생물학의 여섯 번째 혁명은 "수학과 생물학의 만남" (6/3 수)

생명과학과 수학 (6/3 수)

안녕하세요! 아주대학교 총장 박형줍니다. 과학기술의 여러 분야 중에서 생물학은 흔히 가장 수학과 거리가 먼 것으로 여겨지곤 합니다. 경험적이고 귀납적 성격이 강한 속성 때문인데요. 고등학교의 이과 학생들 중에는 수학에서 해방되려고 바이오 관련 학과에 진학한다는 경우도 있더군요.

그런데 정말 그럴까요? 영국의 수학자이자 저명한 과학저술가인 Ian Stewart 교수의 책 ‘생명의 수학’은 생명과학에 수학이 얼마나 심대한 영향을 끼칠 것인가에 대해 얘기하고 있습니다. 스튜워트 교수는 이제까지 생물학에 다섯 번의 혁명적 사건들이 있었다고 말합니다. 첫째는, 현미경의 발명, 둘째는. 분류체계의 확립, 셋째는. 진화론의 출현, 넷째는. 유전학의 출현, 다섯번째는. DNA 구조론입니다.

스튜어트는 이 다섯 개의 사건에 수학이 큰 기여를 했다고 설명합니다. 일례로 유전학의 아버지로 불리는 멘델은 유전 형질의 계승을 확률론으로 설명했죠. 노란색과 녹색의 순종 완두콩이 있는데, 노란색이 우성이라고 생각해 보세요. 이 두 완두콩을 교차 수정하면 2세대 완두콩은 모두 노란색이에요. 유전자가 노란색-녹색이 섞인 잡종이라서 우성이 발현되거든요. 2세대 완두콩을 교차 수정하면 3세대는 어떤가요? 3/4이 노란색이고, 1/4이 녹색일겁니다. 노란-노란 유전자가 1/4이고, 노란-녹색이 1/2이며, 녹색-녹색이 1/4이기 때문이죠. 수도원장이던 멘델은 실제로 완두콩 수정 실험을 통해서 이런 결과를 얻었어요. 생물학 실험을 수학으로 우아하게 설명한 것이죠.

이러한 생물학의 다섯 가지 혁명적 사건에 이어서 앞으로 일어날 생물학의 여섯 번째 혁명은 수학과 생물학의 본격적 만남으로 이루어질 것이라는 게 스튜어트 책 내용의 골자입니다. 뇌와 신경세포의 문제를 포함해서 자연에 존재하는 다양한 대칭구조의 규명에 수학이 혁혁한 역할을 한다고 설명합니다. 이 과정에서 동역학이론과 카오스 이론 뿐 아니라, DNA 나선구조를 밝히는 매듭이론까지 등장합니다.

구조와 패턴이 있는 모든 것은 수학의 범주에 들죠. 그런데 현대수학이 탄생시킨 카오스 이론이나 프랙탈 이론은 이젠 패턴이 없어 보이는 불확실성과 무작위성 조차도 연구 대상으로 삼고 있습니다. 이제 생명체에 관련된 자료를 분석하는 수준을 넘어서서, 정보를 수집한 후 그 의미까지 분석해 냅니다. 정말 흥미진진한 생물학의 시대가 오고 있습니다.