너무 덥다. 어제는 하루 종일 시덥잖은 영화 마스크걸을 보느라 하루를 몽롱하게 보냈다. 엄마 연기 빼놓고는 쓸만한 이야기가 하나도 없는 괴기스러운 영화다. 책을 잡는 것이 훨씬 재미있다. 가끔씩 일탈을 하지만.
지난 주에 금왕도서관에 책을 반납하고 나오다가 우연히 눈에 띄어서 빌려온 책이다. 2008년도 발간. 이때쯤 나도 이런 책을 진지하게 읽고 있었으면 어땠을까? 지금이라도 읽으니까 다행인데, 우리 아이들은 이 책을 읽을까?
[ 1부 ] 우주와 사룸(life), 생각은 어디에서 오는가?
[ 1강 ] 우주의 대칭이 깨어지다
생각을 생각하기 위해서 뇌를 공부해야 한다는 것까지는 알았지만, 우주를 이해해야 뇌를 거쳐서 생각을 이해할 수 있다고는 생각하지 못했다. 고개가 끄덕여지는 말이다.
"의식의 출현, 생각의 출현을 이해하기 위해서는 부분이 아니라 전체를 봐야 하고, 사룸이란 현상 속에서 뇌를 이해해야 하며, 그 사룸을 가능케한 우주 차원으로 시야를 넓혀야 합니다. 결국 뇌도 자연의 일부이기 때문입니다." (27쪽)
1. 우주의 나이는 허블상수H의 역수값이다.
2. 허블상수H는 공간에서의 우주팽창률이다.
3. 지구에서 은하들이 멀어지는 속도를 V라 하자.
4. 지구에서 은하들 사이의 거리를 r이라 하자.
5. V=Hr
6. 적색편이로 r을 측정할 수 있다.
우주의 나이 137억년을 측정하는 방법이 있다. 매우 간단해 보이는데 자세한 설명이 없다. 이 책을 그만 읽고 일단 이 의문을 풀어야 할까?
wmap : wilkinson microwave anisotropy probe 위성
isotropy : 물질의 방향이 바뀌어도 성질이 바뀌지 않는 성질, 등방성 -> anisotropy 비등방성
물질의 방향이 바뀌는데 왜 성질이 바뀌지? 이것도 의문이다.
적색편이. 일단 도플러 효과다. 적색파장의 수축(진동수 증가)을 측정하여 다가오는 속도를 계산할 수 있다. 한 번도 해 보지 않고, 머리 속으로만 알고 있는데, 실제 관측값을 가지고 계산해 보고 싶다. 어떻게 안될까?
빅뱅 후 38만년은, 빅뱅으로 인해 생성된 물질들을 처음으로 관측한 시점이다. 즉, 빅뱅과 함께 쏟아져 나오는 빛(광자 photon)을 처음으로 측정할 수 있는 시점, 우주배경복사의 최초 관측시점이다. 빅뱅과 함께 양성자 positron, 빛 photon, 전자 electron이 터져나오는데, 그 즉시 빅뱅을 관찰하지 못하는 이유가 높은 온도 때문이란다. 정말 믿기지가 않는다. 어쨌든 빅뱅과 함께 온도가 매우 높아 전자에의 산란된 광자를 측정할 수 없다가 우주공간의 팽창으로 온도가 떨어지면서 양성자와 전자가 결합하고, 풀려난 광자가 우주 공간으로 쏟아져 나온 것을, 지금 우리가 관측하고 있다는 것이다. 38만년을 정확하게 특정했다. 정말 믿기 어렵다. 설명해라, 내가 이해할 수 있도록.
"빅뱅 후 38만년이 지난 초기 우주를 관측할 수 있었던 것은 이 시점에서야 비로소 초기 우주온도에 의해 맹렬히 운동하던 전자가 양성자의 플러스 전하에 의해 포획되었기 때문입니다. 38만년보다 더 이른 시기에는 열운동하는 전자에 의해 빛 입자인 광자가 산란해서 우주가 광자에 대해 불투명하여 초기 우주를 빛으로 관측할 수 없죠." (33쪽)
신이 우주를 창조했다고 하면, 모든 것이 신에게로 귀속될 수밖에 없다. 마찬가지로 모든 것의 시작이 빅뱅이라고 하면, 모든 것이 수소의 타고 남은 찌꺼기일 수밖에 없다. 신이 우주를 창조했다는 증거는 전혀 찾을 수가 없는데, 모든 것이 양성자 하나인 수소에서 출발했다는 증거는 차고 넘친다. 그것이 창조론과 빅뱅이론의 차이이고, 종교와 세마science의 차이다.
"인류는 우주를 구성하고 있는 96% - 암흑물질 23%, 암흑에너지 73%에 해당하는 부분에 대해 여전히 모릅니다. 지금까지 우리 인류가 알고 있었던 우주라는 것은 최근에 알고 보니 단지 4%에 불과 (중략) 그 4%의 대부분이 수소와 헬륨 원자핵이다. 나머지 별들이나 태양계, 인간은 우주 전체로 봤을 때 수소가 타고 남은 재에 불과한거죠. 수소가 타고 남은 찌꺼기에서 생긴 그 무엇들인 겁니다." (35쪽)
태양의 질량보다 1.4배 이상 무거운 별들은 청색거성 blue supergiant -> 초신성 supernova 폭발을 일으켜 블랙홀이 되거나 중성자별이 된다.
태양의 질량보다 1.4배 이하 1/4이상인 별들은 적색거성 -> 백색왜성을 거쳐 가스와 먼지, 백색왜성, 흑색왜성이 된다.
이 1.4를 20대의 인도세마학자 찬드라세카르가 발견했다고 한다.
아래의 정리된 문장을 외우고 받아들일 수는 있으나, 이해할 수가 없다. 앎의 주변을 뱅뱅돌다가 끝날 것이다. 사실 그렇다. 존재하는 어떤 사람도 모든 것을 알 수는 없다. 모든 것을 다 알려고 하지말고, 알 수 있는 것을 하나하나 찾아서 알아가는 것이 더 재미있다.
1. 어느 순간이 완벽한 대칭의 순간인 것이냐? 빅뱅? 빅뱅후 찰나지간? 10-43초? 이 짧은 순간을 대칭이 유지되었다고 할 수 있는가?
2. 베타붕괴는 양성자의 충돌이 아닌가?
"별의 일생에서 마지막 단계는 분명히 무거운 질량의 별들이 폭발하는 것으로 장식됩니다. (중략 / 1, 2초 남짓한) 초신성의 탄생입니다. 그 짧은 순간에 주기율표 반 이상에 해당되는 원소들이 합성되죠. 하지만 생성과 동시에 폭발하기 때문에 그 원소들은 우주에 흩뿌려지게 됩니다. (중략) 빅뱅 당시에 하나로 통일되어 있던 힘이 우주팽창과 더불어 순식간에 네가지 힘으로 분화되었습니다. 동일한 성격을 띠고 완벽한 대칭을 이루다가 우주가 팽창하고 서서히 식어가면서 다른 특성의 힘이 출현하게 되는 것이죠. (중략) 이 현상을 입자물리학에서는 '제풀대칭파괴 spontaneous symmetry broken'이라고 하죠. 파키스탄의 사람 교수가 이를 주장하여 1979년에 노벨 물리학상을 받았습니다.
(중략) 100만분의 1초가 지난 후 쿼크가 결합하여 양성자와 중성자같은 하드론 입자들이 형성되죠. (중략) 빅뱅에서부터 3분이 지난 후 우주의 가장 중요한 구성요소인 수소와 헬륨 우너자핵이 합성될 때까지의 우주를 물리학으로 설명한 책이 와인버그의 <태초의 3분 : 우주의 기원에 관한 현대의 견해 >입니다. (중략) 빅뱅 후 초기 물질덩어리에서 별이 형성되고, 별속에서 합성되는 헬륨보다 무거운 모든 원소는 별의 진화과정을 통해서 만들어진 겁니다." (40~43쪽)
[ 4강 ] 운동하는 신경세포
식물이 움직이지 않는 것은 신경세포가 없기 때문이고, 동물이 움직이는 것은 신경세포가 배터리처럼 전기를 공급하기 때문이다. 신경세포라는 배터리를 충전하려면 식물에서 가져오는 에너지가 필요하다. 동물과 식물 모두 태양에너지가 필요한데, 식물은 광합성을 통해 먹이를 만들기 위해서이고, 동물은 시각 정보를 받아들여 먹이를 찾아먹기 위해서다.
"식물은 신경시스템이 없어서 움직이지 않습니다. 식물은 태양에너지를 받아서 유기화학에너지, 즉 녹말같은 탄수화물을 만드는 겁니다. (중략) 식물은 태양에너지를 화학에너지로, 동물은 시각시스템으로 흘러가는 전압 펄스로 바꾸죠. (중략) 동물은 식물을 볼 수 있습니다. 자기 먹이를 보는거죠. (중략) 빛의 자극을 펄스로 바꾸어 정보를 전달하는게 뉴런, 즉 신경세포라고 했습니다. 신경세포는 본질적으로 하나의 배터리인 것입니다. 계속해서 전류를 만들어주는 배터리요." (91쪽)
우리 몸을 구성하는 모든 세포들을 운동을 지휘하는 신경세포. 여기에서 생각이 만들어진다. 대단하다, 어떻게 이것을 알아냈을까? 아직은 이해할 수 없다. 천천히 따라가보자.
"진핵세포는 아메바성 세포안에 단세포 박테리아가 들어가 공존하면서 진화된 것 (중략) 박테리아의 운동같은 세포들의 모든 움직임은 세포 내 골격인 단백질 사슬에 의해서 만들어집니다. 그리고 박테리아는 DNA에 의해 형성된 단백질 사슬을 분출하면서 생기는 추진력으로 나아가죠. (중략) 박동성, 율동성을 지닌 단세포들이 모여서 다세포가 되어 동일한 주파수로 일정한 방향을 향해 조화로이 움직일 때 거시적인 힘이 나옵니다. (중략) 근육 단세포들의 모든 박동 운동이 척수신경계의 중앙집권화된 신경시스템에 의한 운동으로 진화하면서 척추동물이 나타나고 우리의 생각이 출현하게 되는 겁니다. 즉 이나스가 강조했듯이 운동이 진화하면서 오랫동안 내면화된 것이 생각인거죠." (92~3쪽)
사람은 전전두엽에 신경세포가 총집결하고 수초로 포장되어 전달 속도도 빠르다. 이러한 뇌의 발전은 운동을 더 잘 할 수 있게 해준다. 이해는 가지만, 여전히 믿기 어려운 부분이다. 왜? 이렇게 발전했나? 어떤 과정을 통해서 이렇게 발전했는지가 궁금한데, 현재의 설명으로는 이해할 수가 없다.
"사람은 감각이든 운동이든 움직이는 능력을 마음껏 즐긴다. (이나스 / 중략) 동물은 운동한다. 사람은 '잘' 운동한다. 동물은 생존이 허용한 범위만큼만, 환경에 적응할 만큼만 운동을 하면됩니다. 과잉적응은 동물의 생존에 위험합니다. 그래서 동물은 유전자가 지시하는 정도로만 적응합니다. 그러나 사람은 유전정보에 의해 정해진 능력을 넘어 운동을 아주 잘 할 수도 있습니다. (중략) 전전두엽의 수초화는 사춘기 이후에도 학습과 더불어 계속 진행되면서 일생에 걸쳐 완성되어갑니다. (중략) 많은 자원을 조정하는 전두연합영역이 (중략) 운동을 잘 할 수 있게 되었다는 겁니다." (103쪽)
[ 5강 ] 의식으로 가는 길
일정한 온도와 일정한 영양상태를 항상성이라고 하면, 항상성이 깨지는 신호에 의해서 춥고 배고픈 것을 알 수 있다. 세계의 신호는 생존 환경에 맞는지 여부를 판단하는 근거다. 이 신경의 신호들이 대뇌로 올라와서 종합되어 운동출력으로 내보내져서 동물의 행동을 만든다.
"신경시스템이 반응하는 신호에는 자기 안에서 나오는 자기신호와 자기 바깥환경에서 들어가는 비자기신호가 있습니다. 자기신호는 신체 내부에서 올라가는 항상성 유지를 위한 신호가 되고, 비자기 신호는 환경에서 오는 세계 신호가 됩니다. (중략) 인간의 대뇌(대뇌반구)는 전두엽, 두정엽, 측두엽, 후두엽 등 네부분으로 구성되어 있는데, 여기서 전두엽은 비교, 예측, 판단을 하고, 두정엽은 공간지각을 하며, 측두엽은 사물과 인간의 얼굴에 대한 기억을 주로 담당합니다." (108~110쪽)
의식으로 가는 길은 멀고 험난하다. 과연 이해할 수 있는 것일까? 외부세계의 상황을 감각을 통해 받아들여서 내부의 항상성 유지를 위해 어떻게 이용해야 하는지를 결정하는 것이, '지각의 범주화'이다. 좋고-나쁘고-받아들이고-도망가고 등등의 범주화가 가능할 것이다. 지각의 범주화를 다시 범주화하는 것이 '개념의 범주화'라고 하는데, 따라갈 수 없다. 어쨌든 1차 의식은 지각의 범주화와 개념의 범주화를 통해서 만들어진다. 맞게 이해한 것인지 모르겠다.
"외부감각 입력에 의해 시작된 지각작용이 단순히 방향성 없이 연속으로 흐르는 게 아니고, 우리의 욕망에 의해서, 내부상태에 의해서 범주화되는 거죠. (중략) 1차 의식이라는 것은 언어가 생성되기 전에 형성되는 것으로, 인간이나 개 또는 고양이 정도의 포유동물이 가지는 의식이다. (에덜만 / 중략) 1차 의식은 기억된 현재다. (중략) 고차의식으로 가며 언어를 매개로 기억이 생성되면서 하나의 장면이 담긴 스냅사진들을 연결하여 드라마를 만든 결과, 우리의 과거-현재-미래가 형성되고, 그 과정에서 셀프self라는 자아의식이 생긴다. "(111쪽)
일단 그것을 알아두자. 기억은 해마, 편도체, 파페츠 회로에 저장된다. 눈을 통해 머리 뒤쪽으로 시각정보가 전해지니 시각정보는 후두엽에서 처리한다. 귀에서 소리 정보가 처리되니 측두엽에서 청각정보가 처리된다. 그리고 머리 꼭대기에서 몸 전체의 체감각을 처리하니 두정엽에서 체감각 정보를 처리한다.
"시각 정보가 처리되는 곳은 대뇌의 맨 뒤쪽 후두입니다. 후두엽에서 처리된 시각 정보, 두정엽에서 처리된 체감각 정보, 측두엽에서 처리된 청각 정보가 후두의 연합영역에서 만나는거죠. 거기서 처리된 시각, 청각, 체감각 영역의 2차 연합 감각정보가 측두엽 안쪽에 있는 해마라든지 편도라든지 파페츠 회로에서 기억으로 형성되는 겁니다."
어떤 종류의 감각이든 뇌는 나름의 방식대로 처리한다. 처리된 내용이 기억이 되고, 새로운 감각이 들어오면 이전 기억과 비교하고, 이전 운동출력의 결과와도 비교할 것이다. 그렇게 해서 같거나 또는 새로운 출력을 내보낸다. 모든 출력에는 편도체가 생존과 관련된 감정을 싫어보낸다. 이렇게 정리를 하고 있지만, 과연 그럴까라는 의문은 남는다.
"감각입력에 대응하는 운동출력을 생성하기 위해 연합감각영역에서 신경정보가 전전두엽으로 전달되죠. 그리고 전두엽 중 전전두엽에서 비교, 예측, 판단을 하게 됩니다. (중략) 기억된 것과 지금 들어온 정보를 비교하는 거죠. (중략) 우리 인간은 끊임없이 움직입니다. 그리고 움직일 때마다 전개되는 장면들, 상황들이 달라지죠. 매번 새로운 장면이 만들어지고, 새로운 장면이 기억 회로를 통해서 계속 새롭게 기억됩니다. (중략) 다중감각연합영역, 즉 측두엽 안쪽에 있는 해마, 편도, 격막, 유두체 등 굉장히 복잡한 이들 기관에서 폐회로를 그리면서 기억과 감정관련 신경작용들이 생성됩니다. (중략) 들어온 정보가 생존에 아주 중요한 정보면 편도를 자극합니다. 편도에서 파페츠 회로에 감정을 실어주죠. (중략) 뇌가 하는 중요한 역할은 운동출력을 만들어내는 것입니다." (117~8쪽)
[ 6강 ] 신경전달물질의 대이동
갑자기 마구 어려워지면서 전혀 이해가 가지 않는다. 생소한 단어와 알지 못하는 모양과 기능이 설명되고 있어서다. 이럴 때는 한 발 뒤로 물러서서 유투브를 보거나 단어만을 기억해 두는 것으로 해야겠다. 이 부분에 대해서는 설명도 많이 부족해 보이고, 자세히 설명한 듯 보이면서도 제대로 된 설명이 아니라는생각도 든다.
"진정세균과 고세균을 원핵생물이라 하고, 진핵생물은 진핵세포로 구성되어 있습니다. (중략) 원핵세포는 박테리아 같은 단세포입니다. 형태도 세가지 밖에 없죠. (중략) 반면 진핵세포에는 핵이 있고 유동성을 띤 원형질막, 미토콘드리아, 소포체, 골지체가 있고 리보솜이 있고, 많은 세포 내 소기관들이 있습니다. 그리고 세포내 골격인 단백질 사슬에 의한 다양한 운동이 가능하죠." (124~5쪽)
"신경전달물질의 이동은 의식, 생각, 행동이 나오는데 필수입니다. 세포 자체의 움직임과 세포 내 물질 이동은 액틴필라멘트, 중간 필라멘트, 미세소관의 작용이며, 신경세포를 포함한 모든 진핵세포에서 볼 수 있죠. " (138쪽)
[ 7강 ] 시냅스 막, 생각이 시작되다
운동이 내면화된 것이 생각이다. 이 말이 정확한지를 먼저 생각해봐야겠다. 살기 위해서는 먹거나 도망가야 한다. 예측을 통해 운동을 하려면, 이런 상황에서는 이렇게 움직이자는 뇌의 결단이 이루어져야 한다. 뇌의 결단이 곧 생각이다. 살려고 하는 근육의 움직임이 곧 생각으로 바뀌고, 생각은 곧 운동이 된다.
"(이나스의 이론) 우리의 사고, 즉 생각이라는 것은 사룸 life 진화의 긴 과정을 통해 운동성이 진화하면서 내면화된 것이라고요. 그래서 의식, 생각을 이해하려면 운동성에서 출발해야 합니다. 실제로 운동이 일어나는 과정은 여러 운동 관련 뇌 영역들의 상호작용입니다." (139쪽)
dk
( to be continued like reading a testament)
