생물속생설

생물이 발생하기 위해서는 반드시 그 어버이가 있어야 한다고 생각하는 이론으로서 생물기원설(生物起源說)이라고도 한다.

생명의 발생에 관한 가장 오래된 설은 자연 발생설로서, 약 2천년 전 아리스토텔레스가 처음 가설을 제기했을 때부터 1862년 파스퇴르에 의해 생물 속생설이 증명될 때까지 많은 사람들로부터 지지를 받았다. 자연 발생설은 생명은 자연계에 존재하는 무생물로부터 저절로 생겨난다는 학설로서, 심지어 활력에 의해 흙에서도 우연히 생명이 생겨날 수 있다고까지 주장하였다.

자연 발생설에 대조되는 생명의 발생설로서 생물 속생설이 있는데 이 학설은 생명은 이미 존재하고 있던 생물로부터 발생한다는 주장을 한다. 많은 과학자들이 자연 발생설에 대해 의문을 품고 다양한 실험을 통해 생명의 발생을 연구하였는데 파스퇴르의 실험은 그 가운데 하나이다.

1862년 프랑스의 루이스 파스퇴르(Louis Pasteur)는 플라스크에 유기물 용액을 넣고 플라스크의 목을 열처리하여 S자 형으로 가늘게 뽑은 후 유기물 용액을 끓여 공기 중에 방치하였다. 며칠이 지나도 끓인 유기물 용액에 미생물이 발생하지 않았으나 S 자 관의 목 부분을 잘라 방치하면 유기물 용액에 미생물이 발생하는 것을 관찰하였다. 실험의 결과를 바탕으로 파스퇴르는 플라스크 내의 유기물 용액에 미생물이 발생하는 것은 공기 중에 존재하는 미생물이나 포자 때문이라고 설명하였다. 아울러, 생명은 자연 발생되는 것이 아니라 반드시 존재하는 생물로부터만 생성된다는 생물 속생설을 확립하였다.

파스퇴르에 의해 주장된 생물 속생설이 의미를 가지게 되는 근거는 다음과 같다. S자 관을 통해 생명의 자연 발생에 필요한 산소가 공급되었는데도 유기물 용액에 미생물이 생기지 않는 것과, 목 부분을 잘라 내어 공기 중의 미생물이나 포자가 들어가면 끓인 유기물 용액에서 미생물이 발생하는 것을 보여주었다는 점이다. 이 실험은 이전의 생물 속생설을 주장하던 실험이 가지고 있던 한계를 극복했다는 데에 의의가 있다.

생물속생설(biogenesis, 生物續生說)은 모든 생물은 생물에서 발생한다는 가설으로 자연발생설을 반증하면서 나타난 것이다. 19세기 프랑스의 루이 파스퇴르의 목이 긴 S자형 플라스크에 담긴 고기즙 실험으로 확립하게 되었다. 파스퇴르는 백조의 목처럼 긴 S자형의 플라스크에 고기즙을 넣고 멸균한뒤 S자 형의 굽은 부분에 물을 채워넣어 공기가 침투하지 못하도록 하였다. 이후 고기즙이 장기간 방치해도 상하지 않은 것을 보고 미생물도 모체가 없으면 생기지 않는다는 것을 알아냈다. 세균의 자연발생설이라는 것은 공기 속의 포자(胞子)가 침입하여 번식한 것에 지나지 않는다는 것을 실험으로 증명하여 자연 발생설을 부정하였다. 여기 실험에서 쓰인 S자 플라스크는 유리플라스크의 목을 가열하여 늘린 뒤 S자로 굽힌 후 천천히 식혀서 만든 것이다. 여기서 S자 목에대한 의견이 많이있다.물론 물은 넣긴 넣었지만,파스퇴르는 그에 안심할 수 없어 S자로 플라스크의 목을 굽혔는데, 중력때문에 상대적으로 질량이 높은 먼지는 플라스크로 들어오지 못한다는 설,또 플라스크의 목 내부 기압차를 이용했을거란 설도 있다. 파스퇴르가 실험한 S자플라스크의 육즙(고기즙)은 아직도 부패하지 않고있다고 한다.

자연발생설 당시의 사람들은 자연즉,스스로 새로운 종이 생겨난다고 믿고 있었다.그래서 쥐는 더러운 헛간에서,돼지는 음식물 속에서..등 많은 사람들이 믿고있던 이론이었다.

루이 파스퇴르 19세기의 미생물학자.당시 발효에 대해 연구하고 있었으며 미생물이 공기를 통해 퍼진다는 것도 처음 발견해 냈다. 현재 우유에 사용되고 있는 '저온살균법'도 파스퇴르가 고안해 냈으며 원래는 포도주맛이 이상하게 변하지 않도록 하기 위해서 였다.

요즘 물리학계에는 '인류원리(anthropic principle)'가 유행이다. 인류원리란 인간이라는 지적 생명체의 존재 자체가 어떤 물리계의 특성을 설명한다는 원리이다. 인류원리를 처음으로 제기한 사람은 카터(Brandon Carter, 1973)였다. 간단한 예를 들자면, 왜 하필 지구가 태양으로부터 1억5천만km 떨어져 있을까 하는 문제를 인류원리로 설명할 수 있다. 지구가 그 보다 더 멀리 있거나 더 가까이 있다면 지구상에 생명체가 태어나 인간 같은 고등지식을 가진 생명으로 진화하지 못했을 것이라는 설명이 인류원리적인 설명이다. 고전역학에서는 지구가 왜 태양으로부터 이만큼 떨어져 있는지를 설명하지 못한다.

스티븐 와인버그(1933~) 1979년 노벨물리학상 수상

현존하는 최고의 물리학자인 스티븐 와인버그(Steven Weinberg)는 1987년 인류원리로 우주상수 문제를 설명하는 논문을 쓰기도 했다. 우주상수는 우주 공간 자체가 가지는 진공에너지로서 우주의 팽창에 결정적인 영향을 미친다. 우주상수가 양수로 아주 크면 우주의 팽창이 가속된다.

반대로 이 상수가 음으로 아주 크면 우주가 팽창을 멈추고 중력수축을 시작한다. 이 값은 매우 작지만 0이 아닌 양수인 것으로 알려져 있다. 이 값은 양자역학적으로 생각할 수 있는 자연스러운 값보다 무려 10¹²⁰ 정도 작다.

즉 우리가 살고 있는 우주는 10¹²⁰ 정도의 정밀도로 미세조정 되었다고 볼 수 있다. 과학자들은 이런 식의 미세조정을 무척 싫어한다. 그래서 왜 관측된 우주상수 값이 그렇게 작을까 고민해 왔다. 그러나 아직 만족할만한 답은 없다. 우주상수 문제는 21세기 과학이 해결해야 할 가장 중요한 문제 가운데 하나다.

인류원리를 우주상수에 적용하면 대략 다음과 같다. 우주상수가 너무 크면 우주의 팽창이 그만큼 빨라진다. 우주가 원래 그런 것보다 훨씬 급속하게 팽창하면 별이나 은하가 탄생할 겨를이 없어진다. 별이나 은하가 생기려면 적절한 시점 적절한 곳에서 중력 응축이 생길 여유가 있어야 하는데, 우주상수 값이 너무 크면 우주를 밖으로 팽창시키려는 힘이 커져서 그 여유를 주지 않는다. 반대로 우주상수가 음의 값으로 너무 커지면 우주가 충분히 팽창하기도 전에 중력수축을 시작해서, 은하나 별이 생기거나 그 속에서 다시 지적인 생명체가 태어날 시간이 주어지지 않을 것이다. 요컨대, 이 우주에서 인간이라는 지적 생명체가 태어나 자기가 살고 있는 우주를 다시 관찰하려면 그런 지적 생명체의 탄생에 용이한 자연환경이 전제되어야만 한다. 이 조건을 만족하기 위해서는 우주상수가 너무 커서도 안 되고 너무 작아서도 안 된다. 즉, 적절히 작은 값을 가져야만 우리 자신의 존재를 설명할 수 있다. 와인버그는 그의 논문에서 현재 물질의 질량밀도보다 약 5~10배 정도 큰 값의 우주상수까지는 인류원리가 허용한다고 추정했다. 현재로서는 인류원리만이 매우 작은 값의 우주상수를 설명할 수 있는 거의 유일한 방법이다.

그러나 인류원리가 과학자들에게 100% 만족스러운 설명방식이 아님은 자명하다. 와인버그 자신도 인류원리가 아닌 보다 근본적인 과학의 원리로써 우주상수 문제를 해결하고 싶어 한다. 논리적으로 생각해 보더라도 우주상수의 값이 작기 때문에 인류가 태어날 수 있었다는 것은 사실이지만 그 인과관계의 역이 항상 성립하는 것은 아니다. 즉, 인류의 존재가 현재의 우주상수 값을 설명한다면, 그렇다면 우주가 처음 생길 때 먼 미래에 인류라는 지적 생명체의 존재를 미리 기획이라도 했을까 하는 의문이 남는다. 종교계에서는 오히려 이 때문에 인류원리적인 설명을 더욱 좋아할 수도 있다.

컴퓨터 그래픽으로 표현한 다차원 시공간
<출처: CERN/Jean-Francois Colonna>

인류원리가 다시 최근에 각광을 받게 된 데에는 초끈이론의 영향이 컸다. 초끈이론(superstring theory)은 끈이론(string theory)을 초대칭화(supersymmetrize)한 이론이다. 초끈이론에서는 만물의 근본이 1차원적인 끈이다. 기존의 뉴턴역학이나 양자장론(quantum field theory)이 만물의 근본을 차원이 없는 일종의 점입자(point particle)로 여기는 것과 매우 다르다.

끈이론이 그 이론 내적으로 일관된 이론이려면 시공간이 무려 26차원이어야 한다. 여기서 시공간을 초대칭화해서 초끈이론을 만들면 그 내적 정합성을 위해 필요한 시공간이 10차원이다. 지금 우리는 시공간 합해서 4차원에 살고 있으니까, 만약 초끈이론이 맞다면 나머지 6차원이 어떤 형태로든 우리의 4차원 주변에 들러 붙어있어야만 한다. 이 부가적인 6차원이 꽤나 크다면 그 효과를 간접적으로 이미 확인했을 것이다. 사실은 그렇지 않았기 때문에 부가적인 6차원은 매우 작은 영역(혹은 매우 높은 에너지 영역)에 조밀화(compactification)되어 있을 것이라고 생각할 수 있다.

과학자들은 이 조밀화 과정을 자세히 살펴보기 시작했다. 마이클 더글러스(Michael R. Douglas, 1961~)는 2003년 특정 끈이론에서 가능한 조밀화의 방식이 10⁵⁰⁰정도임을 밝혔다. 물리적으로 가능한 초기상태가 대략 이 개수만큼 많다는 뜻이다. 레너드 서스킨트(Leonard Susskind, 1940~)는 이것을 풍경(landscape)이라고 불렀다. 가능한 물리적 초기상태(혹은 진공상태)가 이렇게 많다면 그 중의 하나에 우리가 살고 있다는 것을 증명하기 위해서 우리는 또 다시 인류원리에 기댈 수밖에 없을지도 모른다. 서스킨트 등은 최근 이런 유행의 선두주자다. 적지 않은 과학자들이 이 유행을 달갑게 여기지 않는다. 내 주변의 많은 동료 연구원들도 “이제 더 이상 물리를 하지 말자는 소리”라고 불만스러워하는 경우를 쉽게 볼 수 있다. 초끈이론을 전공하는 한 연구원은 더글러스의 연구결과를 두고서 “일종의 재앙(disaster)”이라며 경악스러워했다.

다중우주 관련 내용을 다룬 미치오 카쿠의 <평행우주>

초끈이론에서 가능한 진공상태가 10⁵⁰⁰만큼이나 많다면 소위 다중우주(multiverse)와도 뭔가 일맥상통한다는 느낌을 가질 법도 하다. 다중우주는 ‘유니버스(universe)’에 대응하는 말로서 우리가 살고 있는 우주가 이 자연에서 유일하지 않다는 의미를 담고 있다. 우주론을 연구하는 몇몇 과학자들은 오래 전부터 이런 유의 또 다른 우주가 자연스럽게 생길 수 있을 가능성을 얘기해 왔다. 우리와는 다른 다중우주에서는 우리의 물리법칙이나 자연 상수들조차도 모두 달라질 수 있다.

그렇다면 우리가 살고 있는 우주 말고 또 다른 우주에서는 그 우주상수가 꼭 우리와 같지도 않을 것이다. 심지어 (최소한) 10⁵⁰⁰이나 되는 진공상태 각각이 저마다의 우주상수 값을 가질 수 있다면 그 많은 가능성 중에서 10¹²⁰ 정도의 미세조정 따위는 문제도 되지 않을 것이다. 즉, 물리학에서의 거의 모든 미세조정 문제는 자연스럽게 해결된다.

대신에, 왜 우리가 하필이면 10⁵⁰⁰ 개의 상태 중 하나에 살고 있는지를 설명해야만 한다. 이것은 어찌 보면 또 다른 미세조정의 문제일지도 모른다. 인류원리를 적극적으로 옹호하는 사람들은 우리 인간의 존재 자체가 그 수많은 가능성의 많은 부분을 제거할 수 있다고 주장한다. 생명체가 태어나기에 적합한 환경(은하나 별이나 행성이 형성되는 따위의)이 우주에서 만들어지고 실제로 그 어느 곳에서 생명체가 태어나 오랜 시간 동안 진화가 가능해야 하고 마침내 고등의 지성을 가진 생명체가 생겨날 조건은 매우 까다로운 조건임에 분명하다. 우리 인간의 존재 자체가 우리 우주의 근본적인 비밀에 대한 결정적인 단서가 되는 셈이다.

첨단의 과학이론에서 인간 자신의 존재요건이 자연의 비밀을 설명하는 매우 유력한 도구라는 점은 역설적일지도 모른다. 그러나 적어도 인류원리는 물리학의 최첨단에서 인간과 과학 사이의 새로운 관계를 모색하는 징검다리의 역할을 톡톡히 수행하는 것 같다. 이처럼 ‘인간 생존의 조건’은 인간에 선험적으로 존재하는 자연의 질서를 이해할 때에 매우 유력한 도구로 활용되기도 하지만, 인간답게 살기 위한 조건으로서의 인류원리가 가장 필요한 곳은 과학이 아니라 사회일지도 모른다. 전직 대통령 국민장을 겪으면서, 우리 사회에도 좀 더 많은 인류원리가 필요하지 않을까 생각해 본다.