| [ PhilosophyThought ] in KIDS 글 쓴 이(By): chopin (**쇼팽**) 날 짜 (Date): 1999년 3월 19일 금요일 오후 08시 50분 02초 제 목(Title): [계층구조론]동식물의 성장원리 생물학과의 대학교재인 Genetics책을 들여다 보면 DNA발견 하나가 얼마나 많은 생물에 대한 이해와 지식을 한꺼번에 가져다 주었는지 알 수 있습니다. 그 책의 두께도 천페이지가 넘어갈 정도이니 한손에 들기도 힘들 정도의 분량의 지식을 DNA발견으로 순식간에 얻어낸 셈입니다. 하지만 아직도 생물학자들이 제대로 탐구해 나가고 있지 못한 분야가 이 DNA가 발생하여 분화하고 성정하는 과정에 어떻게 관여하는가 하는 부분입니다. 우리의 몸속에는 수 조개가 넘는 세포들이 각기 다른 모양으로 손, 발, 심장, 폐, 뇌 등을 구성하고 있음에도 불구하고 모든 세포안에 들어있는 DNA정보는 완벽히 동일합니다. 어떤 원리로 뇌를 구성하는 세포는 뉴런이라는 복잡한 구성을 갖는 구조로 발달하고, 손을 구성하는 세포들이 똑같은 DNA정보로 어떻게 손의 모양을 구성하고, 눈코입, 얼굴을 구성하는 세포들이 어떻게 같은 DNA정보를 이용해서 다른 모양을 척척 만들어 낼 수 있을 까요? Genetics책에는 단지 발생과 분화과정도 인간이 언젠가 완전히 정복할 수 있는 영역임에 틀림없다고 믿는다는 초라한 한 줄의 문장이 써 있을 뿐입니다. 이 발생과 분화과정에 대한 신비는 과거에 그 원리를 몰랐던 저 역시 완벽한 신비의 베일에 쌓인 세계라고 생각해왔습니다. 하지만 이제는 더이상 발생과 분화의 세계는 신비의 세계에 있지 않습니다. 극히 최근에 식물에 대한 거의 완벽한 발생원리가 밝혀 졌습니다. 그 원리는 생물학과는 전혀 무관한 수학연구를 하는 수학자가 다른 목적으로 만들어낸 생성문법규칙에 기초한 것입니다. 물론 아직도 대부분의 생물학자들은 이 원리가 분화와 성장에 대한 논리적인 완벽한 설명을 해준다는 사실을 모르고 있습니다. 수학자였던 린덴마이어는 자신이 만든 생성문법규칙을 이용해서 만들어지는 생성 결과가 어떤 모양인지 시각적으로 검토하기 위해서 컴퓨터를 사용했습니다. 당시 컴퓨터는 천공카드를 일일이 손으로 쳐서 프로그램과 데이타를 넣어야 했고 그 프로그램실행 결과를 받으려면 하루종일 기다려야 프린트 용지에 나온 결과를 받아 볼 수 있는 시대였습니다. 그 컴퓨터가 만들어낸 결과에는 실제와 똑같은 갖가지 양치식물의 그림들이 그려져 있었습니다. 린덴마이어와 그 동료들은 자신이 만든 생성문법규칙이 완벽한 식물의 모양들을 자유자재로 만들어낸 다는 사실을 발견하고 놀랐습니다. 하지만 이 생성문법 규칙은 인공생명 분야의 최초의 학회가 열리기 전까지 세상에 널리 알려지지 않았습니다. 린덴마이어가 만들어낸 생성문법 규칙은 context-sensitive와 유사한 문법규칙으로 문법규칙을 재귀적으로 적용시켜 변형시켜가면서 생성을 해가는 순환구조를 가지고 있습니다. 이 문법규칙은 프랙탈을 생성하는 문법 규칙으로, 식물의 생성원리는 완전한 프랙탈에 의해 생성된다는 것을 보여주고 있습니다. (린덴마이어 문법에 대한 자료를 얻으시려면 "L-system"이라는 키워드로 인터넷등을 검색하시거나, 제 홈페이지의 링크에서 위 단어를 찾아보시면 됩니다. http://csone.kaist.ac.kr/~chopin/bookmark.htm) 높이가 10미터가 넘는 식물의 겉모양을 보면 그 모습을 사진이나 기타 여러가지 측정장비로 모조리 정보화하여 데이타로 변환하면 엄청난 양의 데이타에 해당하는 양입니다. 하지만 분명 모든 식물은 손톱하나보다 작은 씨앗에서 출발하여 생성된다는 것을 누구나 다 알고 있습니다. 그 식물의 씨앗은 만델브로트의 방정식 에 해당하는 생성규칙을 가지고 있는 프랙탈방정식을 가지고 있는 것입니다. 린덴마이어의 생성문법은 린덴마이어가 세상을 떠나기 까지 식물의 고정된 모양만을 만들 수 있었기 때문에 그 문법규칙이 다세포 생물을 발현시키고 성장시키는 논리적인 원리라고 믿어지지 않고 우연히 그 모양만 같은 것이 아닌가 하는 의문이 여전히 남아 있았습니다. 최근 인공생명분야가 탄생하면서 린덴마이어의 생성문법규칙을 이용하여 고정된 식물의 모양 뿐 아니라 씨앗에서 부터 새싹이 돋고 줄기가 자라 가지를 치고 잎파리를 내어 꽃을 피우고 열매를 맺는 모든 완벽한 식물의 성장과정을 린덴마이어의 문법으로 만들어 내는 데 성공 했습니다. 이제 컴퓨터상에 인공 정원을 만들고 그 정원에 적절한 물과 영양분을 공급하면 그 정원에 뿌려진 씨앗으로 부터 영양분을 흡수하여 식물이 자라나는 모습을 생생히 관찰할 수 있습니다. 그 전자정원에서는 그 식물이 자라나서 꽃을 피우고 열매를 맺는 과정까지 완벽한 논리적인 식물의 일생이 그대로 축소되어 압축되어 있습니다. 약간의 정교한 컴퓨터그래픽을 이용하면 그 정원과 실제 자연계의 식물 정원과의 차이를 구분할 수 없을 정도입니다. 튜링테스트를 식물에 적용한다면 우리는 이미 튜링테스트를 통과할 식물을 만들어 낸 것입니다. 이제는 튜링테스트를 통과할 동물을 만드는 것만 남았습니다. 프랙탈을 실제로 살아있는 세포에서 만들어 내기 위해서는 생성 규칙을 가지고 있는 것과 생성규칙이 만들어 내는 중간 결과들을 저장할 임시 저장소가 세포내 어딘가에 필요합니다. 이 부분을 정확히 밝혀 내는 것이 이제 생물학자들이 발견해야할 남은 일입니다. 단세포생물과 다세포생물은 이미 세포레벨에서 구조적인 차이를 보입니다. 다세포 생물은 "세포핵"을 가지고 있습니다. 단세포생물에서는 세포핵이 없이 DNA가 세포내에 말려있습니다. 다세포생물이 세포핵을 가지고 있는 것은 프랙탈을 이용하여 발생을 하는데 필연적인 이유가 있습니다. 세포핵 내에는 DNA가 풀려있고 세포내의 대사활동을 하는 동안 RNA가 전사되어 세포핵 밖으로 빠져나와 단백질과 아미노산 생성을 하는데 사용됩니다. DNA에는 프랙탈의 생성규칙이 써있습니다. 여기서 중요한 또한가지 사실은 세포핵 내에 프랙탈의 생성단계의 중간결과를 저장할 지역변수(local variable), 임시저장소가 존재한다는 것입니다. "오페론"이라는 단백질은 DNA내의 지정된 위치에 달라 붙어 발현을 막아내는 기능을 하는 역할을 합니다. 이 오페론이 결합된 위치들은 세포의 분화과정마다 또, 세포마다 모두 다릅니다. 이 오페론과 같이 DNA와 결합되어 각 세포분열 때 마다 세포에 각기 다른 DNA부분이 발현되도록 작용하는 것이 바로 이러한 프랙탈의 지역변수에 해당할 것이라는 것이 저의 생각입니다. 과연 세포핵 내에 어떤 물질과 어떤 메카니즘이 프랙탈의 중간 생성 결과를 저장 하는 가는 아직 제가 추측한 오페론과 같은 물질을 제외하고는 미지의 세계에 숨어 있습니다. 이 부분을 완벽히 밝혀내는 것이 생물학자들이 앞으로 분화과정의 비밀을 풀기 위해 해야될 남은 일입니다. 동식물성장의 원리는 인류는 유사이래 가장 많이 그리고 가장 오랫동안 지켜 보았고 거의 모든 식물성장의 모습에 대한 데이타를 관찰하고 가지고 있습니다. 하지만 그 관찰결과가 식물성장에 대한 근본적인 원리를 제공 해주지 못했던 것은 우리가 만델브로트의 그림으로 부터 만델브로트의 방정식을 유추해 내지 못했던 것과 같은 이유입니다. 또한 사람의 행동관찰로 부터 그 안의 사고의 완벽한 원리를 알아내지 못하는 것과 같은 이유입니다. 식물의 성장은 프랙탈이라는 비선형 재귀논리를 사용하기 때문에 그 안의 원리를 모르고 단순히 상위계층의 생성데이터 만을 관찰해서는 하위계층으로 도달하지 못하는 것입니다. 이러한 동식물의 생성원리는 실로 우연한 기회를 통해서 알아 낸 것입니다. 그 하부계층의 세포레벨과 DNA레벨의 관찰없이 이러한 큰 원리가 발견 된 것은 순전히 행운입니다. 린덴마이어는 수학자였고 스스로도 이러한 생물학적 의의를 가지게 될지는 전혀 생각치 못했습니다. 그가 이러한 큰 원리를 발견하는 것이 가능 했던 것은 프랙탈의 원리를 갖는 생성문법을 이용하여 논리적으로 정확한 "하위계층의 생성레벨"에서 여러가지 가능한 것들을 컴퓨터로 돌려가며 만들어 내는 시도를 했기 때문에 우연히 발견할 수 있었던 것입니다. 주어진 현상을 탐구하기 위해서는 어느 계층의 현상을 관찰하고 모델링해야 하는가가 첫번째로 결정해야 할 중요한 문제입니다. 다시 한번 프랙탈과 Choas의 세계에서의 탐구가 어느 계층레벨에서 이뤄져야 하는 지를 말하자면 "생성논리를 포함한 계층"에서의 탐구가 결정적이라는 것을 강조하지 않을 수 없습니다. 많은 생명체들의 DNA의 정보가 하나씩 밝혀지고 있는 지금, 생물학에서는 발생과정의 비밀을 풀기위해 많은 수학자들이 필요한 때입니다. 비선형 방정식과 프랙탈에 대한 연구를 DNA레벨에서 풀기위해 동원되야할 수학이론들을 다룰 수 있는 사람은 수학자입니다. 생물은 그 핵심에서 부터 복잡한 수학공식이 압축된 구조체입니다. 좀더 많은 수학자들이 DNA의 발현 비밀과 발생과정의 비밀, 나아가 노화의 비밀에 이르는 분야까지 여러 분야에서 활약하기를 기대해 봅니다. __ 쇼팽 |