장회익 선생님의 새 자연철학에서 자체촉매 국소질서(auto-catalyzing local order, ACLO의 개념은 매우 중요하고 소중합니다. 그런데 자체촉매 국소질서를 이해하기가 쉽지 않은 측면이 있습니다. 제가 제기하는 질문은 장회익의 자체촉매 국소질서를 이와 유사한 카우프먼의 집단 자가촉매집합(collectively autocatalyzing set)과 대비하여 이 두 개념이 어떻게 같거나 다른지 살펴보려는 것입니다.

미국의 의학자-생물철학자-복잡계이론가인 스튜어트 앨런 카우프먼(Stuart Alan Kauffman 1939-)은 1993년에 출간된 저서 The Origins of Order: Self-Organization and Selection in Evolution (1993)에서 스스로 짜임과 진화에서의 선택 문제를 '질서의 창조'라는 맥락에서 설명합니다. 2년 뒤에 나온 At Home in the Universe: The Search for the Laws of Self-Organization and Complexity (1995)는 그 스스로 짜임과 복잡성을 연결시키려는 진지한 시도였습니다.

2019년에는 A World Beyond Physics: The Emergence and Evolution of Life (2019)라는 책을 출간하여 생명의 창발(떠오름)과 진화에 대한 이야기를 다시 체계적으로 전개합니다.

S. A. Kauffman:
The Origins of Order: Self-Organization and Selection in Evolution (1993).
At Home in the Universe: The Search for the Laws of Self-Organization and Complexity (1995).
A World Beyond Physics: The Emergence and Evolution of Life (2019).

자기조직화 또는 스스로 짜임은 영어로 self-organization입니다. 1970년대에 소위 신과학 운동(New Age Science)이라 부르는 사상적 흐름이 있었는데, 거기에서 자주 언급된 특이한 용어입니다. 생명체든 자동차나 컴퓨터 같은 종류의 '기계 machine'의 가장 중요한 특징이 바로 '조직화(짜임) organization'입니다. 그런데 어찌어찌 해서 그런 것이 저절로 생겨날 수 있었다는 주장이 바로 '자기조작화 담론'의 핵심입니다.

저는 장회익 선생님께서 제창하시는 '자체 촉매 국소질서 auto-catalytic local order, ACLO)'가 근본적으로 1970년대에 이야기되던 '스스로 짜임'(자기조직화)의 연장선에 있다고 믿고 있습니다.

장회익 선생님께서도 여러 차례 언급하신 것처럼, '복잡성 과학'(이전에는 '카오스 이론'이라고 부르기도 했습니다. 지금은 훨씬 많은 영역을 아우르면서 명실 공히 새로운 패러다임으로 정립되어 가고 있습니다)이라 부르는 지난 20여년 동안의 접근이 나름의 의의가 있습니다.

장회익 선생님께서 <자연철학강의>에서 언급하신 '최초의 자체촉매 국소질서'는 제가 아는 지식 안에서는 '리보자임'입니다. 1982년 리보자임(ribozyme)이라는 특이한 생체분자가 촉매, 즉 반응의 시작과 끝에서는 드러나지 않지만 자유에너지의 장벽을 낮추어 반응을 촉발하는 역할을 할 수 있음이 발견되었습니다. 2012년 리보자임이 자체촉매 집합을 구성할 수 있음이 실험적으로 밝혀지면서, 지구에서의 생명의 기원에서는 리보자임이 뭔가 중요한 역할을 했음에 틀림없다는 믿음이 지지를 얻게 되었습니다. 리보자임의 특별한 역할을 탐구하던 시드니 앨트먼과 토머스 체크가 1989년 이에 대한 연구 업적으로 노벨화학상을 받기도 했습니다.

https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1989/cech/article/

그런데 리보자임을 비롯한 RNA 세계 가설은 난점을 지니고 있습니다.

카우프먼은 이를 보완하기 위해 '집단 자가촉매집합(Collectively Autocatalyzing Set)'이란 개념을 제안합니다. 그 핵심 개념은 속박조건 닫힘(constraint closure), 일 과제 닫힘(work task closure), 집단 자가촉매 닫힘(autocatalyzing closure), 이 세 가지 ‘닫힘’에 있습니다.

집단 자가촉매집합의 개념은 아래 그림에서 쉽게 볼 수 있습니다. 알파벳으로 표시된 것은 분자이고, 갈래가 있는 점은 반응을 나타냅니다. 검은 실선 화살표는 바탕분자로부터 시작하여 반응을 거쳐 생성분자로 연결됩니다. 점선 화살표는 분자로부터 반응으로 향하는데 어떤 분자가 어떤 반응의 촉매가 되는지 말해 줍니다. 두겹으로 그린 원은 에너지를 방출하는 먹이 집합을 가리킵니다. 먹이 집합(food set)은 전체 반응에서 반응물로 필요하지만 생성물에는 포함되지 않는 것으로서, 대개 외부에서 공급될 수 있는 것을 가리킵니다.

[출처: S.A. Kauffman (2019). A World Beyond Physics: The Emergence and Evolution of Life. p. 9]

2020년 "생명이론들의 비교"라는 제목의 리뷰논문이 나왔습니다. 자가촉매집합, 자체생성, 케모톤, 닫힘, 초순환, 대사순환, (M, R) 시스템, 생명의 기원, 스스로 짜임 등을 키워드로 하고 있습니다. (Keywords: autocatalytic sets, autopoiesis, chemoton, closure, hypercycle, metabolic circularity, (M,R) systems, origin of life, self-organization.)

장회익 선생님의 자연철학적 사유가 어디쯤 위치하고 있는지 가늠해 볼 수 있는 리뷰논문입니다.

Athel Cornish-Bowden, María Luz Cárdenas (2020). Contrasting theories of life: Historical context, current theories. In search of an ideal theory, Biosystems, Volume 188, 104063,
https://doi.org/10.1016/j.biosystems.2019.104063

이 리뷰논문에 따르면, 자가촉매 또는 자체촉매를 강조하면서 생명의 개념을 살핀 초기 접근은 1982년 프리먼 다이슨이었습니다.

Dyson, F. J., 1982. A model for the origin of life. Journal of Molecular Evolution 18(5), 344–350. doi:10.1007/bf01733901.

카우프먼은 1986년에 자가촉매집합 개념을 제안했습니다.

Kauffman, S., 1986. Autocatalytic sets of proteins. Journal of Theoretical Biology, 119(1), 1–24. doi:10.1016/S0022-5193(86)80047-9.

자가촉매 또는 자체촉매(autocatalysis)의 개념은 꾸준히 관심을 모았습니다. 호르데익(Hordijk)과 스틸(Steel)은 2004년 재귀적 자가촉매 집합과 먹이생성 집합(RAF: reflexively autocatalytic and food-generated sets)이라는 개념을 제안했습니다. 기존의 자가촉매 집합의 아이디어가 참신하고 흥미롭긴 하지만, 실제의 세포나 생화학 반응을 설명하기에는 역부족이었고, 무엇보다도 자가촉매 집합의 개념에서는 외부에서 주어지는 분자들에 대한 설명이 따로 없었습니다. 호르데익과 스틸이 제안한 먹이생성 집합은 바로 그렇게 외부에서 주어져서 자가촉매 집합과 결합하여 서로 상대방을 강화합니다.

카우프먼은 자신이 오래 전에 제안하여 여러 사람들이 연구를 심화시킨 자가촉매집합 개념에 ‘집단적’이란 개념을 덧붙입니다. 단지 이 분자와 저 분자가 서로 반응을 하며 그 중 어떤 분자가 다른 반응의 촉매가 되는 것이 아니라 그러한 연결이 전체적으로 완결된 구조를 이룰 때, 이를 ‘집단적(collective)’이라 부릅니다. 이를 더 직접적으로 말하면 ‘닫힘(closure)’이 중요해집니다. 그래서 움베르토 마투라나와 프란시스코 바렐라의 ‘자체생성(autopoiesis)’ 이론을 직접 인용하기도 합니다. 

카우프먼의 자가촉매집합은 에너지 특히 자유에너지를 충분히 고려하지 않았다는 비판을 받았습니다. 2019년의 저서 <물리학을 넘어서는 세계>에서는 2015년에 발표된 마엘 몬테빌(Maël Montévil)과 마테오 모시오(Mateo Mossio)의 연구를 이용합니다. 몬테빌과 모시오는 “속박조건의 닫힘”이라는 특별한 개념을 제안했습니다. 그 세세한 내용은 상당히 복잡하고 정교하지만, 대략 말하면 비평형 과정에서 에너지 풀림에 일정한 속박조건이 부여되며, 동시에 계가 그 속박조건을 구성하는 과정에도 부여됩니다.

Montévil, Maël and Matteo Mossio. (2015). “Biological Organisation as Closure of Constraints.” Journal of Theoretical Biology 372: 179–191. http://dx.doi.org/10.1016/j.jtbi.2015.02.029

Giuseppe Longo & Maël Montévil (2013). Perspectives on Organisms: Biological Time, Symmetries and Singularities. Springer.

카우프먼은 쥐세페 롱고, 마엘 몬테빌, 마테오 모시오 등의 논의를 적극 활용하여 집단적 자가촉매 집합 이론에 대한 비판을 넘어서려 하고 있습니다. 물리학에서 경계조건 또는 초기조건의 문제는 항상 가장 핵심적인 문제로 등장합니다. 뉴턴방정식이나 맥스웰 방정식이나 아인슈타인 중력장방정식처럼 미분방정식의 형식으로 주어지는 일반적인 상태변화의 법칙을 구체적으로 풀기 위해서는 특정 위치에서의 값(경계조건) 또는 특정 시간에서의 값(초기조건)이 별도로 주어져야 합니다. 방정식을 풀어가는 과정에서야 경계조건이나 초기조건을 ‘적당히’ 주면 되지만, 이것이 자연을 서술하기에 적합한가 하는 심도 깊은 논의로 이어지기 위해서는 경계조건이나 초기조건 자체에 대해 깊은 고민이 있어야 합니다. 대표적인 것이 우주의 크기가 어떻게 변화하는가를 다루는 프리드만 방정식의 경우입니다. 방정식 자체는 그럭저럭 풀어낼 수 있지만, 여기에서 가장 어려운 점이 바로 태초의 순간이라 할 수 있는 빅뱅 특이점의 초기조건을 어떻게 부여할까, 또는 현재의 우주의 크기인수를 어떻게 특정할까 하는 문제입니다. 그런데 롱고와 몬테빌과 모시오는 흥미롭게도 생명을 이해하는 데 바로 이 경계조건, 초기조건, 속박조건이 핵심이라는 주장을 펼친 것입니다. 

몬테빌과 모시오의 제안은 ‘과정’과 ‘속박조건’을 구별하자는 것입니다. 과정이란 열린계의 비평형 조건 속에서 일어나는 모든 변화의 집합을 가리킵니다. 속박조건이란 과정들에 작용하면서도 적절한 시간 스케일에서 일정 형태의 보존(즉 대칭성)을 보이는 것을 가리킵니다.

이 대목에서 장회익 선생님의 접근에서 ‘바탕질서’가 ‘구속물’이 된다는 아이디어와 일맥상통하는 점을 발견할 수 있습니다. 이에 대해서는 더 논의가 필요하겠습니다. 실상 바탕질서와 구속물 개념이 롱고-몬테빌-모시오의 논의와 어떻게 같거나 다른지 살펴보는 것은 그 자체로 상당히 어려운 과제입니다.

카우프먼은 여기에다 일 과제 닫힘(Work Task Closure)이라는 세 번째 닫힘 개념을 추가합니다. 일 과제 닫힘은 열기관을 비롯한 기계의 작동방식을 예로 들 수 있습니다. 핵심 개념은 물리학 개념으로서의 '일'과 에너지가 완결적이며, 다시 각 요소들이 어떤 종류의 과제를 해결하기에 알맞도록 서로 맞물리면서 잘 배치되어 있는 것을 가리킵니다. 이렇게 세분화된 개념을 추가하는 이유가 충분히 설득적인 것 같지는 않지만, 카우프먼의 이론에서는 이 세 가지 닫힘이 핵심이 됩니다.

여기에서 세 가지 닫힘이란 (1) 자가촉매집합으로서의 닫힘 (2) 속박조건의 닫힘 (3) 일 과제의 닫힘입니다.

일 과제의 닫힘은 자가촉매집합이 결국 완결된 물질대사를 이룬다는 것과 연관됩니다.

[출처: S.A. Kauffman (2019). A World Beyond Physics: The Emergence and Evolution of Life. p. 59]

이 그림에서 동그란 점은 분자이고, 네모는 반응을 가리킵니다. 이것은 분자세포생물학에서 다루어지는 생명체 내의 생화학 물질대사를 나타냅니다. 여러 효소($C_1 , C_2 , \cdots$) 즉 촉매가 이 생화학 반응들에 개입합니다.

실제의 생화학 물질대사는 대단히 복잡합니다. 아래의 그림은 인간 세포에서 일어나는 물질대사의 흐름을 요약해 주고 있습니다.

(출처: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Human_Metabolism_-_Pathways.jpg )

더 상세하고 정확한 물질대사의 흐름도는 https://www.genome.jp/kegg/pathway/map/map01100.html를 참조할 수 있습니다.

여하간, 결국 이렇게 해서 카우프먼은 아래와 같은 원시세포의 그림을 얻습니다.

[출처: S.A. Kauffman (2019). A World Beyond Physics: The Emergence and Evolution of Life. p. 78]

저의 질문은 다음과 같습니다. 장회익 선생님께서 제안하시는 자체촉매적 국소질서의 개념과 기존의 자가촉매 이론들, 특히 스튜어트 카우프먼의 집단 자가촉매집합의 관계를 어떻게 설정하는 것이 좋을지 알고 싶습니다. 또 장회익 선생님께서 여러 많은 개념들 중 '자체촉매'에 관심을 갖게 되신 계기가 궁금합니다. 이전에 카우프먼의 집합적 자가촉매집합 이론에 대해 언급하신 적이 있긴 하지만, 특히 지난 2019년에 출간된 A World Beyond Physics: The Emergence and Evolution of Life에서 전개되고 있는 더 체계적인 이론을 어떻게 평가하면 좋을지 궁금합니다.

카우프먼뿐 아니라 생화학이나 이론생물학, 나아가 컴퓨터공학과 경제학에서도 폭넓게 응용되고 있는 자가촉매 집합 이론의 여러 갈래들과 장회익 선생님께서 제안하시는 자체촉매 국소질서의 연관에 대해 더 상세하게 이야기하는 것이 유익하리라 생각합니다.

A-World-Beyond-Physics-The-Emergence-and-Evolution-of-Life-Stuart-A.-Kauffman.pdf

cornish-bowden-cardenas2020_theories_of_life.pdf

montevil-mossio2015_closure_constraints_JTB.pdf