모양: 무질서가 스스로 만드는 규칙 (양장본 Hardcover)

필립볼

저자필립볼은과학저술가.1983년에옥스퍼드대학교화학과를수석으로졸업하고1988년에는브리스톨대학교에서물리학박사학위를받았다.20여년동안《네이처》의물리?화학분야편집자,편집고문으로일했다.『화학의시대(DesigningtheMolecularWorld)』,『H₂O(Life'sMatrix)』,『브라이트어스(BrightEarth)』,『물리학으로보는사회(CriticalMass)』(2005년아벤티스과학도서상수상)』,『음악본능(TheMusicInstinct)』등대중독자를대상으로한다양한분야의과학책을저술했다.미국항공우주국(NASA),영국의빅토리아앤드앨버트미술관,런던정치경제대학(LSE)등에서다양한과학강연을하고있으며,《네이처》,《뉴사이언티스트》,《가디언》,《뉴욕타임스》등여러잡지와신문에기고하며과학문화확산을위해노력하고있다.

서문과감사의말
1장세상의모든모양:패턴과형태
2장벌집의교훈:거품으로집짓기
3장파동만들기:시험관안의줄무늬
4장문신:숨기기,경고하기,모방하기
5장야생의리듬:군집형성의규칙
6장정원의식물은어떻게자랄까?:데이지의수학
7장배아의전개:생명탄생의패턴
부록1비누막구조
부록2진동하는화학반응
부록3BZ반응의화학적파동
부록4리제강띠
후주/참고문헌/옮긴이의글/도판저작권/찾아보기

당신의세계관을뒤흔들형태학이야기
해바라기부터튜링구조까지저절로만들어진모양들

자연의걸작들은혼자서만들어졌다
다채로운모양속에서찾아낸형태학의근본원리

이책을읽은뒤에여러분이보는세상은그이전의세상과는전혀다를것이다.복잡한세상에대한과학의설명력은물론,과학이열어주는아름다움을느끼고싶은독자들에게이책을추천한다.―홍성욱(서울대학교생명과학부교수)

필립볼의형태학3부작은비단과학도들뿐아니라,언어와문화,현상의패턴에관심있는인문사회학도들에게도반드시추천하고싶은책이다.―조지은(옥스퍼드대학교한국학?언어학교수)

형태학(morphology)의시대가돌아오고있다.과학학술지《네이처(Nature)》는지난4월1일자에파리와같은벌레를쫓기위해얼룩말의줄무늬가발달했다는주장의논문을실었다.이논문은파리를비롯한벌레들이얼룩말에질병을전파하고적지않은양의피를빼앗는다는사실과이러한파리들이다양한형태의줄무늬에앉는것을회피하거나물려고하지않는다는다양한관찰결과를통해얼룩말의줄무늬가발달하게된핵심적인이유를증명했다.그리고이러한연구는앞으로파리들이줄무늬를싫어하는이유를규명해야하는새로운과제를부여하고있다.이제형태는개별종들의흥미로운생김새를넘어서,동물들의발달과생태계내의상호관계를드러내는중요한요소로자리잡기시작했다.
이번에(주)사이언스북스에서펴낸‘필립볼형태학3부작’중첫번째권인『모양(Shapes):무질서가스스로만드는규칙』은19세기후반에참신한학문으로등장한이후로오랫동안소외되었던형태학에전보다더명확한체계와근거를부여한책이다.이책에서저자인필립볼은생물학,물리학,수학부터최근의진화발생생물학과천문학에이르는자연과학의다양한학문들을‘형태의자발적발생’이라는주제로융합시켰다.여기서더나아가초기의형태학과관계를맺었던20세기초의예술사조인아르누보,유겐트슈틸과같은예술분야곳곳에흩어진단서들까지모아새로운형태학의원리를조직했다.초기형태학에서도중요한연구주제였던얼룩말의줄무늬에대한조지프리디어드키플링과앨런매시선튜링의선구적인연구도이책에서확인할수있다.나비날개에현란하게퍼진다채로운무늬들부터,해파리의유동적인형태와놀라운대칭성,생명체의성장을준비하는배아에드러난줄무늬까지모든형태를아우르는학문이다시시작된것이다.
이책에서우리는환경에적응하려는진화적노력뿐만아니라,주어진자원과제약아래서최대한의다양성을추구하는자발성의결과로현재우리가보는자연속의다양한형태가이루어졌음을확인할수있다.겉으로는비슷해보이는수많은모양들이어떻게서로다른과정을거쳐서지금우리가보는그런유사성을갖게되었는지,크게다르지않은과정속에서어떻게전혀다른모양이나왔는지에대한막연한추측이아닌이해를얻을수있다.20여년동안과학학술지인《네이처》에서편집자,편집고문으로활동했던필립볼은현대자연과학의다양한연구성과들을융합시켜서,서로다른형태들을스스로발생시킨근본적인원리를다채롭게서술했다.

1996년물리학자리스몰린(LeeSmolin,1955년～)은은하를실제로일종의반응-확산계로간주할수있으며이우주바람개비(은하)는이제막태아형성을위해발생을시작한수정란에서나타날수도있는소용돌이무늬가어마어마한크기로표현된것이라고지적했다.―본문에서

나선은자연에도처에존재한다.요즘유행하는용어로유비쿼터스다.이것은모든나선이똑같은방식으로형성되었다는의미는아니다.가령유체흐름의소용돌이는완전히다른부류이다.나선은하는회전하는먼지,가스,그리고별들의혼합물이휘저어진단지확대된소용돌이에지나지않는다고생각하기쉽다.―본문에서

생명은어떤모양으로만들어졌을까?
패턴의관점에서풀어낸자연의수수께끼

저자는이책을시작하면서“어떻게인간은어떤형태만보고도그것이생물인지아닌지를알수있을까?”라는질문을1장에서던진다.저자는생물과무생물사이의형태적특징을부정했던톰프슨의연구에주목한다.동시에인간이어떤물체의겉모양만으로도생물인지여부를판단할수있다는사실이형태의원리를이해하는핵심적인단서임을지적한다.생명체가환경에적응하는과정에서획득한복잡성은우리가생명의형태를눈으로인식할수있는중요한특징이다.단순히복잡하다는이유만으로생물로단정하는것이아니라,그러한모양의세밀함을생존하려는노력의흔적으로본까닭에그모양에생명이있다고판단한다는것이다.하지만이와함께저자는바다미생물인규조류와운석에서발견한세균과유사한무기물의사례를통해,눈은익숙하지않은형태에서생명의유무를구별하는데는한계가있음을지적한다.우리의시야를벗어난다면모든생물과미생물의형태차이가바위와곤충만큼크고또렷하지는않다는점에서톰프슨의통찰은지속되고있다고저자는말한다.
2장에서는톰프슨이“모든6방구조중에서가장유명하고가장아름다운것중하나”라고말했던벌집의형태를다뤘다.그렇지만저자와톰프슨은벌집이자연의기하학적인정교함과계획성을상징한다고보는통념에편승하지않았다.다윈은밀랍을절약하기위해벌과벌집이진화해왔다고주장했다.이에대해톰프슨은밀랍표면력간의상호작용이벌집의모양을결정한다고맞섰다.저자역시벌집의정교한외관에감탄하는대신,최근의다양한연구성과를종합해냈다.그결과벌집은주어진자원과환경에완벽하게최적화된것이아닌,벌들이밀랍으로집을짓는과정속의우연한결과에더욱가깝다는사실을보여주었다.

대류하는유체에서볼수있는이패턴들의풍부함과다양성때문에,하나의주어진실험에서어떤패턴이나타날지를예측하기는쉽지않다.원칙적으로한특정한집합의조건들에서몇가지대안적패턴들이가능할때,어느것이선택되느냐는시스템이어떤조건을갖추었느냐에달렸을수도있다.―본문에서

이끝에서저끝까지꿀벌의유전체를해석할수있지만,그안에어디서도벌집의청사진을찾을수없다는것이다.그것은생명체(암컷일벌)가일을열심히할때만드러나는어떤것이다.단지한생명체가아니라꿀벌떼가그래야한다.이6각형의저장소는집단의노력으로생긴다.―본문에서

심장이보내는구조신호는어떤패턴을그릴까?
튜링이찾아낸패턴형성의비밀은무엇이었을까?
인간과자연을오가며그려낸흥미진진한이야기의패턴

3장에서는현대과학자들이실험실에서만들어낸다양한형태와반응들,그리고그것이실제패턴들의연구에주는시사점을다룬다.특히심장발작을일으키는심장부정맥이일어날때보이는나선형파장의,패턴이물에떨어뜨린잉크방울이한동안확산과응축을반복하는화학반응과유사하다는발견이인상적이다.이반응은우리의직관에반하는까닭에한때당혹감을불러일으키기도했다.이제는이나선형패턴을조작하는방식이곧심장이멈추기전에일으키는경고에대응하는열쇠가된것이다.
4장에서다소의외의인물을만날수있다.오늘날우리가사용하는디지털컴퓨터의초석을놓은인물이자,사과를한입베어물고안타까운죽음을맞이한것으로유명한과학자앨런매시선튜링이다.초등학생일때톰프슨의『성장과형태』를읽은후로형태의발생이라는주제에관심을갖게된튜링은이분야에서도선구적인업적을남겼다.그는「형태형성의화학적인토대」라는논문에서,생물이발생하는동안서로다른세포내의유전자를발현시키는스위치를켜거나끌수있는화학물질인‘형태형성물질’의개념을제안했다.이형태형성물질이확산되거나정지되는패턴에따라우리가보는생물체들의모양이만들어진다는내용이다.이런주장은시대를다소앞섰지만,오늘날에는다른과학분야들의연구성과를통해그타당성이입증되었다.형태학에앞서서그가제안한튜링패턴이귀환한것이다.
5장은개별생물을넘어서그생물들의집단이갖는패턴과그것이그구성원들이드러내는패턴의원리와어떤관계가있는지보여준다.사회성곤충중하나인흰개미중어느종은높이가6～7미터에이르러서마치점토성당처럼보이는집을짓고는하지만,그것역시필연적이거나처음부터의도된형태가아니다.이런거대한모양의집은어디까지나개별개미들간상호작용의결과이며,이런상호작용이누적된결과작은흙덩이가모여거대한성당이된다.어떤개미도자신들이특정한모양의거대한집을짓고있다는의식은없다고저자는지적한다.그럼에도이런포괄적인행동원리가어느새자연중에서도가장정교하며거대한형태를구현해낸다.하나의자발적인규칙만쌓여도어느순간무질서에형태가들어선다.

생물학은이렇게‘기성품’을이용하는것같이보이지만그것은또한눈부실정도로화려하고거의한없는변이를만들어낼수있다.그러나이모든것이진화적맥락안에서나타나고,이것은자연이‘작동’하는패턴을선별할권한을가진다는것을의미한다.살아있는자연은본질적으로창조적이며또한그창조물의가치를평가할능력이있다.―본문에서

곤충들은서로다른청사진으로일하지않는다.단지타일을놓기좋아하는방식에작은차이가있을뿐이다.곤충들은시작할때,우리가타일이만들패턴을생각하는것이상으로생각하지못한다.여기서또다시패턴은사실상그자신을만든다.―본문에서

누구도자연의패턴을만들지않았다
스스로형성된모양의세계가펼쳐진다

6장과7장에서는각각식물의잎차례와인체배아의전개를주제로균일한공간에서스스로형성되는모양의원리와그패턴을다루었다.6장에서는식물의줄기에서나선형패턴으로잎들이차례로돋아나는과정을분석하는수단으로써널리알려진피보나치수열의유용성을확인할수있다.동시에저자는식물의잎차례가피보나치수열에따라형성되었다고극적으로설명하지않는다.그는식물의잎차례는햇빛을받고성장해야하는식물의물리적인제약과한쪽으로잎이쏠렸을때일어나는꺾임과같은물리적인힘에대한자발적인반응의중요한사례이며,피보나치수열은어디까지나결과적으로부합한도구임을강조한다.
7장에서는가장복잡한모양중하나인인체의형성을다루는데,형태형성물질의유도에따라배아에서특정한패턴이발현하며,배아내에구획이형성되어각각의부위가발달하는일련의방식을서술한다.여기서우리는개별적인패턴의발생이총체적인형태,즉모양의형성으로귀결되는가장포괄적인사례를확인할수있다.저자는진화발생생물학과튜링의발생이론을비롯한다양한접근법을수렴하여,소수의화학적도구들이거대한인체구조를형성해가는복잡한과정에서패턴의자발성이갖는중요성을입체적으로서술한다.
다양한과학적성과들을종합하여오랫동안위축되었던형태학에새로운설득력을부여한이책은,우리가사는세계의다채로운모양들이환경과자원의제약과단순한법칙만으로형성되었음을알게해준다.서로다른시대와학문의통찰이하나로모여서만든이새로운형태학은,우리주변의수많은형태들너머의이야기속으로다가가는문을열어주었다.

우리몸은정확히자발적으로머리부터발끝까지,한덩어리의마노또는나가서표범의가죽이따르는방식으로패턴을만들지않는다.더구나처음부터각세포에위치와기능을부여하는명령에따라만들지도않는다.그대신우리는(놀랍게도거의정확하다는점에서)각각의나비날개에서이미접했던,예정된것과우발적인것의섬세한조합인일종의도구상자패턴의한예인것이다.―본문에서

그러나이정도는더욱확신할수있는데,자연의조직화하는힘이모든형성의근간이라는헤켈과자연철학의개념은현대생명과학의지지를얻기에너무멀리떨어져있다는것이다.지금까지우리는살아있는자연이만들어내는여러가지패턴형성과정을살펴보았다.그런데이패턴들은어떤보이지않는불가항력으로좌지우지되는것이아니라,어찌보면적절한기회를따라만들어진것같다.―본문에서

자연계생성에대한심오하고새로운영역을우리에게보여준다.―《파이낸셜타임스》

폭넓고지적이며,독단적이지않은3부작이다.―《타임스리터러리서플먼트》