이다. 행성 위에 생명이 드물게 존재하는 상태는 있을 수 없다. 그것은 마치 동물의 절반만 존재하는 것처럼 불안정하다. 생명체는 그 행성을 조절해야 하며, 그렇지 않으면 물리·화학 진화의 피할 수 없는 힘이 그 행성을 거주 불가능하게 만들 것이다.
2. 가이아 이론은 다윈의 비전을 확장한다. 종의 진화를 환경의 진화와 분리해서 생각할 필요가 없다. 두 과정은 단일하고 불가분한 하나의 과정으로 긴밀하게 연결되어 있다. 가장 많은 자손을 남기는 종이 성공한다고 말하는 것만으로는 부족하다. 성공은 유기체의 진화와 물질 환경의 진화가 일관성 있게 연결되는 것에도 달려 있다.
3. 가이아 이론이 지구물리학에 주는 선물은 알프레드 로트카(Alfred Lotka, 『물리생물학의 요소』1925)의 통찰을 실천에 옮기는 것이다. 즉, 복잡한 역학의 혼돈이 부과하는 한계에 압도되지 않고, 자연의 비선형성을 기꺼이 받아들이는 수학적 지구관을 제시하는 것이다.
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