다세포

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[강연] 마음의 진화 _ by이대한 ㅣ 2022 '진화가 필요한 순간' 4강 | 4강

인류는 아주 오래전부터 생명의 기원에 대해 탐구해 왔습니다. 과학적 관점에서 생명은 갑자기 하늘에서 떨어진 것이 아니라, 지구 초기 환경에서 일어난 복잡한 화학 반응의 산물입니다. 특히 심해의 열수 분출구는 지구의 에너지가 분출되는 천연 화학 실험실로서, 무기물로부터 유기물이 합성되고 최초의 원시 세포가 탄생하기에 최적의 장소였습니다. 놀라운 점은 지구가 형성된 후 생명이 출현하기까지 걸린 시간이 우주적 관점에서 매우 짧았다는 사실이며, 이는 적절한 조건만 갖춰진다면 우주 어디에서든 생명이 탄생할 수 있음을 시사합니다. 초기 생명체는 단순한 단세포 형태였으나, 약 20억 년 전 발생한 산소 급증 사건은 진화의 거대한 전환점이 되었습니다. 광합성 세균의 번성으로 대기 중 산소가 늘어나자, 이를 에너지원을 활용할 수 있는 새로운 생명체들이 등장했습니다. 이 과정에서 고세균이 산소를 사용하는 박테리아를 삼켜 공생하는 '세포 내 공생'이 일어났고, 이는 오늘날 우리 세포 속의 미토콘드리아가 되었습니다. 이러한 에너지 혁신은 생명체가 더 크고 복잡한 구조를 갖출 수 있는 물리적 토대를 마련해주었으며, 진핵생물이라는 새로운 가문의 시대를 열었습니다. 에너지를 효율적으로 얻게 된 생명체는 단세포의 한계를 넘어 다세포 생물로 진화하기 시작했습니다. 흥미롭게도 다세포성은 진화의 역사에서 여러 번 독립적으로 나타났는데, 이는 포식자의 위협과 같은 환경적 압박이 주요한 원인이었습니다. 혼자 있을 때보다 여럿이 뭉쳐 덩치를 키우는 것이 생존에 유리했기 때문입니다. 세포들이 군집을 이루고 각자의 역할을 분담하는 분업화가 진행되면서 생명체는 더욱 정교한 기능을 수행할 수 있게 되었으며, 이는 훗날 복잡한 신체 기관과 신경계가 발달할 수 있는 중요한 발판이 되었습니다. 동물의 진화에서 신경계의 출현은 정보 처리의 혁명을 의미합니다. 특히 좌우대칭 체형의 진화는 동물이 일정한 방향으로 전진할 수 있게 만들었고, 이는 앞쪽에서 환경 정보를 먼저 받아들이는 '머리화' 현상을 촉진했습니다. 감각 기관과 이를 처리하는 신경 세포들이 머리 부분에 집중되면서 마침내 뇌라는 정교한 하드웨어가 탄생하게 된 것입니다. 빗해파리와 같은 원시 동물 연구를 통해 알 수 있듯이, 신경계는 아주 오래전부터 생존을 위한 핵심 도구로 발달해 왔으며 이는 인간이 가진 고도의 지능으로 이어지는 긴 여정의 시작이었습니다. 인간의 뇌는 다른 영장류와 비교했을 때 유독 크고 복잡한 구조를 자랑합니다. 특히 고차원적인 인지 기능을 담당하는 신피질의 확장은 인간을 특별한 존재로 만드는 결정적인 요인이 되었습니다. 최근의 유전학 연구에 따르면 인간의 뇌는 침팬지나 원숭이보다 훨씬 늦게 성숙하는 특성을 보이는데, 이러한 '느린 발달' 덕분에 뇌는 외부 환경과 상호작용하며 더 정교한 신경 회로를 구축할 수 있는 시간을 벌게 되었습니다. 결국 인간의 탁월한 지능은 유전적 설계도의 변화와 환경적 요인이 결합하여 빚어낸 진화의 경이로운 결과물이라 할 수 있습니다. 하지만 뇌라는 물리적 기관을 완벽히 이해한다고 해서 인간의 '마음'을 모두 설명할 수 있는 것은 아닙니다. 신경 세포 자체에는 의식이나 감정이 없지만, 수많은 세포가 복잡한 네트워크를 이룰 때 비로소 슬픔이나 의식 같은 고차원적인 현상이 나타나는데 이를 '창발'이라고 부릅니다. 마치 물 분자 하나에는 파도의 성질이 없지만 수많은 분자가 모여 파도를 만드는 것과 같습니다. 인지신경과학은 이러한 뇌의 생물학적 작용과 마음의 현상을 연결하려는 시도이며, 보이지 않는 마음의 실체를 과학의 영역으로 끌어들여 인간 존재의 본질을 탐구하고 있습니다. 결국 마음의 진화를 탐구하는 과정은 우주가 인간이라는 존재를 통해 자기 자신을 들여다보는 거대한 여정과 같습니다. 물질에서 시작된 진화가 생명을 낳고, 그 생명이 뇌를 거쳐 마음과 과학을 탄생시킴으로써 다시 우주의 기원을 묻게 된 것입니다. 과학은 단순히 지식을 쌓는 행위를 넘어, 끊어져 있던 물질과 정신의 고리를 다시 연결하여 우리가 어디에서 왔고 누구인지를 깨닫게 해줍니다. 40억 년이라는 긴 시간 동안 쉼 없이 이어져 온 진화의 물결 속에서, 인간의 마음은 우주를 이해하고 그 신비를 노래하는 가장 아름다운 도구로 자리 잡았습니다.

이대한

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[술술과학] 동물은 식물에서 진화하지 않았다?🌼🐘_식물 EP.02 (식물의 관점#2)

식물과 동물을 구분하는 기준은 시대에 따라 변화해 왔습니다. 과거 아리스토텔레스는 움직임의 유무를 기준으로 삼아 '심겨 있는 것'과 '움직이는 것'으로 생물을 분류했습니다. 하지만 현대 과학의 관점에서 식물을 정의하는 것은 훨씬 복잡한 문제입니다. 광합성 능력, 세포벽의 존재, 다세포성, 그리고 육상 거주라는 네 가지 핵심 키워드를 어떻게 조합하느냐에 따라 식물의 기원은 35억 년 전부터 5억 년 전까지 수십억 년의 편차를 보이기 때문입니다. 결국 식물의 본질을 이해하기 위해서는 그들이 수행하는 가장 중요한 생화학적 과정인 광합성에 주목할 필요가 있습니다. 광합성은 태양의 빛 에너지를 이용해 이산화탄소와 물이라는 화학적으로 매우 안정적인 물질을 포도당과 산소로 전환하는 기적 같은 과정입니다. 이 놀라운 기술을 처음으로 선보인 존재는 가장 단순한 생명체인 남세균이었습니다. 이들은 오늘날 녹조 현상을 일으키는 주범으로 오해받기도 하지만, 실제로는 지구 대기의 화학적 조성을 완전히 바꾸어 놓은 위대한 개척자들입니다. 화학적으로는 폐기물이나 다름없던 물질들을 생명의 에너지원으로 탈바꿈시킨 이들의 등장은 지구 생태계가 형성되는 데 있어 가장 결정적인 사건 중 하나로 평가받습니다. 식물이 광합성을 통해 산소를 배출하기 시작하자, 생명체들은 이 강력한 반응성을 지닌 산소에 적응하며 호기성 세균이라는 새로운 존재를 탄생시켰습니다. 호흡은 광합성 과정을 정확히 뒤집은 역과정으로, 산소를 이용해 양분을 태워 무산소 호흡보다 20배나 높은 효율로 에너지를 얻어냅니다. 이는 식물과 동물이 서로의 생성물을 원료로 사용하는 완벽한 콤비 플레이를 가능하게 했습니다. 태양이라는 무한한 에너지원을 연료로 삼아 꼬리에 꼬리를 물고 이어지는 이 순환 시스템은 지구상의 생명체가 영속할 수 있는 거대한 에너지 장치이자 일종의 영구 기관을 만들어낸 셈입니다. 생명 진화의 제3차 혁명은 세포 내 공생을 통한 진핵생물의 등장입니다. 약 15억 년 전, 호기성 세균이 다른 세포 속으로 들어가 미토콘드리아가 되었고, 이후 남세균이 합류하여 엽록체로 진화했습니다. 이들은 각각 에너지 공장과 광합성 공장의 역할을 맡아 세포의 복잡성을 비약적으로 높였습니다. 흥미로운 점은 세포 내 공생 순서상 미토콘드리아의 정착이 엽록체보다 먼저 일어났다는 사실입니다. 이는 세포 수준에서 볼 때, 식물 세포의 조상이 동물 세포의 조상보다 나중에 출현한, 보다 복잡하고 진화된 형태일 수 있음을 시사하는 흥미로운 대목입니다. 결국 식물과 동물 중 무엇이 먼저인가라는 질문에 대한 답은 우리가 식물을 어떻게 정의하느냐에 따라 달라집니다. 광합성을 하는 생명체를 기준으로 하면 식물이 앞서지만, 세포 내 공생 순서를 따지면 식물 세포가 더 늦게 완성되었기 때문입니다. 그러나 분명한 사실은 식물이 지구 생태계의 실질적인 주인이라는 점입니다. 동물은 식물이 생산한 자원 없이는 단 한 순간도 존재할 수 없지만, 식물은 스스로 에너지를 만들어내며 생명의 근간을 유지합니다. 경계가 흐릿한 진화의 역사 속에서도 식물은 생명이라는 거대한 메커니즘을 실질적으로 장악하고 지탱하는 핵심 축입니다.

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[과학자가 쓴 과학책 #22] 최덕근_지구의 일생ㅣ지구의 역사에서 가장 중요한 것은 이것의 출현?

지구의 역사를 단순히 연대기적으로 나열하는 대신, 한 인간의 일생에 비유하여 바라보는 관점은 매우 흥미롭고 독창적입니다. 지구가 탄생하기 전 태양계가 형성되던 시기를 어머니 뱃속의 아이와 같은 태아기로, 암석 기록이 거의 남아있지 않은 초기 5억 년을 기억이 희미한 유년기로 정의하며 지구의 서사를 시작합니다. 이후 산소가 출현하고 생명체가 다양해지는 과정을 거쳐 현재의 장년기에 이르기까지, 지구는 마치 살아있는 유기체처럼 끊임없는 변화와 성장을 거듭해 왔습니다. 이러한 비유적 접근은 우리가 발을 딛고 서 있는 이 거대한 행성을 훨씬 더 친숙하고 입체적으로 이해할 수 있게 돕는 훌륭한 가이드가 됩니다. 지구 역사에서 가장 결정적인 전환점 중 하나는 바로 산소의 출현입니다. 약 25억 년 전 대기 중에 산소가 쌓이기 시작하면서 지구의 모습은 이전과는 비교할 수 없을 정도로 완전히 뒤바뀌었습니다. 산소는 초기 생명체들에게는 치명적인 독성 가스였으나, 일부 생물들은 이에 적응하여 더 높은 에너지를 얻는 진핵생물로 진화하는 계기를 맞이했습니다. 또한 산소는 지구상 광물의 종류를 폭발적으로 증가시켰으며, 지구 전체가 얼어붙는 '눈덩이 지구' 현상을 유발하여 생명계의 거대한 변혁을 이끌어내기도 했습니다. 이처럼 산소는 단순한 호흡의 수단을 넘어 지구 시스템 전체를 재편한 가장 강력한 동력이었습니다. 암석은 생성 당시의 환경을 고스란히 간직하고 있는 타임캡슐과 같습니다. 겉보기에는 평범하고 딱딱한 돌덩이처럼 보이지만, 그 속에는 당시의 수심, 물의 흐름, 산소 농도와 같은 구체적인 정보가 담겨 있습니다. 예를 들어 암석의 색깔이 붉다면 산소가 풍부했음을, 검은색이라면 유기물이 풍부한 무산소 환경이었음을 짐작할 수 있습니다. 또한 알갱이의 크기와 모양을 통해 물의 흐름이 얼마나 강했는지, 퇴적물이 얼마나 멀리서 이동해 왔는지를 정밀하게 분석할 수 있습니다. 지질학자는 이러한 물리적 증거들을 바탕으로 수억 년 전의 풍경을 복원하고 지구의 비밀을 하나씩 풀어내는 탐정 역할을 수행합니다. 한반도의 형성 과정 역시 지구 역사의 역동성을 보여주는 훌륭한 사례입니다. 5억 년 전 얕은 바다에서 살았던 삼엽충 화석이 오늘날 태백산과 같은 높은 산지에서 발견되는 것은 땅덩어리가 끊임없이 움직이고 충돌하며 솟아올랐음을 증명하는 명백한 증거입니다. 과거에는 한반도가 어떤 과정을 거쳐 만들어졌는지 명확히 알기 어려웠으나, 판구조론의 등장과 지속적인 연구 덕분에 그 거대한 형성사의 그림이 점차 뚜렷해지고 있습니다. 우리 땅의 암석을 조사하는 것은 결국 수억 년 전 한반도가 겪었던 격동의 세월을 추적하는 탐험이며, 전문가들만이 알기에는 너무나 아까운 흥미진진한 역사 이야기이기도 합니다. 현대 지질학은 단순히 암석 자체를 연구하는 단계를 넘어, 암석과 물, 대기, 그리고 생명체의 상호작용을 통합적으로 이해하는 방향으로 발전하고 있습니다. 과거에는 생물의 유무에 따라 시대를 구분하는 데 그쳤으나, 이제는 지구 시스템 전체의 변화를 추적하며 암흑기로 여겨졌던 명왕누대나 시생누대에 대한 지식도 비약적으로 늘어났습니다. 지구를 고립된 땅덩어리가 아닌, 다양한 요소들이 얽혀 영향을 주고받는 유기적인 시스템으로 바라보는 시각이 현대 지구과학의 핵심입니다. 이러한 학문적 성숙 덕분에 우리는 직접 볼 수 없었던 아주 먼 과거의 지구 환경까지도 논리적으로 재구성할 수 있게 되었습니다. 지구의 미래를 예측해 보면, 인간의 노년기처럼 지구 역시 쇠퇴의 과정을 겪게 될 것입니다. 태양이 점점 밝아짐에 따라 수십억 년 후에는 지구의 바다가 모두 증발하고 미생물조차 살 수 없는 환경이 될 것으로 보입니다. 이는 지구가 다시 초기 유년기의 모습으로 돌아가는 것과 같으며, 나이가 들면 다시 어린아이가 된다는 인간의 삶과도 닮아 있습니다. 탄생과 성장, 그리고 소멸로 이어지는 이 거대한 순환 속에서 지구는 영원한 존재가 아님을 깨닫게 됩니다. 이러한 통찰은 우리에게 지구라는 행성이 가진 유한함과 그 역사적 가치를 다시금 생각하게 하며, 현재의 환경이 얼마나 소중한지 일깨워 줍니다. 우리가 현재 지구에서 살아가고 있다는 사실은 지질학적 관점에서 볼 때 엄청난 행운입니다. 적당한 온도가 유지되고 산소가 풍부하며 다양한 생명체가 공존하는 지금은 지구의 일생 중 가장 풍요로운 '장년기'에 해당하기 때문입니다. 인류의 역사는 지구 전체의 역사에 비하면 찰나에 불과하지만, 우리는 지질학이라는 도구를 통해 지구의 장구한 세월을 이해하고 감동할 수 있는 유일한 존재입니다. 지구의 일생을 되짚어보는 일은 결국 우리가 누리는 이 평화로운 환경에 대한 경외심을 갖게 하며, 100년도 채 살지 못하는 인간이 거대한 우주적 시간 속에서 행복을 찾는 소중한 계기가 됩니다.

최덕근

카오스재단읽다과학

지구환경과학

[석학인터뷰] 장대익 _변신은 팩트다! | 2019 카오스콘서트 '변신, 기원이야기'

찰스 다윈의 '종의 기원' 초판 번역본이 오랜 기다림 끝에 세상에 나왔습니다. 다윈은 흔히 천재 과학자로만 기억되지만, 사실 그는 의대를 중퇴하고 가문의 수치라는 말을 들을 정도로 불투명한 미래를 가졌던 인물이었습니다. 하지만 그는 자신이 꽂힌 연구에 10년 넘게 매달리며 수천 페이지의 기록을 남길 만큼 지독한 끈기를 보여주었습니다. 따개비 연구에 매진하며 지루함과 싸우면서도 끝내 성과를 이뤄낸 그의 모습은 과학의 또 다른 이면인 인간미를 잘 보여줍니다. 이러한 다윈의 철학이 담긴 초판이 독자들에게 유려한 문장으로 전달되어 생명 진화의 본질을 이해하는 길잡이가 되기를 바랍니다. 외계인의 시선으로 지구 40억 년의 역사를 되돌아본다면 생명의 진화에서 가장 결정적인 순간 세 가지를 꼽을 수 있을 것입니다. 첫 번째는 자연선택이 작동할 수 있는 토대가 된 최초의 복제자가 등장한 시점입니다. 두 번째는 단세포 생물이 다세포로 진화하며 생명의 다양성이 폭발적으로 증가한 순간입니다. 마지막으로 가장 화려한 변화를 이끌어낸 것은 성의 탄생입니다. 암수가 만나 유전자 칵테일을 만들며 다양성을 극대화한 이 사건은 지구를 밋밋한 행성에서 어마어마하게 화려하고 역동적인 생명의 장으로 탈바꿈시켰습니다. 이러한 과정은 생명이 단순히 존재하는 것을 넘어 진화의 동력을 얻었음을 의미합니다. 영장류의 가장 큰 특징은 조직 생활을 한다는 점이며, 그중에서도 인간은 가장 크고 복잡한 집단을 이루며 살아갑니다. 인간이 문명을 건설할 수 있었던 비결은 단순히 뛰어난 과학 기술 덕분이 아니라, 타인을 배려하고 그들의 의도를 파악하는 '초사회성'을 진화시켰기 때문입니다. 집단이 커짐에 따라 발생하는 분업의 이점을 누리기 위해서는 타인의 마음을 읽고 공감하는 능력이 필수적이었습니다. 이러한 사회적 지능은 인간을 유일하게 고도의 문명을 가진 종으로 만들었습니다. 결국 문명이란 타자를 받아들이고 집단을 키워나가는 과정에서 탄생한 배려와 협력의 결과물이라고 할 수 있습니다. 인공지능(AI)의 발전은 인류에게 새로운 질문을 던집니다. 우리가 기술과 공존할 수 있는 이유는 그 기술이 인간의 고유한 가치를 위협하지 않을 때 가능합니다. 만약 인공지능(AI)이 단순한 도구를 넘어 인간의 본질적인 측면인 의사결정이나 창의성 영역에서 인간을 압도하게 된다면, 이는 단순한 도구가 아닌 경쟁 대상이 됩니다. 따라서 우리는 인공지능(AI)이 인간의 본성을 보완하는 존재가 될 것인지, 아니면 우리의 자리를 대체하는 위협이 될 것인지에 대한 기로에 서 있습니다. 기술과의 조화로운 미래를 위해서는 경쟁이 아닌 화합의 방식을 설계하는 지혜가 필요하며, 이는 우리가 인공지능(AI)을 어떻게 정의하느냐에 달려 있습니다. 인류의 수많은 지식인은 세상의 근본 물질이 무엇이며 그것들이 어떻게 변화하는지에 대해 끊임없이 질문해 왔습니다. 우리 주변의 모든 것은 변하며, 변하지 않는 것은 아무것도 없다는 사실은 부정할 수 없는 진리입니다. 바위조차 시간에 따라 침식되듯 변신은 우주의 보편적인 현상이며, 이를 설명하는 것은 과학의 핵심 과제입니다. 천문학, 물리학, 생물학이 만나 변신의 원리와 그로 인해 만들어지는 패턴을 탐구하는 초학제적 시도는 세상을 이해하는 새로운 시각을 제공합니다. 이러한 통합적 탐구는 우리가 발을 딛고 있는 이 변화무쌍한 세계의 본질을 꿰뚫어 보는 힘이 되어줄 것입니다.

장대익

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