에코 사이버네틱: 자연과 사회의 공진화

생태계와 네트워크의 다양성

 

생태계에는 모든 부분을 연결하고 시스템 전체를 조정하거나 규제하는 물리, 화학적 통신 흐름을 포함한 정보 네트워크가 풍부하다. 생태계는 본질적으로 사이버네틱스 (사이버네테스: "파일럿" 또는 "지배자")로 간주될 수 있다. 그러나 유기체 수준의 조직을 넘어서는 에코 사이버네틱스는 유기체 수준이나 기계적 제어 장치의 수준에서 논의 되는 기계적 사이버네틱스와는 매우 다르다.

 

사이버네틱은 2차 세계대전 중 수학자와 뇌과학자 그리고 엔지니어들에 의해 발전되었으며, 주로 군사학과 무기 연구에 관련되었다. 동물과 기계에 대한 연구에서 이들은 수학에 기초하고 심리적 현상과 메카니즘에 주목했다. 이것은 기게론적 접근을 취하며, 컴퓨터는 무기 시스템에 적용된다.  여기서 피드백 순환이 살아있는 유기체에 적용이 되고, 살아있는 유기체는 목적에 의해 작동하며, 자기규제와 항상성의 메카니즘은 살아있는 유기체의 역동적인 균형을 유지한다고 부각되었다.

 

이러한 피드백 루프의 개념은 생에서 나타나는 많은 자기 규제과정들에 대한 연구를 통해 네트워크와 패턴의  중요성을 부각 시켰다. 그러나 기계적 접근의 사이버네틱은 환경이나 생테계에 그대로 적용하기 어럽다. 자연에서 제어 기능은 내부적이며 분산되어 있다. 세트 포인트가 없다. 인간이 설계한 사이버네틱 장치처럼 외부적으로 설정된 지점 즉 세트 포인트가 없다. 에코 시스템안에 설정된 제어 장치의 결여는 안정 상태가 아닌 불안정한 상태를 초래한다.

 

변동성, 즉 안정성이 달성되는 정도는 외부 환경의 엄격함과 내부 통제의 효율성에 따라 크게 달라진다. 두 가지 종류의 안정성을 인식하는 것이 중요하다. 저항 안정성 (스트레스에 직면했을 때 "견디는" 능력)과 회복 안정성 (빠르게 회복하는 능력)--이 두 가지는 반 비례할 수 있다.

 

피드백 제어 시스템을 고려할 때, 인간이 만든 자동 제어 시스템과 항상성을 유지하며 목표를 추구하는 유기체 시스템에 적합한 모델 (A)이 있다. 그런가하면 생태계를 포함한 비목적론적 시스템에 적합한 모델 (B)를 상정할 수 있다. B 모델에서 제어 메커니즘은 내부적이며 분산되어 있고, 상위와 하위 간의 상호작용을 포함하는 시스템을 갖는다. 

 

어느 경우든지, 제어는 피드백에 의존하며, 피드백은 출력의 일부가 입력으로 다시 들어올 때 발생한다. 이 피드백 입력이 긍정적일 때, 양은 증가한다. 긍정적인 피드백은 편차를 가속화하며, 유기체의 성장과 생존에 필요하다. 그러나 방의 과열이나 인구의 과잉 성장을 방지하기 위해서, 편차 입력을 상쇄하는 부정적 피드백도 필요하다. 

 

저에너지를 가진 구성 요소들이 고에너지 피드백 효과를 가지는 것은 사이버네틱 시스템의 주요특징에 속한다. 노버트 위너(1948)가 창립한 사이버네틱스 과학은 무생물과 생물 모두의 제어를 포괄한다. 사이버네틱스 과학은 살아있는 유기체와 사회 시스템을 이해하는데 중요한 개념이 될 수가 있다. 사회 시스템은 개인과 같은 유기체의 조직이며, 소통에 기초하며, 피드백의 순환과정에서 역동성을 드러낸다 (Wiener, Cybernetics, 24).  

 

기계적 피드백 메커니즘은 생물학자들에 의해 유기체 시스템을 지칭할 때 항상성 메커니즘으로 사용된다. 체내 항상성 (호메오 = "같은," 스테이시스 = "정지")은 생리학에서 유기체 수준에서 잘 알려진 개념이다. 기계적 또는 해부학적 "제어기"는 특정 "세트 포인트"를 가지고 있다. 예를 들어, 가정용 난방 시스템에서는 온도 조절 장치가 온도를 제어한다. 따뜻한 피를 가진 동물에서는 특정 뇌 중심이 체온을 조절한다. 그리고 유전자는 세포, 기관, 그리고 유기체의 성장과 발달에 관여되고 조절과정에서 작동된다. 그러나 자연에는 온도 조절기나 화학 조절기가 없다.

 

오히려 물질 순환과 에너지 흐름의 상호작용, 그리고 대규모 생태계의 하위 시스템 피드백이 결합되어 자기 조절적인 호메오레시스 (호메오레시스 - "흐름" 또는 "맥동")를 생성한다. 이것은 진화의 안정성이나 또는 시스템의 흐름이나 맥동 과정의 보존을 시간에 따른 변화의 경로로 나타낸다. 호메오레시스의 목표는 시스템이 계속 변화하도록 유지한다.

 

생태계 수준에서 작동하는 제어 메커니즘에는 영양소의 저장과 방출을 조절하는 미생물 하위 시스템, 행동 메커니즘, 그리고 개체군 밀도를 조절하는 포식자-피식자 하위 시스템이 포함된다. 생태계 수준에서 사이버네틱 행동을 인식하는 데 어려운 점은 구성요소들이 다양한 물리, 화학적 메신저에 의해 네트워크로 연결되어 있어서 그렇다.

 

저에너지 원인이 고에너지 효과를 생성하는 경우는 생태계 네트워크에 어디서나 존재한다. 두 가지 예로 설명할 수 있다. 작은 곤충인 기생성 (Hymenoptera)은 초원 생태계에서 전체 생물군집 대사량의 아주 작은 부분(종종 0.1퍼센트 미만)을 차지한다. 이것이 초식성 곤충에 미치는 영향으로 인해 전체 1차 에너지 흐름(생산)에 매우 큰 조절 효과를 미칠 수 있다. 

 

유전체와 혼돈의 가장자리

 

슈트워트 카우만에 의하면 네트워크는 질서와 무질서의 경계에서 유용한 변이들의 축적을 통해 환경에 빠르고 성공적으로 적응하는 유연성을 가지고 있다. 이러한 시스템에서 대부분 변이들은 항상성으로 인해 조그만 귀결을 갖는다. 그러나 조그만 변이들은 보다 큰 변화의 흐름을 야기한다. 이러한 시스템에서 환경 변화에 점진적으로 적응하지만 때때론 급작스럽게 진화한다 (Kaufman, "Antichaos and Adaptation," Scientific American, Aug. 1991).

 

카우프만의 모델은 살아있는 유기체의 진화에서 세포분화 현상에 관심하는데, 유전자 네트워크의 구조는 동일하지마 그 패턴은 다르다. 유전자 활동의 다른 패턴은 이항의 네트워크의 다른 사이클에 상응하고 다른 유인자 (끌개)들을 갖는다. 예를들면, 박테리아에서 이스트 (효모), 곰팡이, 말무리 (조류), 해면체, 해파리, 지렁이 등에서 인간의 세포로 진화할, 경우 다양한 세포 유형들은 상응하는 수 많은 유인자들을 갖는다. 거의 6억년 동안 걸쳐 다세포 유기체로 분화하는 세포유형의 분열들은 이러한 패턴을 추종한다. 

 

카우프만의 모델은 다윈의 누적된 진화론이 틀에서 자연선택이 유기체를 혼돈의 가장자리로 인도 할 때 새로운 생의 출현이 가능하다고 본다. 그러나 캄브리아기의 화석분석에 의하면  세포는 오랜 지질학적 시간에 걸처  중지와 평형상테를 유지한다. 세포의 혁신적 구조의 출현은 열린환경에서 에너지와 물질을 흡수하면서 비평형적인 상태에서 나타난다. 세포의 오토포이에시스는  네트워크 패턴으로 나타나며 개별구성의 기능은 다른 구성을 변형에 참여한다 (DNA복제, RNA 전사. 프로틴 합성, 조직과 기관 그리고 기관 시스템). 

 

이것은 세포의 코어 보존과정과 촉진된 변이의 메카니즘에 기초하는 자기경계짖기와 생성 그리고 영속화로 볼 수 있지, 혼돈의 가장자리애서 새로운 생의 출현으로 언급하기가 어렵다 (Capra, The Web of Life, 208). 

    

모든 살아있는 것들의  조그만 구성분들의 네트워크들이며, 생명망의 전체는 살아있는 것들의 다차적인 구조로 이루어진다. 피드백 제어 외에도, 기능적 구성 요소의 중복성이 안정성에 기여한다. 예를 들어, 여러 종류의 자가영양 생물이 존재하고 각각 다른 온도 작동 범위를 가진다, 온도가 변해도 전체 생물군의 광합성 속도는 안정적으로 유지될 수 있다. 개체군이 하나 이상의 평형 상태를 가지고 있으며, 종종 교란 후에 다른 평형 상태로 돌아간다. 일반적으로, 안정된 물리적 환경에 있는 생태계는 더 높은 저항 안정성을 보이고 더 낮은 회복 안정성을 보일 것으로 예상된다. 그러나 불확실한 물리적 환경에서는 그 반대가 사실이다.

 

인간 활동에 의해 대기 중에 도입된 CO2는 대부분 해양의 탄산염 시스템과 기타 탄소 저장소에 의해 흡수되지만, 완전히 흡수되지는 않는다. 그러나 입력이 증가함에 따라 대기 중의 새로운 평형 수준은 더 높아진다. 많은 경우, 통제는 진화적 조정 기간이 지난 후에야 나타난다. 새로운 생태계, 예를 들어 새로운 농업 형태나 새로운 숙주-기생충 집합체는 성숙한 시스템보다 더 격렬하게 진동하고 과잉 성장을 일으킬 가능성이 더 크다. 성숙한 시스템에서는 구성 요소들이 서로 조화롭게 조정할 기회를 갖는다.

 

생태계 시스템에서 오토포이에시스 현상은 일반적으로 "하류" 에너지가 "상류" 시스템으로 피드백되는 역방향 루프에서도 나타난다. 이러한 유형의 증폭된 제어는 네트워크 내에서의 널리 퍼져 있으며, 생태계의 복잡한 글로벌 피드백 구조를 나타낸다.

 

생태학적 관점에서 볼 때, 두 가지 종류의 안정성을 비교할 수 있다. 저항 안정성은 생태계가 교란에 저항하고 구조와 기능을 온전하게 유지하는 능력을 나타낸다. 회복력 안정성은 시스템이 교란에 의해 방해받았을 때 회복할 수 있는 능력을 말한다. 이 두 가지 안정성은 상호 배타적일 수 있다. 두 가지를 동시에 개발하는 것은 어렵다.  예를들어 켈리포니아 레드우드 숲은 불에 매우 강하지만 (두꺼운 껍질과 기타 적응), 만약 불이 나면 매우 천천히 회복되거나 아예 회복하지 못할 수도 있다. 대조적으로, 켈리포니아 차파랄 식생은 저항 안정성이 낮아 매우 쉽게 불에 타지만 몇 년 안에 빠르게 회복한다.

 

먹이 사슬에서 초식동물과 기생충(하류 구성 요소)은 종종 보상 (reward) 피드백으로 알려진 피드백 과정을 통해 숙주(상류 구성 요소)의 복지를 증진시키거나 촉진한다. 진화의 시간에 걸쳐, 이러한 상호작용은 초식 곤충이나 동물의 "호황과 불황", 또는 재앙적인 포식자-피식자 동요 등을 방지함으로써 생태계를 안정화시켜 왔다. 생태계에서 소산구조들의 생의 출현은 혼돈의 가장자리에서 예측되는 것이 아니라 오히려 에너지의 교란으로 인해 붕괴가 일어나기도 한다.   

 

요약하자면, 생태계는 유기체와 동일하지 않다. 생태계는 직접적인 유전적 통제를 받지 않기 때문에 초유기체적 수준의 조직으로 볼 수도 있지만, 초유기체도 아니다. 그것은 원자력 발전소와 같은 산업 복합체도 아니다.

생태계는 다차적인 수준에서 오토포이에시스가 작동하고 조직적으로 닫혀있는 개별 시스템이다. 우리가 박테리아에서 거대한 규모의 생태계에 걸쳐있는 생을 볼 때 네트워크이 작용하고 스스로 조절하고 규제한다. 그리고 이것은 조직패턴을 보존하면서 (세포의 코어 보존과정) 구조의 변화 (유기체의 다각화)를 껶는다. 이러한 구조변화는 환경과의 역동적인 상호작용과 시스템의 내적인 역동성의 결과에서 나타난다.  생태계는 구조적으로 접합된 시스템이다. 유기체와 공통점이 있다면 세포의 코어 보존과정과 촉진 변이가 생태계 안에 심층구조로 깔려있다. 

 

누스 시스템

 

중추 신경계의 진화 덕분에, 호모 사피엔스는 점차적으로 생태계의 작동을 수정할 수 있는 능력에서 가장 강력한 유기체가 되었다. 인간의 두뇌는 모든 종류의 강력한 아이디어를 만들어내는 데 극히 적은 양의 에너지만 필요로 한다. 우리의 단기적 사고의 대부분은 권력, 기술, 자원 착취의 확장을 촉진하는 긍정적 피드백을 포함해 왔다. 장기적으로볼 때, 적절한 부정적 피드백 통제가 확립되지 않으면 인간 삶의 질과 환경이 악화될 가능성이 높다.

 

양을 통제하면서 질을  보존하는 것은, 낮은 에너지 원인이 높은 에너지 효과를 만들어내는 사이버네틱 원리를 설득력 있게 설명한다. 인류는 "강력한 지질학적 요인"으로서 그 역할이 매우 중요하다. 베르나드스키는 그리스어로 "마음"을 의미하는 누스피어를 생각했다. 인간의 마음이 지배하는 세계가 수십억 년 동안 자연적으로 진화하는 생물권을 점차 대체해 왔다. 

 

누스시스템이 생물학적, 물리적, 사회적 구성 요소를 생태계내에서 통합하는 기본 단위로 작용할 수 있다. 비록 인간의 뇌가 낮은 양과 높은 품질의 에너지 "장치에서 큰 제어 잠재력을 가지고 있지만, 누스영역을 위한 시간은 아마도 아직 오지 않을 것이다. 인간은 아직 생명 유지 시스템을 관리할 수 없다.  자연 과정이 너무 잘 작동하기 때문에 더욱 그렇다.

 

데카르트는 모든 철학은 나무와 같다고 말한 적이있다. 뿌리는 형이상학이며, 나무 줄기는 물리학이며, 가지들은 다른 과학들이다. 그러나 이러한 데카르트의 오류는 생태계의 통합학문에 의해 뒤집어진다. 뿌리는 네트트워크로 이루어지며 토양을 통해 이웃 나무들과 소통한다. 나무 줄기와 가지와 잎들은 태양과 물과 같은 환경과 관련된다.  생태계를 돌보는 생명과학이 이제 물리학을 대신한다 (Capra, The Web of Life, 13).