산타 페 복잡계 과학
1984년, 뉴멕시코 주 산타 페에서 24명의 저명한 과학자와 수학자들이 모여 "과학의 새로운 통합"에 대해 논의했다. 이들의 목표는 학제 간 환경에서만 적절히 연구할 수 있는 복잡하고 상호작용적인 시스템들에 대한 공동연구에 있었다. 이들은 지식의 통일성과 지적 문화의 심화되는 양극화와 뚜렷한 대조를 이루는 공동책임의 인식을 촉진하는 새로운 연구소의 설립을 구상했다. 산타 페 연구소는 복잡계 연구의 중심으로 설립 되었다 (M. Mitchell, Complexity, x).
슈트어트 카우프만은 산타 페의 복잡계 연구의 중심인물에 속한다. 그는 저명한 생물학자이며, 복잡성 시스탬이론을 통해 혼돈의 경계로부터 생의 출현을 개념화했다. 자연과학자로서 그는 우주의 창조성을 신으로 파악하고 신학과의 대화를 열어가기도 한다. 나는 공공신학자로서 그리고 시스템 생물학을 사회 생태학의 차원에서 전개하는 사회학자로서 복잡계 연구와 다학제 연구에 주목한다.
비판적 성찰: 혼돈의 경계로의 적응
생태학은 "유기체들 간의 관계와 이들의 환경을 포함하는 자연 환경의 연구"로 정의된다 (헥켈 ). 헥켈의 생태학에 대한 정의 이후, 자연의 생에 대한 이해는 비평형 열역학 이론에서 소산구조와 스테판 굴드의 단속평형 이론이 중요하게 등장했다.
단속 평형 이론은 하버드 대학의 메디컬 센터 막 커슈너 교수에 의해 세포 생물학에서 코어 보존과정과 촉진된 변이를 통해 생의 진화성 (evolvability)으로 개념화 되었다. 마찬가지로 세포의 오토포이에시스와 네트워크 활동은 에피게놈에 대한 사회 생태학적 연구와 더불어 환경구성의 비결정성과 DNA 메텔화 과정에 대한 생태치유 기술이 발전 되었다.
단속 평형 이론에서 세포의 보존된 핵심 과정의 구조이론은 자연 선택에 의해 생성되지 않는 외적용(exaptation)의 중요성을 옹호한다. 외적용된 구조는 2차 과정을 거쳐 새로운 역할에 적합한 2차 적응을 축적하게 된다. 이것은 촉진된 유기체의 변이로 볼 수 있고 인접 가능성의 토대를 제공한다. 외적응은 다윈의 자연선택의 한계를 넘어선다.
어째튼 외적응의 관점은 "혼돈의 경계로의 적응" (스튜어트 카우프만)과 같은 이론을 개념적으로 명확하게 한다. 카우프만은 분자 촉매 합성 효소와 분자의 복합 시스템의 집합적 특성에 주목하면서 생명의 기원을 설명했다. 세포의 단속평형과 혁신의 관점에서 설명해 본다면, 생의 활동의 연결은 세포 네트워크에서 생성된다. 보존된 핵심 과정들은 진화의 혁신적 과정이나 "자유의 질서"를 위한 심층 구조로서 중지와 평형으로 나타난다.
개별 핵심 과정은 촉매 대사와 생물학적 메커니즘에서 구성되며, 이는 생리학적 적응에 기여한다. 세포의 코어 보존은 생리학적 적응력과 표현형의 다양화를 위한 토대가 된다. 세포 생명에 대한 구조적 이론에서 새로운 질서는 혼돈의 가장자리에 대한 적응에 따라 발생하기 보다는, 자생적인 네트워킹의 다양한 연결을 통해 생성한다.
카우프만의 "자유로운 질서" 관점에서 보면, 생명은 가능한 유기적 반응의 공간에서 집합적인 자기 재생 대사과정에사 결정화된다. 카우프만은 자연 선택을 돕기 위해 소산구조 이론을 급진적으로 활용하고, 평형에서 멀리 떨어진 곳에서 "자유로운 질서"를 제시한다. 카우프만에 의하면, 생물학적 시스템은 자연스럽게 "혼돈의 가장자리에 있는 적응"으로 진화한다 (Gould, Structure of Evolutionary Theory, 1209-11).
카우프만의 이론은 비정상적이고 비역사적인 구조주의 이론에 가깝다. 그것은 비평형의 소산구조의 물리적 법칙에 의해 자발적 질서를 급진화한다. 진화 가능성은 혼돈의 경계에서의 적응이라는 보편 논리로 나타난다.
비역사적 보편성은 사물의 본질이나 자연의 질서에 기인하며, 이는 혼돈의 경계에서의 적응을 통해 생명의 기원에 겹쳐진다.
그러나 카우프만의 영원한 구조적 일반성에 대한 아이디어는 어떤 맥락에서 누구의 적응이 일어나는지, 그리고 무엇이 생물학적 상태를 혼돈의 가장자리에 이르게 하는 지를 설명하는 데 한계가 있다.
생태학의 계층론
생태학은 유기체를 넘어서는 시스템 수준에 관심을 둔다. 생태학에서 '개체군'이라는 용어는 원래 사람들의 집단을 의미하기 위해 만들어졌지만, 이제는 어떤 종류의 유기체의 개체군을 포함하도록 확대된다. 마찬가지로, 생태학적 의미에서 공동체 (때때로 "생물 공동체"로 지칭)는 특정 지역을 차지하는 모든 개체군을 포함한다. 공동체와 비생물적 환경은 생태계으로 기능한다.
생태학적 계층에서 다음의 단계는 경관이다. 경관은 상호작용하는 생태계의 집합으로 구성된 이질적인 지역으로서, 비슷한 방식으로 반복된다. 생물군계는 주요 식생 유형이나 다른 식별 가능한 경관 측면으로 특징지어지는 큰 지역이나 대륙적 시스템을 지칭하는 용어이다. 예를 들어, 온대 낙엽수림 생물군계나 대륙붕 해양 등이 있다. 가장 크고 거의 자급자족하는 생물학적 시스템은 종종 생태권으로 지정되며, 이는 지구의 모든 생물체가 물리적 환경과 상호작용하여 자가 조정되고 느슨하게 제어되는 맥박이 뛰는 것 같은 상태를 유지한다 (Odum et al, Fundamentals of Ecology, 6).
생태학의 계층론을 요약 해보면, 세포-조직-기관-기관 시스템-유기체-개체군(인구)-생물 공동체-에코 시스템-경관-생물군계( biome)-생태권 (ecosphere)으로 분류될 수 있다.
이러한 생태 계층론은 생물과 비생물적 구성 요소의 상호 작용을 강조하는 생태학적 조직 수준의 스펙트럼을 보여준다. 유기체의 위와 아래를 비교해보면 이들의 계층은 덜 엄격하게 규제되며, 더 많은 충동적이고 혼란스러운 행동을 보인다. 그럼에도 불구하고 긍정적 피드백과 부정적 피드백이 번갈아 작용하며 조절된다. 이런 시스템들은 항상성 보다는 항상성의 변화를 나타낸다. 사이버네틱스에서 이러한 차이를 인식하지 못한 것은 자연의 균형에 대한 많은 혼란을 초래하기도 했다 (ibid., 5).
이런 복잡한 스팩트럼에서 본다면, 에코 시스템은 느슨하게 통합된 초유기체적 존재가 아니라, 매우 밀접하게 통합된 생물학적 시스탬이다 다시 말하면 동물과 식물, 미네랄, 물리적인 환경 사이에 복잡한 상호작용이며 상호 연결되고 통합된 과정으로 간주될 수 있다. 유기체와 생물종의 공동체는 이들의 환경과 더불어 물질과 에너지를 교환한다. 전체 지구 시스템은 열역학의 비평형상태에서 생물학적인 확장과 수축에 의해 유지된다 (Depew and Weber, Darwinism Evolving, 408-9).
생태학은 비평형 열역학 법칙에 기초되며, 열린 환경에서 물질과 에너지의 유입의 과정으로 파악된다. 생물학적 과정은 분자의 영역에서 자동 촉매 사이클안에 내재한 긍정적인 피드백에 의해 정보교환이 이루어지며 자율성으로 나타난다.
카우프만은 생태학에서 나타나는 자동 촉매과정을 잘 알고있고, 많은 유기체들이 환경에 역동적으로 작용하는 공진화이론을 돌출한다. 다윈의 자연선택은 카우프만의 자기조직화에 기묘한 결합을 한다. 경관구조는
진화가능성 (evolvabilty)과 적합도를 지배하며, 자연선택은 복잡한 적응 시스템을 경계의 영역으로 밀어가는 힘이 된다. 자기조직성과 자연선택의 협력과 상호작용이 검토되고, 혼돈의 가장자리에서 진화의 행동이 나타난다 (Kaufmann, The Origins of Order, 218-19).
자유로운 질서와 소산구조
카우프만은 자유를 위한 질서를 부각시키고, 복합 시스템에서 일반질서의 자발적인 결정화가 나타난다고 본다. 생의 기원과 출현은 집단적 자동촉매와 화학반응에서 단백질과 핵산 (DNA/RNA)의 공동진화에서 예측되는 현상이다. 카우프만의 공진화는 전체 생태계에서 혼돈의 가장자리에서 출현한다. 그러나 카우프만이 혼란을 주는 대목은 생물학적인 질서가 자기 조직화의 효과에 기인하며, 이러한 조건 안에서만 자연선택이 효율적인 진화의 힘이 된다는 데 그의 주장에 있다 (Depew and Weber, Darwinism Evolving, 454).
그러나 세포의 오토포이에시스에서 나타는 DNA 복제나 크로마틴 리모델링, RNA전사 그리고 단백질 합성과정에서 나타나는 피드백 루프가 유기체의 자연선택에서 나타나는 생존투쟁이나 적자생존과 무슨 연관이 있는가? 이것은 오히려 오랜 지질학적 시간을 통해 중지-평형-혁신과정을 통해 세포의 코어 보존과정에 속한다. 캄브리아기 화석의 분석에서 자연선택이나 공동조상은 별다른 의미가 없다.
신진대사 과정의 방대한 네트워크는 시스템을 비평형 상태에 유지하면서 내적인 피드백 루프를 통해 분기점을 만들어내고 새로운 발전과 진화를 한다. 자연선택애 기초한 진화가 아니라 세포나 유기체는 소산구조로서 네트워크 안에서 비평형 상태와 피드백 루프를 통해 분기점을 만들면서 진화를 가능하게 한다.
생태계에서 먹이사슬 또는 사이클은 식물은 동물에게 먹히고 동물은 다른 동물들에게 먹힌다. 식물의 영양분이 음식망을 통해 이어진다. 에너지는 열로서 호흡을 통해 소산되며, 배설을 통해 쓰레기로 소산된다. 쓰레기와 죽은 짐승이나 식물은 곤충이나 박테리아에 의해 부식된다. 그리고 곤충과 박테리아는 기본 영양소로 분해되어 살아있는 식물들에게 주어진다. 영양분과 다른 기본요소들은 생태계에서 끊임없이 순환된다. 유진 오덤(Eugene Odum)이 말한 것처럼, 물질은 순환이 되지만, 에너지는 소산된다. 전체 생태계에서 만들어지는 쓰레기는 호흡의 열 에네지이며 광합성의 작용에 의해 다시 채워진다.
생태계의 먹이 순환에서 보면 모든 살아있는 시스템은 소산(dissspative)과 구조라는 두 가지 대립적 요소가 공존한다. 열린 환경에서 소산구조는 에너지를 유입하면서 평형상태에서 비평형상태의 과정에서 새로운 구조와 질서가 출현한다. 살아있는 유기체는 신진대사에서 끊임없는 흐름과 변화에 의해 특징이된다. 그것은 다양한 피드백 루프에 의해 연결되며, 수 천개의 화학작용에 관여한디. 평형 상태에 있는 유기체는 죽은 것이다.
그러나 자기 조직화와 생태계의 글로벌 차원에서 생의 출현구조는 생태권의 복잡성에서 볼 때 보편 법칙을 쫒아가지 않는다. 그것은 개별 시스템의 고유함과 다양성에 달려있다. 그것은 수학적인 컴퓨터 작동이나 사이버네틱스처럼 혼돈의 가장자리에서 보편적으로 결정되지 않는다. 분기점의 비결정성은 소산구조에서 비예측성으로 드러난다.
생태 스펙트럼의 복잡성
분기점에서 소산구조는 환경에서 나타나는 조그만 동요에도 대단히 민감하게 반응하며, 어떤 환경 동요가 어떤 분기점에서 발생하고 어떤 미래의 경로로 나갈 지 예측할 수 없다. 무질서에서 질서를 가져오는 메카니즘은 촉매작용과 자기 증폭적인 피드백에서 급증하는 복잡성에 기인한다. 이것은 시간의 화살처럼 불가역적이며 비결정성이지만, 비평형은 질서의 근원이된다. 그러나 동시에 이것은 에너지가 교란될 경우 붕괴하기도 한다.
소산구조의 생의 출현은 개방된 환경으로부터 에너지와 물질의 흐름이 유입되는 것에 의존되며, 생태학적 스펙트럼에 따라 달라진다. 이러한 생태계적 복잡성은 카우프만 처럼 세포의 수준에서 비역사적 보편성으로 일반화될 수 없다. 오히려 환경요인과 관련된 사회적 에피게놈에 대한 통찰이 요구된다. 혼돈의 가장자리 보다는 환경동요를 통한 질서가 출현하며, 이것은 우연과 필요성, 동요와 결정론적 법칙 사이의 미묘한 상호작용에 근거한다.
생태학의 스팩트럼의 복잡성에 본다면, 카우프만은 많은 현상들과 상호작용을 고려할 필요가 있다. 생태계에서 날씨와 수질의 온도 그리고 기후 온난화에는 환원 불가능한 예측 불가능성이 있다. 환경에서 에너지 교란이 일어날 경우, 살아있는 유기체는 혼돈의 가장자리에서 자연선택을 통해 자유로운 질서로 진화하기보다는 오히려 붕괴될 수 있다. 생명체와 그것들을 위협하는 질병의 복잡성과 적응성이 사회의 경제적, 정치적, 문화적 행동에 연결되어있다. 현대 기술과 통신 네트워크의 성장과 그 영향 그리고 에피게놈의 치유기술의 역할을 무시 할 수 없다.
흥미롭게도, 카우프만의 종교적 자연주의는 새로운 질서나 출현의 자연적 창조성을 심지어 하나님으로 묘사하는 것을 주저하지 않는다. 그러나 신학에서 집단 대사 작용의 촉매 집합, "자유를 위한 질서" 또는 혼돈의 가장자리에 적응을 근거로 하나님을 자연의 창조성으로 수용하기 어려울 것이다.
자연의 생에는 창조성뿐 만 아니라 환경요인으로 인해 오는 고통과 종의 사멸과 신음도 같이있다. 자연과 사회는 연결되어 있으며, 카우프만은 사회자연성의 문제를 간과하는 경향이 있다. 소산구조는 열린환경에서 새로운 질서와 생으로 출현하지만 동시에 환경요인으로 인한 애너지 교란으로 인해 붕괴하기도 한다. 생태학적인 복잡성을 검토하지 않을 때, 혼돈의 가장자리애서 일어나는 자유로운 질서는 무역사적이며, 형이상학이 될 수 있다.