인투 더 쿨 - 에너지 흐름 열역학 그리고 생명 -

“에너지는 단지 생명이다.”
- 윌리엄 블레이크

 생명은, 과학적으로 말하면,
에너지와 그것의 변형에 의해서 통제되는
 복잡한 일련의 시스템 중의 하나이다.
생명은 반복될 수 있는 실험이 아니다.
어떤 것도 정확하게 똑같이 두 번은 일어나지 않는다.

수많은 과학자는 물론 신학자와 철학자까지 모두 ‘왜 우리가 여기에 있는가?’, ‘우리는 과연 어디로 가는가?’ 같은 질문과 씨름한다. 과학적인 연구에서 이런 질문에 대한 해답을 찾는 것은 이해하기 어렵지만, 이 책의 저자 슈나이더와 세이건은 웅변적이고 창조적인 이 책에서 그 질문에 대한 답을, 놀랍게도 ‘열역학 제2법칙’에서 발견한다. 열역학 제2법칙은 에너지가 한 곳에 집중되는 것에서 시간이 지남에 따라 확산되는 것을 뜻한다. 저자들은 이제 진화, 생태, 경제, 심지어 생명 그 자체의 배후에서 열역학 제2법칙이 어떻게 작동하고 있는지 보여준다.
“자연은 구배 차이를 혐오한다”는 중요한 교훈을 되새기면서, 이 책은 복잡한 시스템이 어떻게 원자 혼란을 지향하는 세계에서 확대되고 또 재생산되는지 상세히 설명한다. 지구상의 허리케인부터 다른 행성의 생명체에 이르기까지, 평형을 향한 이끌림은 생물의 분자 기반과 살아있는 복잡한 시스템의 정교한 구조에서 생명의 정점을 지배한다. 저자는 에너지 흐름 뒤에 있는 기본 물리학에 대한 설명으로 시작해, 생명에서 에너지의 역할로 이동한 다음, 에너지 흐름의 개념을 정치, 경제, 심지어 인간의 노화와 건강에 적용하는 마지막 장으로 이동하면서 접근하기 쉬운 방식으로 독창적이고 놀라운 주장을 펼친다.
다윈이 모든 생명의 공통 조상을 보여줌으로써 이 세상을 뒤흔들었다면, 존재의 조직 원리에 대해 궁금해 하는 모든 사람들이 읽어야 할 이 책 『인투 더 쿨Into the Cool』은 복잡하고 조직적이며 자연적으로 기능하는 모든 시스템의 에너지 흐름에서 공통의 뿌리를 보여줌으로써 그 흐름을 방해하고 또 기쁨을 주는 놀라운 힘을 인본주의자와 과학자 모두에게 보여줄 것이다.
이 책은 열역학 내용을 주로 설명하는 학술서의 한계에서 벗어나, 전문적인 지식 없이도 간단히 에너지 흐름의 정의를 통해 생명의 기원, 목적, 과정 및 미래까지 예측할 수 있게 친절하게 도와준다. 동시에 전공자를 위해서는 생명과 주변 환경을 이해하는 데 열역학이라는 도구를 사용할 수 있다는 신선한 탐구 주제를 제안한다. 이는 에너지에 관심 있는 모든 사람들의 이해의 폭을 확장시키고, 인류가 현재 당면하고 있는 여러 현실적인 문제(예를 들면 지구 온난화, 부패하는 경제, 민주주의 타락 등)의 해결을 위한 창의적 아이디어를 제공하기에도 유익하다. 새로운 이해 도구로 열역학을 사용하여 각 생명체 간의 이해와 긴밀한 상호 작용을 알아가고 올바른 사회현상을 운영하며 평가할 수 있는 정치/철학적인 방향도 스스로 제안한다는 점이 이 책의 중요한 장점 중 하나가 될 것이다.

생명의 열역학, 비평형 열역학
: 자연은 구배 차이를 싫어한다.

열역학은 에너지의 흐름을 연구하는 학문으로 증기기관을 연구하면서 시작되었다. 에너지 흐름이 복잡한 구조, 즉 그들의 주변 환경과 분리되어 스스로를 유지하는 것처럼 보이는 구조, 그들이 만들어내는 유체들을 재활용하는 구조, 변하고 더 나아가 성장하는 경향을 가진 구조들이 어떻게 만들어지고 작동하는지 연구한다. 놀랍게도, 우리 자신도 이런 구조 중의 하나이다. 즉 생명을 포함하는 복잡한 구조를 인식하기 시작할 때, 현재 논의 중인 열역학은 ‘생명의 열역학’으로 표현된다. 실제로 이런 과학은 생명 그 이상을 설명한다. 자연의 복잡한 구조물은 물론 세탁기부터 건설노동자까지 그 범위가 끝없이 확대된다. 이런 과학의 또 다른 이름은 ‘개방형 시스템 열역학’이며 대개 ‘비평형 열역학(NET)으로 알려져 있다.
우리가 ‘생명’이라고 부르는 육체와 영혼은 에너지 변형의 복잡한 순환 과정들, 단지 이후의 유전자들을 발달시켰던 순환 과정으로부터 기인한다. 이 책을 읽는 독자들은 생명을 단지 생명적 현상으로만 편협하게 보지 않고, 과학적 눈높이를 확장시키길 바란다. 생명은 팽창, 분류를 증가와 같은 한 방향으로 향하는 과정을 나타낸다고 볼 수 있다. 따라서 생명을 에너지 흐름과 이의 종합적으로 관련된 개방된 자연시스템으로 고려하면 이해하기가 더 쉽다.
열역학에서 시작된 에너지 흐름의 과학은 오늘날 유기생명체의 성장과 발전, 초기 생명의 기원과 역사, 생태계 발전은 물론 어떻게 하면 인류가 지구상에서 오래 살아남을 수 있는지에 대한 답을 제시한다. 자연이 구배 차이를 싫어한다는 생각, 이 책의 주요한 생각들 중 하나는 매우 단순하다. 구배 차이는 거리 간의 단순한 차이(예를 들어 온도, 압력 혹은 화학농도의 차이)이다. 구배 차이들에 대한 자연의 두려움으로 그 차이들이 자발적으로 제거되어지는 경향이 생겼을 것이다. 이는 복잡한, 성장하는 시스템에 의해 가장 그럴듯하게 일어날 것이다. 구배 차이를 없앤다는 이 간단한 개념이 열역학이란 어려운 과학을 대표하지만, 엔트로피의 개념에 대한 신비를 벗겨내면 생명을 포함한 모든 복잡한 구조와 과정들이 어떻게 자연적으로 발생하는지도 밝혀준다.

1부 활동성
: 모든 것은 흘러 아무것도 남아 있지 않다. -헤라클레이토스

1부에서는 차가워지는 뜨거운 물체를 관찰하는 열역학의 초라한 기원에서부터 구배에 기인한 열역학의 발전을 추적한다. 이는 슈뢰딩거와 함께 시작한다. 열역학 제2법칙에 따라 확장되는 에너지의 경향은 자연 내의 복잡한 조직, 즉 살아있고 살아있지 않은 모두를 돕는다.
“과학자는 그가 무지하다는 것을 완전히 알 때까지 점점 더 모르는 것에 대해서 더욱더 배우려고 노력하는 사람이고, 철학자는 더욱더 아는 것에 대해서 그가 아는 것을 잃어버리고 무지해질 때까지 점점 더 모르는 것을 배워가는 사람”이라는 농담이 있다. 모든 것을 설명하는 이론은 아이러니하게도 아무것도 설명할 수 없다. 생명의 경우, 신경을 써야 하는 곳은 화학의 언어로 적히는 한정적으로 세세한 부분이 있을 수 있다. 그 규칙들 중의 규칙은 열역학 제2법칙이다. 제2법칙은 낮은 에너지의 분자 간 결합과 그 에너지를 끊임없이 소진하는 순환의 네트워크를 위해서 선택하는 화합물을 선별하도록 구조를 만든다.
우주나 생명이 항상 우연히 과거와 연결되어 있는 미래로 발전되는 그 순간 그런 드문 사건들은, 카우프만의 말처럼, 미리 앞서 예측할 수 없다. 카우프만의 관점은 『존재의 참을 수 없는 가벼움』에서 소설가 밀란 쿤데라가 말한 것처럼, 사건은 결코 정밀하게 같은 방식으로 또다시 일어나지 않지만, 결코 반복되거나 다시 회복되지 않고 무한히 분산된 구름처럼 붕 떠서 부유하게 될 것이라고 한다. 생명은 반복될 수 있는 실험이 아니다. 어떤 것도 정확하게 똑같이 두 번은 일어나지 않는다. 여기서 우리는 얼마나 많은 견해들이 엔트로피의 열역학적 공식화에 빚을 지고 있는지 인지할 수 있다.
살아있는 신체와 방금 죽은 시체는 전혀 다르다. 시체는 특별한 비선형의 열역학적 과정이 멈추기 때문이다. 모든 것이 가만히 있도록 노력해보자. 우리는 결코 그렇게 할 수 없다. 대개 유기생명체는 죽음으로써 마침내 가만히 있게 된다. 에너지를 활동적으로 가동시키는 순간, 그 즉시, 그것을 이용하게 된다. 잘 발달된 정글은 내부의 구성 물질을 잘 보존하고 있다. 죽은 곤충이나 나뭇잎은 아마존 열대 우림같이 완숙한 생태계의 밑바닥에 떨어질 때, 이 분자들은 청소되고 새로운 생명체로 재탄생하여 순환된다. 자연에는 휴지통이 없다. 모든 것은 우아하게 사용된 후 재활용된다. 이는 유기생명체가, 비록 영혼이 없다고 하더라고, 상대적으로 무한한 에너지의 환경에서 유한한 물질을 이용하도록 진화하였기 때문이다. 유기생명체가 회복할 수 없는 쓰레기는 열, 즉 에너지 변형의 최종 상태일 뿐이다. 에너지는 흐르고, 물질은 순환된다.

2부 복잡성
: 생명의 시공간 구조는 에너지 흐름의 결과 발생한다. -매완 호

2부에서는 살아있지 않은 복잡한 시스템을 탐구한다. 온도에 의해서 좌우되는 베나르 세포, 야생의 자기 조립화하는 화학 반응들, 공기압으로 조직화하는 토네이도를 포함한다. 자발적으로 발생하는 이 복잡한 시스템은 구배 차이, 즉 압력, 온도, 화학농도에서 측정 가능한 차이에 의해서 성립된다.
별, 세포, 소용돌이 등의 기능 조직은 근원에서 배출구에 이르는 에너지의 끊임없는 흐름을 요구한다. 시스템에 부과된 구배 차이는 필수적이나 복잡한 조직의 유지를 위해서는 충분하지 않다. 혼돈으로부터 출현하여, 형태들이 나타난다. 그것의 모든 기능은 그들이 유도하는 흐름을 증가시키는 것이다. 이들 생명 없는 소용돌이들은 자연의 배 위에서 돈다. 떠오르는 형태들의 열역학이 바로 여기에 있다. 그것은 단지 생명의 방식만이 아니다. 왜냐하면, 그것은 생명 그 이상이기 때문이다. 이는 바로 자연의 방식이다.

3부 생명
: 인생에서 두려워할 것은 없다. 그것은 단지 이해될 뿐이다. - 마리 퀴리

 이 책의 핵심 부분이라고 할 수 있다. 아마도 생명은 에너지 흐름이 드러난 지역에서 조직의 자연스런 증가가 가능하여 지구상에서 출현하게 되는 그 순간, 양쪽 온도와 황 농도의 구배 차이들을 제공하는 깊은 바다 밑에서 배출되는 광물 표면을 따라 일어났었을 것이다.
여기서는 생태학의 역사를 간단히 논의한 후, 생태계의 시스템들이 어떻게 다른 NET 시스템처럼 행동하는지 비교하교 데이터를 정리한다. 생태계는 비평형 에너지를 소산해가는 과정이다. 즉 생태계는 거대한 구배 차이의 감소자이다.
생명은 에너지에 의해서 연결되고, 그것의 존재 여부에 따라 달려 있고, 그것에 의해 세밀하게 조직화된다. 그러나 늘 그렇게 분명한 것은 아니다.

4부 인간
: 주름이 하나밖에 없었고, 나는 그 위에 앉아 있었다. -진 칼멘트

 우리가 어떻게 NET가 경제, 인류 복지, 많은 가능성을 내재한 활동적 우주 내에서 지구(우리의 존재)를 더 잘 이해하는 데 도움을 주는지를 이해하게 된다. 여기서는 생태학에서 진화로 주제를 옮긴다. 기후 변화와 화산폭발 같은 대재난으로 대량 멸종의 수많은 지질학적 시기들을 거치는 충격에도 불구하고, 지구상의 생명은 전반적인 에너지 사용, 저장, 순환의 새로운 기준에 도달하는 경우마다 잘 회복해 왔다. 구배 차이에 대한 접근성은 인지 능력의 향상으로 개선되기 때문에, 지능의 증가는 그 모두를 다 사용하지 않고 우선 쇠퇴하는 자원을 먼저 사용한 후 성장을 선별적으로 촉진하는 진화적 경향이라고 할 수 있다.
구배 차이를 소멸하는 다른 생명은 물 없이 존재할지도 모른다. 그러나 가까운 구배 차이나 그들의 에너지 흐름 없이 살아갈 수 있는 종은 과학소설의 상상력조차도 한계에 이르게 만든다. 일상의 언어는 연결을 주장한다. 사는 것은 단지 존재하는 것이 아니라, 어떤 일을 하고 느끼고 경험하는 것이다. 그것이 바로 행동이나 신진대사의 목적일 것이다. 결론적으로 말하면, 인간의 삶은 에너지의 전 과정이다. 그처럼 그것은 구배 차이에 근간을 둔 열역학에 의해서 더욱 명확해진다.

지은이 : 에릭 D. 슈나이더
미국 해양대기청의 수석 과학자이자 미국 환경보호청의 국립 해양 수질 연구소의 책임자로 일했다.
도리언 세이건 : 유전체의 획득Acquiring Genomes: A Theory Of The Origin Of Species』 『용에서 위로Up from Dragons: The Evolution of Human Intelligence』의 공동 저자다.

옮긴이 : 엄숭호
미국 코넬대학교에서 생명공학 석.박사 학위를 받고, MIT 연구원을 역임하였다. 2011년부터 성균관대학교 교수로 재직 중이다. 한국생물공학회 홍보이사로 활동하면서 생명과학의 대중화를 위한 과학, 환경, 건강 분야 칼럼을 쓰고 국내외 좋은 글을 소개하기도 한다.
2017년 영국 왕립화학회 MRSC 회원으로 선출되었으며 유전자 기반의 첨단 생체소재 개발과 이들의 의약학적 응용 등에서 다수의 논문을 네이처에 발표하였다. 그 업적을 인정받아 미국 재료학회 상, 미국 물리학회 MILTON VAN DYKE 상, 한국생물공학회 신인학술상 등을 받았다.
36억 년 전부터 우리 인간의 몸속을 타고 내려온 심오한 유전언어에 귀를 기울여 사회 전반에 누적된 다양한 갈등과 소통의 문제를 해결하고, 함께 어울려 살 수 있는 신(新) 유토피아를 꿈꾸고 있다. 이의 실현을 위하여 꾸준히 도서 집필과 연구 및 교육 활동에 힘쓰고 있다.

들어가는 말
 감사의 말
 서론: 환경보호청(EPA)의 문제

1부 활동성(The Energetic)
제1장 슈뢰딩거의 역설
 제2장 단순함
 제3장 불의 눈: 고전 에너지 과학
 제4장 우주의 도박장: 통계역학
 제5장 자연은 구배 차이를 혐오한다
 제6장 강물은 흘러야 한다: 열린 시스템들
 제7장 너무 많은, 충분하지 않은: 순환들

2부 복잡성(The Complex)
제8장 소용돌이치는 세계
 제9장 물리학 자신의 “유기생명체들”
제10장 소용돌이와 날씨

3부 생명(The Living)
제11장 열역학과 생명
 제12장 브림스톤의 기원들
 제13장 파란색 행성이 멍들어간다
 제14장 스트레스하의 퇴행
 제15장 나무의 비밀
 제16장 인투 더 쿨: 냉기 속으로
 제17장 진화의 트렌드

4부 인간(The Human)
제18장 건강, 활력, 그리고 수명
 제19장 경제학
 제20장 생명의 목적

 부록: 열린 열역학 시스템들의 순환들
 옮긴이의 말
 참고문헌들
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