생물학 및 물리학
물리학과 생물학은 각각 자연 세계와 생물학적 세계의 신비를 푸는 학문입니다. 그러나 이 두 분야가 컴퓨터에 대해 생각하는 방식에는 상당한 차이가 있습니다. 우주의 기원인 빅뱅을 컴퓨터로 계산하고 있다고 하면 훌륭한 물리학 연구이지만, 컴퓨터로 생명의 기원을 계산한다고 하면 생물학자들이 비웃을 것입니다.
보통의 생물학자에게는, 계산에 의해 창조된 세계와 실제 생명체의 세계는 완전히 양립할 수 없습니다.
물리학에서 새로운 기본 입자는 이론적 계산에 의해 예측되고 실험에 의해 검증되었습니다.
그러나 생물학은 여전히 다작의 학문이고 경험적 지식이 원리로 체계화되지 않았으며 생물이기 때문에 계산할 수 없다는 고정관념으로 치부하는 것은 위험하다고 볼 수 있습니다.
물리학은 17세기에 큰 발전을 이루었습니다. 생물학에서는 20세기 말에 다양한 유기체의 게놈 DNA 염기서열을 읽을 수 있게 되었습니다. 17세기에 좋은 망원경이 만들어지고 천체 관측이 가능해지면서 물리학이 큰 발전을 이룬 것처럼, 생물학도 큰 발전을 이루고 있습니다. 삶의 원리를 체계화하고 삶을 계산하는 것도 21세기의 꿈이 아닙니다.
물질 및 정보
삶에는 물질적인 측면과 정보적인 측면이 있습니다. 인간은 죽으면 자연으로 돌아간다고 하지만, 우리 몸을 구성하는 물질은 자연에 존재하는 다른 물질과 다르지 않습니다. 그러나 살아 있다는 것이 무엇을 의미하는지 생각해보면 그것은 여전히 정보의 소유가 아닐까요?
과학에는 환원주의적 사고방식이 있습니다.
우리는 물질이 원자로 구성되고 원자가 기본 입자로 구성되는 것과 같이 자연계를 구성하는 가장 기본적인 요소를 찾기 위해 더 낮은 수준에서 사물을 차례로 봅니다. 그리고 환원주의는 상위 수준의 현상을 하위 수준의 원리로 이해하는 것입니다. 우리가 삶을 정보의 집합체(정보 시스템)로 생각할 때, 우리는 정보의 위계가 있기 때문에 환원주의적 관점을 취할 수 있습니다. 사다리의 맨 아래에는 분자 또는 유전 정보가 있습니다.
20세기 후반에는 생명과학이 분자생물학의 전성기를 구가하고 있었습니다. 이것의 근저에는 생명의 기능을 분자와 유전자의 기능으로 이해할 수 있다는 환원주의라는 생각이 있습니다. 예를 들어, "유전자의 돌연변이를 이해하면 질병의 원인을 알 수 있다"거나 "유전자를 변화시킴으로써 종의 진화를 이해할 수 있다"는 주장이 있습니다. 환원주의의 궁극적 형태로서 1980년대 말에 시작된 인간 게놈 프로젝트(Human Genome Project)는 "전체 게놈 또는 전체 유전자 세트를 밝히는 것은 생명의 청사진을 드러내는 것"이라고 말합니다.
유전자가 생명의 기본 구성 요소인 것은 사실입니다. 그러나 모든 부품의 정보를 알고 있어도 즉시 살아있는 시스템을 만드는 것은 불가능합니다. 이는 구성 요소가 어떻게 결합되어 살아있는 시스템을 형성하는지와 같은 정보 구성의 원리가 아직 잘 이해되지 않았기 때문입니다.
상호 작용의 개념
그렇다면 현재 생물학에서 놓치고 있는 것은 무엇일까요? 생각해보기 위해 물리학과 비교해 봅시다.
오늘날 입자 물리학에는 표준 모형이라는 이론이 있습니다. 요점은 물질의 가장 낮은 구성 요소인 기본 입자에는 물질을 구성하는 입자와 힘을 전달하는 입자의 두 가지 유형이 있다는 것입니다. 다시 말해, 우리는 물질의 기초를 형성하는 입자를 가지고 있을 뿐만 아니라, 그것들을 연결하는 힘이 없다면 자연계는 존재할 수 없을 것이다. 즉, 상호 작용이 핵심입니다.
그렇다면 생물학 분야에서 유전체의 뉴클레오티드 염기서열 정보가 밝혀지면 유전자의 각 부분이 완전하다는 것은 사실이지만, 그 부분들을 어떻게 조합하여 생명을 만들 수 있을까요?
다시 말해, 게놈은 부분들 사이의 상호작용에 대한 모든 정보를 담고 있을까요? 생물학자들 역시 이것에 대해(또는 오히려 그들의 믿음에 대해) 의견이 분분합니다.
게놈에는 유전자를 언제 어떻게 사용해야 하는지와 같은 발현 조절 정보도 포함되어 있기 때문에 게놈이 전부라고 믿는 생물학자가 많습니다.
그러나 우리 각자는 지금까지 태어나고 자란 게놈의 DNA에서 출발한 것이 아닙니다. 부모 세포에서 시작했습니다. 우리가 부모로부터 물려받은 것은 게놈뿐만 아니라 세포 전체입니다. 따라서 생명의 시스템 청사진은 전체 세포에 기록되어 있으며 게놈은 그 일부일 뿐임을 알 수 있습니다. 애초에 생명은 역동적인 정보 시스템이고, 게놈에 쓰여진 정적인 정보만으로 이해할 수 있다고 생각하는 것은 조금 무리입니다.