2. 생명현상의 이해
1. 물리적 이해 2. 수학적 이해
1. 정보와 엔트로피 2. 혼돈과 질서 3. 협동현상과 떠오름 4. 복잡계와 복잡성
1. 생명현상의 물리적 이해
1-1. 엔트로피와 정보
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계(system)에서 자연현상을 일으키는 본질에 대한 관심과 탐구영역의 변화와 확장
입자(粒子, particle)
장(場, field)
정보(情報, information) 엔트로피(entropy)
대상 구성체의 속성
대상에 내재된 정보력
엔트로피
확률적인 의미를 지니는 정보
변화의 방향을 나타내는 정보
계(system) 내에 변화 확률이 높 은 상태를 낮은 상태보다 엔트로 피가 크다(높다)고 한다. 자발적으로 일어나는 변화
자연계에서 자발적으로 일어나는 다양한 변화는 계(system)의 에 너지를 낮추거나 엔트로피를 높1-1.(Cont.)
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빅뱅(Big-Bang)
우주 탄생 이후로 우주의 진화와 함께 엔트로피는 계속 증가하고 있다.
계와 주위의 전체를 합친 우주 전체의 엔트로피는 증가하고 있다.1-1.(Cont.)
엔트로피의 증가
전체 정보 중 일부 잃어버리는 것정리정돈을 하자!
엔트로피를 감소시키자.
(에너지를 투입하는 일)
1-1.(Cont.)
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탄생과 삶
생명체는 시간이 지날수록 늙어가기만 하고 젊어지지 못한다.(물질의 변형은 다시 원래의 상태로 환원될 수 없는 상태가 됨)
1-1.(Cont.)
삶이란 엔트로피를 감소시키는 과정의 연속이다.
생명체는 생명 유지를 위해 지속적인 에너지공급과 물질대사를 통해 엔트로피를 낮춘다. (영양분 흡수, 호흡, 노폐물 배설)<고령화 가족>
생명 유지를 위해 엔트로피를 감소시키는 노력에도 불구하고 엔트로피는 조금씩 조금씩 증가하고 있다.
1-1.(Cont.)
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2009 노벨상 수상자
엘리자베스 H. 블랙번 캐럴 W. 그라이더 잭 W. 조스택
1-1.(Cont.)
1-2. 혼돈과 질서
혼돈 (결정론적 혼돈)
• 카오스(chaos)
• 예측 불가능(unpredictability) 현상
• 초기 조건에 극히 민감하여 나타나는 현상
• 환경 변화에 대한 유연성을 의미
질서 (결정론적인 것)
• 질서가 있으면 예측 가능하다고 생각함
• 너무 강조하면 환경변화에 경직돼 있음을 의미
• 자연현상 해석에서 질서와 혼돈은 대비되는 개념이 아니라 이중적
혼돈과 질서
혼돈: 초기 조건에 극히 민감하 게 의존하는 혼돈 현상을 과장해 서 표현한 것으로 나비효과가 있 다. 날씨 예측이 어려운 이유가 바로 이 때문이다.11
나비 효과(butterfly effect)
1-2.(Cont.)
카오스 이론
초기 조건에 극히 민감하게 의존 하는 혼돈 현상을 설명하는 이론
물리학에서는 안정된 운동 상태 를 보이는 계가 어떤 과정을 거쳐 서 혼돈 상태로 바뀌는가를 설명 함으로써 혼돈 현상 속에서도 어 떠한 숨겨진 질서가 있다는 것을 밝히려는 이론
생물의 시간 태엽을 다시 풀었다 놓으면 인간은 진화될 수 있는가?1-3.협동현상과 떠오름
협동현상 (cooperative phenomena)
• 구성원들의 상호작용 결과로서 일어나 는 상전이 등의 뚜렷한 상태변화 현상
떠오름 (emergence 창발(創發))
• 구성원들의 협동으로 구성원 하나 하 나에서 볼 수 없는 집단성질이 생겨나
환원론의 문제점
자연현상에 대한 환원주의적 연구는
전체는 부분의 합이라는 관점을 받아들여 부분을 알면 전체를 알 수
있다는 주장이 환원론의 기본 전제이다.
그러나, 협동현상에 의한 떠오름의 성질은 이러한 환원론적기본전제로 설명할 수 없다.
H 2 O 분자 협동현상과 떠오름
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얼음(Ice)과 눈 결정(snow crystal)
수소결합을 하고 있는 H2O 분자가 육각형 구조를 이루어 중간에 빈 공간이 많이 생긴 것
물(water)
H2O 1분자에 H2O 4분자가 수소결합 (생명유지에 필요한 물의 특성이 떠오름)
수증기(water vapor)
H2O 분자간에 있던 수소결합이 끊어진 것
1-3.(Cont.)
Courtesy Wikipedia
생명 : 협동현상에 의해 떠오르는 신비로운 집단성질
1-3.(Cont.)
복잡계(complex systems)
많은 요소와 구성원으로 이루어진 계
구성원 사이에 많은 수의 협동현상(상호작용)이 있는 계 협동현상으로 자기 조직화 됨으로써 떠오름(창발성)을 가진 계 시간의 흐름에 따라 진화하고 펼쳐지는 과정에 있는 계
많은 요소들의 상호 간섭으로 인해서 어떤 패턴을 형성하거나, 예상 외의 성질을 나타내거나, 각 패턴이 각 요소 자체에 되먹 임(feed back) 되는 계
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1-4. 복잡계와 복잡성
복잡계는 그 구성 요소들과는 다른 새로운 복잡한 현상을 나타내지만 나름대로 질서를 보여주는 계(system) 이다.
사전적 의미
• 갈피를 잡기 어려울 만큼 여러 가지가 얽혀 있거나 어수선한 성질
물리학적 의미
• 질서 정연하거나 완전히 무질서하거나 하는 중간 사이에 서 흔히 나타나는 성질
• 엔트로피가 중간 쯤 되는 상태에 흔하고 크게 나타나는 성질
• 변이 가능성이 높은 성질
• 계(system)가 초기에는 복잡성을 보이지 않더라도 시간이 흐르면
복잡성
1-4. (cont.)
프렉탈 (fractal)
• 공간에서 나타나는 이러한 복잡성은 스스로 닮음(self-similarity) 으로 나타나며, 이러한 성질을 지닌 대상을 프렉탈이라 한다.
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1-4. (cont.)
프렉탈을 보여주는 우리나라 남서해안선 구조
신경그물얼개
(neural network)
신경세포들은 매우 많은 수 가 복잡하게 그물얼개를 이 루며 얽혀다.
우리 두뇌에는 신경세포가 대략 수백억에서 천억 개 정 도라고 하며, 각 세포는 평 균적으로 수만 개 가량의 다 른 세포들과 연결되어 있다.
신경세포들이 복잡하게 다른 세포들과 연결돼 있는 그물얼 개도 어느 정도 스스로 닮은 프 렉탈 구조를 가지고 있다.신경세포(neuron cell)들은 시냅스(synapse)로 연결을 하고 있다.
1-4. (cont.)
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DNA 보관 방법
사람의 DNA는 0.01 mm의 세포 크기의 1/10되는 핵 안에 1/10억 m 크기의 염색사(chromatin) 형태로 실패에 실이 감겨 있듯이 감겨보관되어 있다. 이를 풀면 길이가 약 1.8m 정도 된다. 이 좁은 공간에 길고 많은 유전정보를 1/10억 m 로 압축하여 담을 수 있는 방법은 프렉탈구조 뿐이다.
1-4. (cont.)
심장박동소리
인체의 혼돈과 질서 신호
1/f 신호
홑 진동수 신호
