달팽이부터은하까지
자연의기발한디자인과경이로운다양성을
300컷의사진에담은장엄한과학화랑
시각적향연이라고할이책은과학자는물론이고,예술가와디자이너,그리고자연주의자들에게경이와영감의원천이되어줄것이다.
-《포브스》
형태학(morphology)은생물학의한분야로생물의구조와모양,그리고패턴을연구하는학문이다.그리스어로형태를뜻하는morph?와학문또는이성을뜻하는l?gos의합성어로18세기후반괴테에의해또는독일의생리학자인카를프리드리히부르다흐에의해만들어졌다고한다.형태학은어떤생물의본체나기관또는조직의가시적특징을바탕으로생물을비교,분석,분류,해부하는데활용되는방법론이다.현대분류학,해부학,발생학,유전학,진화생물학등의발전에깊은영향을미쳤고,전자현미경이발명되고,프랙탈시뮬레이션이개발된지금도생물학의첨단영역에서많은기여를하고있다.
그러나형태학의기원은더깊다.우주를구성하는4대원소(물,불,공기,흙)가정다면체라고믿었던플라톤이나,서로내접하는다면체로태양계의원리를설명하고자했던케플러는물론이고,특수한도형과무늬에서자연에숨겨진어떤‘형태’나‘패턴’를발견해세계를창조한신의마음을찾고자했던,이슬람예배당의타일예술가들과‘신성기하학’의신비주의적전통속에서우리는인류가얼마나강력한패턴탐색의욕망을가지고있는지읽어낼수있다.
또한형태또는패턴에대한탐색을생물학분야만이아니라물리학,화학,지구과학,천문학등다양한분야에서도찾아볼수있다.노벨상을받은위대한물리학자리처드파인만은패턴에대한탐색을과학의출발점으로봤다.“자연은틀림없이가장긴실을써서그패턴을짠다.그래서가장작은직물조각에서도태피스트리전체의짜임이드러나는것이다.”우리가좁은방구석에서볼수있는작은패턴,형태,모양속에도우주를작동시키는보편적원리가숨어있다고보기때문이다.
영국의과학저술가필립볼(PhillipBall)은이번에(주)사이언스북스에서펴낸『자연의패턴(PatternsinNature)』(조민웅옮김)을통해이렇게고대로부터현대까지수많은사상가와예술가,그리고과학자들을사로잡아온,자연이스스로만드는패턴들을모아소개한다.
필립볼은영국을대표하는과학저술가로옥스퍼드대학교화학과를수석으로졸업하고,20년넘게《네이처》의물리,화학분야편집자,편집자문으로일했다.지금은프리랜서과학저술가로활약하며책,칼럼,방송,텔레비전,블로그,SNS등다양한매체를통해우주론에서화학과분자생물학까지과학의이모저모를해설하고있다.20여종의책을펴냈는데,국내에서도『화학의시대』,『필립볼의형태학3부작:모양,흐름,가지』등의책이출간되어과학독자들의사랑을받고있다.
찰스다윈은자연이스스로“가장아름다운온갖형태”를만든다고말한적이있다.그런데자연은어떻게스스로패턴을만들어낼수있는것일까?또왜우리는패턴에끌리는것일까?왜과학자들을그렇게나열렬히패턴을사랑하는것일까?필립볼은자연이가장단순한원리와규칙,그리고부품들을사용해만든패턴들을담은300컷의사진을큐레이션해그형태와조직원리에따라대칭,흐름,프랙탈,균열,무늬,파동등으로나눠선별해소개한다.달팽이부터은하까지자연의기발한디자인과경이로운다양성을담은이책은장엄한과학화랑이자,형태학아카이브라할수있을것이다.
자연의패턴은원초적인기쁨을주는동시에,파인만이암시한대로무언가심오한비밀을가리키고있다.자연을이해하기위해서는자연을각각의구성요소로나누어살펴볼뿐만아니라,때때로그모든것을합쳐탐구할필요도있다는뜻이다.형태는각구성요소를개별적으로봐서는실로추측할수없을방식으로이루어지는상호작용의결과이다.새로이출현한형태속에서자연의자발적창조성을볼수있다는이책의주장은낡은신비주의나종교적창조론이아니다.자연계는단순한원리를이용해다양성과풍부함,다윈이말한“가장아름다운온갖형태”를만들어낸다.그아름다움의일부가이책에담겨있다.-본문에서
우리시대의과학큐레이터가엄선한형태학미술관을탐험하라
필립볼은이렇게말한다.“자연은심오한디테일을숨기고있다.다만우리가그것을보지못할뿐이다.그것은구조가없는것처럼보여도그뒤에는패턴이있다.”라고.
-《월스트리트저널》
과학애호가들의눈을즐겁게할자연의예술작품들이큐레이션되어있는이책은우리우주의아름다움과그것을포착해낼수있는우리자신의능력에대해경탄할수있는기회가될것이다.올해출간된책중가장아름다운책이다!
-《퍼블리셔스위클리》
1장대칭:왼쪽과오른쪽이닮은듯다른이유
도대체패턴이란무엇일까?보통우리는그것을계속해서반복되는어떤것으로생각한다.대칭성의수학은이러한반복이어떤모습인지기술한다.또한왜어떤모양이다른모양보다더질서있는지이야기해준다.그렇기에대칭성은패턴과형태를설명하는근본적인과학‘언어’인것이다.대칭성은사물이거울에반사되거나회전하거나이동할때어떻게변하는지를설명한다.하지만대칭성에대한우리의직관은기만적일수있다.일반적으로자연의모양과형태는대칭성이생겨서가아니라완벽한
대칭성이깨져서출현한다.모든것이어디서나똑같고완벽하고지루한균일성이붕괴되는것이다.따라서이것은중요한질문이다.모든것이균일하지않은이유는무엇인가?대칭성은왜,어떻게깨지는가?
2장프랙탈:산이두더지가파놓은흙두둑처럼보이는이유
들쭉날쭉한해안선을척도(scale)없이들여다보고있으면그것이1킬로미터에걸쳐길게뻗어있는것인지,아니면10킬로미터,100킬로미터를뻗어있는것인지알수없다.이렇게서로다른척도에서구별할수없는배열의성질을프랙탈(fractal)이라고한다.이것은자연의패턴이가진두드러진특징중하나이다.솜털같은구름의가장자리,나뭇가지끝의잔가지가나무의전체모양을모방하는방식,허파의기관지에서반복되는수지상구조를생각해보라.사실프랙탈은자연의구조라고도불려왔다.자연에존재하는많은프랙탈은처음볼때는무질서해보인다.나무나산세는정확한대칭성은없지않은가.그러나프랙탈성질이패턴에‘숨겨진논리’를드러낸다.다시말해척도가줄어들어도똑같은일반적인형태가계층적으로반복된다는것이다.이러한논리를만들어내는과정은과연무엇일까?그리고왜이것이생물계에유용한것일까?
3장나선:달팽이와해바라기의비밀수학
자연의도처에서나선을볼수있다.앵무조개의껍데기에서부터소용돌이치는기체,나선은하의별들에이르기까지.그런데그것들이서로공유하는무언가가있을까?전체적으로그렇다.자연의나선대부분은로그나선이라불리는모양을가진다.이것은프랙탈처럼작은부분이큰부분과똑같아보인다는뜻이다.그러한형태로자라는앵무조개껍데기는점점커지면서똑같은모양을유지하게된다.이러한나선은의외의장소에서도나타날수있다.해바라기머리의작은꽃들의원형배열은서로반대방향으로도는두로그나선집합으로이루어진다.그리고흐르는유체의나선형소용돌이가있는데,배수구아래로사라지는목욕물부터지구와목성의폭풍까지다양하다.이것은자연의보편적인디자인중하나이다.
4장흐름과혼돈:숨은질서를찾아서
우주는역동적이다.항상움직이고있다.기체와먼지구름이휘돌아뭉쳐별들이탄생한다.물은큰고리를그리고소용돌이치면서바다를순환한다.이것은온도와염도의차이가만드는움직임이다.대류흐름이공기를휘저어서구름과제트기류를일으킨다.강은상류에서하류로흐르면서가지를쳐나가는데마치우리몸의피가지나가는길과비슷하다.이처럼많은흐름이난류이다.즉너무빨라서일정한형태가유지되지못하거나완전히예측할수없는흐름이다.그렇지만모든질서가사라지는것은아니다.소용돌이와같은유체흐름의근본적인형태는커피크림에서도흔히볼수있다.정말로컵안의폭풍이라고할까?어쨌든우리주변의흐름이보이는패턴에는신비로움과장엄함이있다.
5장파동과모래언덕:화학시계가지배하는세계
실질적으로자연의모든것은파동이다.빛과소리는파동이다.바다와대기는진동을전달하고,맥박은심장과두뇌활동을빠르게한다.양자물리학에서는물질을이루는가장작은입자가상황에따라마치파동처럼움직인다고말한다.파동은공간뿐만아우리가살고있는세계는혼란하고어수선하지만,그가운데서질서를찾으면이해할수있다.우리는낮과밤의규칙적인주기,달의차고이움과조수간만,사계절의순환을알고있다.우리는유사성,예측가능성,규칙성을찾는다.이런성질들이항상과학발전의지침이되어줬다.우리는자연의엄청난복잡성을간단한규칙으로쪼개고,처음보기에는혼돈스러운곳에서질서를찾고자한다.이런면에서우리모두는‘패턴탐색자’인것이다.-본문에서니라시간에대한패턴이기도하다.즉그것은주기적으로오가는일정한펄스이다.파동이서로만나간섭하면장관을이루는새로운패턴이만들어지기도한다.그러나아마도가장놀라운것은순전히무질서한데서,또는언뜻보기에불변의한방향으로만진행되는과정에서자기조직화된파동이나타나는것이다.그런경우에파동은화려한필체로자신의존재를물질에각인한다.
6장거품:벌과건축가만공유하는비밀
“자연철학자에게중요하지않거나사소한자연의대상은없다.비누거품,사과,조약돌.그는경이로움을느끼며걷고있다.”영국과학자존허셜이1830년에쓴글이다.비누거품은정말로시시한아이들장난감이라고생각할지모르지만과학의가장위대한정신중일부는그힘과아름다움에매료되었다.물론그모양은당혹스럽기도하지만.비누막과거품은특별한경제학을보여준다.잡아당기고밀어서우아한곡선과구조와모양을만드는힘이어떻게정확한균형을잡는지가르쳐준다.자연은때로는유용하면서도기발한건축물을짓기위해이런패턴을독창적으로이용한다.
7장결정과타일:결정이오면체가될수없는이유와이슬람타일장인의비결
고대철학자들은세계를신이간단한수학법칙에따라지은,근본적으로기하학적인세계라고생각했다.이것은이해할수있는가정이다.질서정연한모양을가진광물결정을생각한다면말이다.광부와탐험가는동굴에서기하학적인우주,즉자연을둘러싼모든것이찬란하게빛나는수학적완벽성으로짜여있는우주안에있는자신을발견할수있다.이것은물질에새겨진자연의근본질서에대한증거가아닐까?
8장균열:시간이물체를쪼개고거인이계단을만드는방법
파손과붕괴는질서와조직에정반대되는것처럼생각된다.하지만놀랍게도그것역시다양한패턴과구조를만들수있다.어떤경우에는그렇게보이지않는다.가령균열은다듬어지지않은혼란을나타내는들쭉날쭉무질서한모습을보인다.그러나이런형태조차도여러다른상황에서되풀이되고있기에그것이자연법칙의보편적인결과이며보다깊은디자인의흔적인지살펴보아야한다.또도자기유약이나오래된유화의균열패턴에는일종의기하학이있다.심지어미학적즐거움마저준다.균열은성가신것이아니라창의성의원천이다.
9장점과줄:표범에얼룩점이,얼룩말에줄무늬가생기는이유
『정글북』으로유명한조지프러디어드키플링은『그냥그런이야기』에서어떻게표범에얼룩점이생기고얼룩말에줄무늬가생기는지설명했다.그의답은완전히상상에기반한것이었지만당시과학자들의답이라고해서그다지낫지는않았을것이다.한가지는동물이‘왜’무늬를가지는지설명하는것이었고다른하나는동물이성장하면서그무늬를‘어떻게’가지게되는지설명하는것이었다.지금널리받아들여지고있는설명은이런패턴들은매우다른종류의자연현상에서도작용하는자기조직화과정으로형성된다는것이다.사막의연흔형성과정이나동물이군락에서그둥지를만드는과정에서유사성을찾을수있다.달리말해그패턴은자연선택과적응의산물이라하더라도생물학이아니라수학의언어로더잘설명할수있다는것이다.
다시톰프슨과에른스트헤켈의위대한고전을잇는
21세기형태학의새로운아카이브
필립볼은책서두에서이
