"생명의 개념이 어떻게 변화하고 있는지 이해하고 싶다면, 이 책을 읽어라."
-앤드루 브릭스(옥스퍼드대학교 나노소재과학 명예교수)

생명과 생명 아닌 것을 가르는 것은 정보다

생명이란 무엇인가? 오랫동안 과학자들은 이 문제를 이해하기 위해 분투해왔지만, 여전히 생명은 비밀의 장막으로 가려진 마법처럼 보인다. 보잘것없는 미물인 세균조차 우리는 감히 흉내낼 수도 없는 놀라운 방식으로 작동한다.
1943년 양자물리학자인 에르빈 슈뢰딩거는 ‘생명이란 무엇인가?’라는 제목의 역사적 강연에서 이 수수께끼에 도전하여 생명을 물리학으로 설명하고자 시도했다. 슈뢰딩거는 혼돈에서 생명이라는 질서가 생겨나기 위해서는, 즉 생명이 열역학 제2법칙을 거스르기 위해서는 그 명령이 어떤 식으로든 분자에 부호화돼 있어야 한다고 추정했다. 그로부터 10년 후 DNA 구조가 발견되면서 슈뢰딩거의 통찰은 사실로 입증되었다. 이후 수십 년간 분자생물학이 급속히 발전하면서 생명을 원자와 분자의 물리화학만으로 설명할 수 있다는 ‘강한 환원주의’가 과학계의 대세가 되었다. 그러나 인간의 유전 부호가 해독된 지금도 유전자와 생물학적 형질이 어떻게 연결되고 조직되는지 등의 생명의 수수께끼는 여전히 풀리지 않고 있다. 강연의 끝에서 슈뢰딩거는 생명이 아직 우리가 알지 못하는 ‘다른 물리법칙’과 관련이 있을지 모른다고 암시했다.

세계적인 이론물리학자이자 과학커뮤니케이터인 폴 데이비스는 슈뢰딩거의 생각에 동의하며, “생물은 깊고 새로운 물리적 원리들을 나타내고 있으며, 그 원리들을 밝혀내 거두어 쓰게 될 문턱까지 우리가 와 있다”고 말한다. 유사 이래로 많은 사람들은 생명이 물질 이외에 어떤 마법과도 같은 생명력--공기(숨), 열, 전기, 영혼, 에테르 등--에 의해 생겨났다고 여겼다. 그러나 이러한 생기론을 뒷받침할 과학적 증거는 전혀 없다. “그러나 비록 생명력이 존재하지 않는다 할지라도, 생명 물질에 무언가 특별한 것이 있다는 인상을 떨쳐버리기는 힘들다. 그렇다면 문제는 이것이다. 그것이 대체 무엇인가?”

결론부터 말하자면, 그것은 ‘정보’다. “생명과 생명 아닌 것을 가르는 것은 정보이다.” 유기체가 생식을 통해 종을 영속시키기 위해서는 DNA와 단백질이 수행하는 유전 정보의 저장, 처리, 전달이 필수적이다. “이 명확한 물질적 복잡성(생명의 하드웨어)을 꿰어 잇고 있는 것은 그보다 훨씬 숨이 멎을 것 같은 정보의 복잡성(생명의 소프트웨어)이다.” 하지만 ‘생명=물질+정보’라는 주장에는 한 가지 난점이 있다. 생명을 구성하는 분자는 물리적 구조이고 정보는 추상적 개념인데, “어떻게 추상적인 정보를 분자의 물리와 이을 수 있을까?” 폴 데이비스는 해결의 열쇠를 150여 년 전 물리학자 제임스 클러크 맥스웰이 제안한 사고실험에서 찾아낸다.

맥스웰의 악마

1867년 맥스웰은 열역학 제2법칙을 위반하는 한 가지 가능성을 생각해낸다. 기체가 들어 있는 상자가 있다. 기체의 온도가 일정하다고 해도 에너지 배분은 균일하지 않아 더 뜨거운 분자와 더 차가운 분자가 섞여 있으며, 뜨거운 분자는 상대적으로 더 빠르게 움직이고 차가운 분자는 더 느리게 움직인다. 이제 상자 가운데에 칸막이를 세운다. 칸막이에는 아주 작은 구멍이 나 있고, 구멍에는 덧문이 설치되어 있으며, 아주 작은 악마가 그 덧문을 열고 닫을 수 있다고 하자. 빠르게 움직이는 뜨거운 분자가 다가오면 악마가 덧문을 열어 한쪽으로 보내고, 느리게 움직이는 차가운 분자는 다른 쪽으로 계속 보낸다면, 얼마 후 상자의 한쪽은 온도가 올라가고 다른 쪽은 온도가 내려가게 된다. 이제 덧문에 열기관을 단다면 외부의 에너지 공급 없이도 온도차에 의해 일을 하는 영구기관을 만들 수 있다.

그런 악마는 존재하지 않는다는 것은 반론이 될 수 없는데, 이는 원칙적 가능성을 탐구하는 사고실험이기 때문이다. 그 후 오랫동안 ‘맥스웰의 악마’는 많은 과학자들에게 타당한 논증이기는 하지만 구현하기는 불가능한 불편한 역설처럼 여겨졌다. 이 악마의 핵심에 ‘정보’가 있음을 처음으로 꿰뚫어본 것은 미국이 핵무기를 개발하도록 가장 먼저 촉구한 핵물리학자 실라르드 레오였다. 그는 악마가 분자의 속도와 위치를 ‘본다’라는 행위, 곧 측정(정보)이 열역학 제2법칙을 거스를 때 치러야 할 대가임을 알아차렸다. 그러나 실라르드는 악마의 장난으로 얻는 이득(일)이 분자를 지각할 때 치르는 엔트로피 비용으로 상쇄되기 때문에 열역학 제2법칙을 위반할 수는 없다고 생각했다.

‘맥스웰의 악마’에 대한 돌파구는 다른 갈래인 컴퓨터과학에서 나왔다. IBM의 물리학자 롤프 란다우어는 컴퓨터가 계산과정에서 쌓인 정보들을 지울 때 열이 발생할 수밖에 없다는 것을 알아내고, 1비트의 정보를 지울 때 3×10-21줄의 열이 발생한다고 계산했다. ‘란다우어 한계’라고 알려진 이 값은 정보와 물리의 깊은 연관성을 드러냈다. 이제 명백해진바, 정보는 실재하며 “정보는 물리적이다!” 즉 정보는 추상적 개념이 아니라 물리적 대상과 결부되어 있다.
이후 정보를 처리해서 일로 전환시키는 ‘정보엔진’을 구현하려는 실험들이 잇따랐고, 마침내 2007년 에든버러대학교의 데이비드 리는 나노기술을 이용하여 ‘맥스웰의 악마’를 분자 수준에서 구현해냄으로써, 정보가 정말로 에너지로 전환될 수 있음을 증명했다. 이후 일본, 핀란드, 우리나라 등지에서 실험들이 이어졌고 그 효율도 극적으로 개선되었다. (이 책의 주에 나와 있듯이, 우리나라 울산과학기술원의 박혁규 교수 연구팀은 2018년에 98.5%라는 놀라운 효율의 정보엔진을 구현하는 데 성공했다.)

가까운 미래에 ‘정보를 동력으로 하는 냉장고’ 같은 장치가 나올 수도 있겠지만, 이 책에서 폴 데이비스가 주목하는 것은, 맥스웰은 미처 알지 못했지만, 생명은 이미 수십억 년 전부터 ‘맥스웰의 악마’를 몸속에 구현해왔다는 사실이다. 우리 몸속의 나노 분자기계들은 정보로 넘쳐흐르고 있으며, 정보를 저장하고 처리하는 기술을 완벽히 수행하도록 진화해왔다. 폴 데이비스는 ATP를 효율적으로 운반하는 키네신, DNA와 RNA를 복사 및 전사하는 중합효소의 작용 등을 예로 들며, 생명의 정보관리 기계장치들이 어떻게 고도의 열역학적 효율을 만들어내는지 설명한다.

생명이라는 기계 속 정보를 처리하는 악마

하지만 ‘생명=물질+정보’라는 사실의 확인에서 멈춘다면 이는 생기론의 또 다른 변주에 지나지 않을 것이다. 생명에서 정보 패턴이 어떻게 물리화학적 활동을 제어하고 조직화하는지 그 논리와 작동방식을 밝혀내는 작업이 뒤따라야 한다.

폴 데이비스는 힐베르트가 제시한 수학 공리계에서의 무모순성 문제, 러셀이 정식화한 자기지시의 역설, 괴델의 불완전성 정리, 튜링의 범용 계산기의 이론적 성취들을 차례차례 살펴본 후 이렇게 결론내린다, 생명의 논리 아키텍처가 논리학의 공리를 반영하고, 수학의 토대가 결정 불가능하다면, 생명의 다양성과 복잡성에도 한계가 없게 된다. 즉 생명이라는 복잡계의 정보 패턴들이 몇 가지 내적 규칙을 따르며 “논리의 구속을 강하게 받아도, 예측 불가능한 새로움을 만들어내는 것과 얼마든지 양립할 수 있다”는 것이다. 일찍이 폰노이만은 ‘범용 제작기’ 즉 ‘자기 자신의 복사본을 포함해 무엇이든 만들 수 있는 기계’라는 관념을 제시했는데, 폴 데이비스에 따르면 생명(DNA)이 바로 이와 같은 자기복제 기계다. 폰노이만이 그런 자기복제 기계의 간단한 예로 고안한 수학 모형인 ‘세포 오토마타’는 정보와 생명이 연결되는 논리 방식을 잘 보여준다. 세포 오토마타 모형을 토대로 한 ‘생명게임’은 픽셀에 색칠하는 컴퓨터 게임인데, 단순한 몇 가지 규칙을 반복 적용하는 것만으로 아주 복잡한 패턴들을 만들어낸다.

폴 데이비스는 여기서 ‘고장난 라디오 수리’의 비유를 드는데, 환원주의 생물학자들이 이제까지 한 일은 비슷한 라디오들과 비교하며 부품들을 모두 떼어내 분류한 후 한두 부품을 교체하거나 현미경으로 원자 수준까지 들여다본 것이 전부였다. 하지만 이런 작업으로는 라디오를 고칠 수 없다. 반면에 전자회로의 원리를 이해하는 공학자는 각 부품이 제대로 배선되고 연결됐는지 확인하는 것만으로 간단히 라디오를 고친다. 이제까지의 생물학은 생체세포가 논리적 모듈들의 네트워크로 배선되어 있다고 생각하지 못했다. 우리는 생명에서 몸(하드웨어)만 보고 정보(소프트웨어)는 보지 못했다. “우리가 보는 것은 물질이지 비트가 아니다. 우리 눈에 보이는 것만으로는 생명 이야기의 절반만을 들을 뿐이다. 만일 우리가 ‘정보의 눈’으로 세계를 볼 수 있다면, 어지럽게 어른거리는 정보 패턴들, 생명의 성격을 규정하는 그 패턴들이 뚜렷하고 선명하게 눈에 확 들어올 것이다.” “생명을 완전하게 설명하려면, 우리는 생명의 하드웨어와 소프트웨어--생명의 분자적 조직성과 정보적 조직성--를 모두 이해할 필요가 있다.”

다행히도 정보의 흐름에 초점을 맞추어 세포의 회로도를 그리려는 ‘시스템생물학(systems biology)’, 생체회로를 설계하고 조립하는 ‘합성생물학(synthetic biology)’ 같은 새로운 생물학의 연구 영역들이 최근 빠르게 성장하고 있다. 폴 데이비스는 컴퓨터공학과 함께 발전하고 있는 ‘정보생물학(information biology)’과 관련해서, 미래의 AI 의사는 조직이 아니라 비트 즉 정보 패턴의 일부를 보고 암을 조기 발견하거나 유전적 결함을 찾아낼 것이라고 예측한다. 치료도 하드웨어를 교체하는 것이 아니라 모듈을 손보거나 재공학하는--코드 몇 개를 다시 쓴 후 업로드하여 세포를 리부트하는 식의--방법을 쓸 것이다.

다윈주의 2.0

생명의 하드웨어와 마찬가지로 소프트웨어도 진화의 과정을 거쳤다. 생물에서 이제까지 간과되었던 정보가 가지는 힘에 대한 새로운 관점을 바탕으로 기존의 진화론을 수정해야 한다는 것이 폴 데이비스가 말하는 ‘다윈주의 2.0’의 골자다. 폴 데이비스가 드는 흥미로운 두 가지 사례를 간단히 살펴보자.

편형동물인 플라나리아는 머리나 꼬리를 잃으면 다시 그 부분을 만들어낸다. 이때 플라나리아의 전기 분극성을 조절하면 잘라낸 꼬리 부분에서 머리가 자라도록 만들 수 있다. 이 머리가 둘 달린 놈을 다시 자르면 놀랍게도 머리 둘 둘린 벌레 두 마리가 된다. 이들의 DNA는 모두 같지만, 표현형은 완전히 다른 종처럼 보인다. 형태 정보는 어디에 저장되고(유전자는 아니다. 모두 동일하니까), 어떻게 다음 세대에 전달되는 것일까? 최근 떠오르고 있는 후성유전학(epigenetics)--생물의 형태를 결정하는 유전자 외의 모든 인자를 연구하는 학문--은 정보 패턴들(전기적 패턴, 화학적 패턴, 유전적 패턴)이 어떻게 상호작용해서 특정 표현형으로 번역되는지에 대해 연구의 초점을 맞추고 있다.

대장균은 먹이로 포도당을 선호하지만 불가피하게 젖당을 먹어야 할 상황이 되면 젖당을 대사할 수 있도록 돌연변이를 일으킨다. 문제는 그 돌연변이 성공률이 우연히 그렇게 될 확률을 크게 웃돈다는 점이다. 혹시 유전체가 경험에서 배워 돌연변이를 선택하는 것일까? 라마르크가 옳았던 것일까? 그렇지 않다. 돌연변이가 무작위적이지 않고 집중적으로 빠르게 일어나는 유전자들이 있을 뿐이다(이를 ‘적응적 돌연변이’라고 한다). “세포가 돌연변이적 해법을 찾아낼 가능성이 높아지는 까닭은 돌연변이를 언제 어디에서 일으킬 것이냐에 대한 지적인 암시를 제공하는 체계를 그 세포의 진화적 과거가 구축해놓았기 때문이다.” 대장균 돌연변이 실험은 자연선택 이론을 논박하는 것이 아니라 다음과 같이 그 이해를 더 심화시켜줄 뿐이다. “자연은 가장 잘 적응한 생물만 선택하는 것이 아니라 가장 잘 적응한 생존전략도 선택한다.”

도깨비 장난 같은 생명과 양자 악마들

생명의 가장 중요한 측면이 정보이고 비트를 조작하는 데 능숙하다면, 생명이 일종의 양자컴퓨터로서 큐비트를 조작하는 법도 익히지 않았을까? 아직 단언할 수는 없지만, 생명이 몇 가지 양자 효과들을 실제로 활용하고 있다는 증거들이 쌓이고 있다. 여기서는 가장 흥미로운 양자 얽힘에 관한 두 가지 사례--광합성과 새들의 길 찾기--를 간단히 소개한다.

식물과 일부 세균은 빛(광자)을 이용해 이산화탄소와 물로 생물질을 만들어내는 광합성을 한다. 깊은 해저의 화산 분화구 근처에 사는 녹색유황세균도 그런 세균 중 하나다. 비록 햇빛이 닿지 않음에도, 이들은 분화구에서 방출되는 극히 희미한 빛을 거의 100퍼센트의 열효율로 이용하여 생존을 이어간다. 이것은 어떻게 가능할까? 광자를 흡수하는 광합성 복합체는 엑시톤(exciton)이라는 양자 입자를 만들어내는데, 이것은 입자이면서 파동의 속성을 가지며 동시에 여러 곳에 있을 수 있는 양자 얽힘을 일으킨다. 복합체 속의 양자 악마는 결맞음 상태를 유지하며 엑시톤이 가능한 모든 경로로 한꺼번에 빠르게 전달되도록 만들기 때문에 에너지 전달의 효율을 극대화할 수 있다.

극제비갈매기는 매년 8만 킬로미터 이상을 날아 극과 극을 여행한다. 이 외에도 많은 새들이 엄청난 거리를 여행하면서 정확히 가야 할 길을 찾아낸다. 이것은 어떻게 가능할까? 유력한 답 중 하나는 새의 뇌 속에 지구의 자기장을 감지할 수 있는 나침반 같은 것이 있기 때문이라는 것이다. 새의 망막에는 크립토크롬(cryptochrome)이라는 망막 단백질이 있는데, 그 전자와 외부의 광자가 부딪히면 얽힌 상태에 있는 두 전자가 선회하면서 자유라디칼을 형성하게 되고, 이 자유라디칼이 망막 속의 다른 분자와 반응하면서 특정한 신경전달물질을 뇌로 보내 미세한 자기장의 변화를 실제로 ‘볼’ 수 있게 된다.

폴 데이비스는 양자역학에 대한 강한 신뢰를 바탕으로, 생물학적 정보 처리과정이 양자역학에 어떻게 의존하는지를 연구하는 양자생물학(quantum biology)이 모든 생명의 비밀을 밝힐 것이라고 긍정적으로 전망한다.

이 외에도 폴 데이비스는 생명의 기원과 관련하여 ‘지구 생명의 화성 기원설’과 ‘그림자 생물권설’, 암이란 다세포 생물이 물리적 스트레스를 받았을 때 단세포 생물로 퇴행하는 것이라는 ‘암 격세유전설’ 등을 살펴보고, 생명이 가진 불가해한 속성 중 가장 놀라운 의식과 마음의 문제, 자유의지 등에 대해서도 논의한다. 책 끝머리에서 폴 데이비스는 생명을 이해할 때 현재의 물리법칙이 가지는 한계를 지적하고, 정보법칙을 포괄하는 새로운 물리학의 필요성을 역설하며 이렇게 끝맺는다. “생명은 물리법칙 안에 내장되어 있는가? 그 법칙들은 장차 생물이 될 것의 설계를 마법과도 같이 담고 있는가? 알려진 물리법칙들이 생명에 유리하게 조작되어 있다는 증거는 없다. … 그러나 내가 이 책에서 추측하고 있는 것 같은 상태의존적이고 새로운 정보법칙이라면 어떨까? 내 직감으로는 그 법칙들이 생명 자체를 미리 예시할 만큼 생명 특이적은 아니었을 것이지만, 넓은 범주의 정보처리 복잡계를 선호했을 것은 같다. 우리가 현재 아는 생명이 바로 그런 복잡계를 두드러지게 대표할 것이다. 우주의 법칙들이 이런 일반적인 방식에서 본래적으로 생명 친화적이라는 생각을 하면 기분이 고양된다.”