자연에 나타나 있는 설계로부터 배울 점

“우리의 가장 뛰어난 발명품 가운데 다수는 다른 생물을 보고 모방한 것이거나 다른 생물이 이미 사용하고 있던 것이다.”—필 게이츠, 「미개한 과학 기술」.

앞 기사에서 언급한 것처럼, 생체 모방 공학의 목표는 자연을 모방함으로 더 복잡한 물질과 기계를 만들어 내는 것입니다. 자연은 제품을 생산할 때 오염 물질을 발생시키지 않으며, 자연이 생산해 낸 제품은 대개 회복력이 있고 가벼우면서도 믿어지지 않을 만큼 강합니다.

예를 들어, 뼈는 무게가 같을 경우 강철보다 더 강합니다. 그 비결은 무엇입니까? 모양이 공학적으로 잘 만들어져 있다는 것도 어느 정도 답이 될 수 있지만, 중요한 원인은 더 깊은 곳 즉 분자 수준에서 찾을 수 있습니다. “살아 있는 유기체의 성공 비결은 가장 작은 구성 요소의 설계와 결합 방식에 있다”고, 게이츠는 설명합니다. 그러한 가장 미세한 구성 요소를 자세히 연구한 결과, 과학자들은 뼈에서부터 비단에 이르기까지 자연이 생산해 낸 제품이 부러울 정도로 강하면서도 가벼운 특질을 띠게 해 주는 물질을 분리해 냈습니다. 그들이 발견한 그 물질은 다양한 형태의 천연 복합 재료입니다.

복합 재료의 기적

복합 재료란 두 개 이상의 물질이 결합하여 원래 성분보다 더 뛰어난 특성을 지닌 새로운 물질이 형성될 때 생겨나는 고체 재료를 말합니다. 그 예로 보트의 선체, 낚싯대, 활, 화살 등 스포츠 용품에 일반적으로 사용되는 합성 복합 유리 섬유를 들 수 있습니다. * 유리 섬유는 액체 상태이거나 젤리 같은 상태인 플라스틱 기지 재료(‘고분자’라고 함)에 유리의 미세한 섬유를 고정시켜서 만듭니다. 고분자가 굳거나 고정되면, 최종 결과로 가볍고 강하면서도 유연한 복합 재료가 만들어집니다. 섬유와 기지 재료의 종류가 다양하면, 엄청나게 다양한 제품을 만들 수 있습니다. 물론, 인간이 만든 복합 재료는 인간이나 동식물에서 발견되는 천연 복합 재료에 비하면 아직 유치한 수준입니다.

인간과 동물의 경우에는 유리의 섬유나 탄소의 섬유 대신 콜라겐이라는 섬유 단백질이 피부, 내장, 연골, 힘줄, 뼈, 치아(법랑질 제외) 등을 강화하는 복합 재료의 기초가 됩니다. *  한 참고 문헌에서는, 콜라겐을 기본으로 하는 복합 재료가 “구조를 지니고 있는 것으로 알려진 복합 재료 가운데 가장 진보된 것에 속한다”고 설명합니다.

예를 들어, 근육을 뼈에 고정시키는 힘줄에 관해 생각해 보도록 하겠습니다. 힘줄이 주목할 만한 이유는, 단지 콜라겐을 기본으로 하는 힘줄의 섬유가 질기기 때문만이 아니라 그 섬유가 놀라운 방법으로 서로 꼬여 있기 때문입니다. 재닌 비니어스는 자신의 저서 「생체 모방」(Biomimicry)에서 이렇게 기술합니다. “[꼬여 있는 힘줄을 풀어 보면] 힘줄이 거의 믿어지지 않을 정도로 정확하게 여러 층으로 이루어져 있다는 것을 알게 된다. 팔뚝에 있는 힘줄은 현수교에 사용된 케이블처럼 생긴 줄들이 서로 꼬여서 다발을 이루고 있다. 이 각각의 줄도 그보다 가느다란 줄들이 서로 꼬여서 다발을 이루고 있다. 그 가느다란 각각의 줄 역시 분자들이 서로 꼬여서 다발을 이루고 있으며, 물론 이 분자 다발도 원자들이 나선형으로 서로 꼬여서 다발을 이루고 있다. 수학적 아름다움이 연속적으로 펼쳐지는 것이다.” 그것은 “눈부신 공학적 산물”이라고 비니어스는 말합니다. 과학자들이 자연의 설계로부터 영감을 얻는다고 자기 입으로 말해도 놀랄 것이 무엇이 있겠습니까?—비교 욥 40:15, 17.

 이미 언급한 것처럼, 인간이 만든 복합 재료는 자연의 복합 재료에 비하면 아무것도 아닙니다. 하지만 합성 물질은 인간이 만든 놀라운 제품입니다. 사실, 합성 물질은 지난 25년 동안 공학이 이룩한 가장 뛰어난 업적 10가지 가운데 하나로 꼽힙니다. 예를 들면, 흑연 섬유나 탄소 섬유를 기본으로 하는 복합 재료 덕분에 차세대 항공기와 우주선의 부품, 스포츠 용품, 포뮬러 원 경주용 자동차, 요트, 경량 인공 수족 등이 등장하게 되었습니다. 이것은 급속히 불어나고 있는 목록에서 단지 몇 가지 품목만 언급한 것에 불과합니다.

경이로운 다목적 고래 기름

고래와 돌고래는 모르고 있겠지만, 그것들의 몸은 경이로운 조직으로 둘러싸여 있습니다. 그것은 바로 지방의 일종인 고래 기름입니다. “고래 기름은 아마 우리가 알고 있는 물질 가운데 가장 많은 기능을 가진 물질일 것”이라고, 「생체 모방 공학: 물질의 설계와 가공」 책에서는 알려 줍니다. 이 책은 그 이유를 설명하면서, 고래 기름은 놀라운 부유 기관으로서 고래가 숨을 쉬기 위해 수면으로 떠오르는 데 도움이 된다고 부언합니다. 고래 기름은 이 온혈 포유 동물이 대양의 차디찬 물로 인해 체온을 빼앗기지 않게 해 주는 아주 훌륭한 단열재입니다. 또한 고래가 아무것도 먹지 않고 수천 킬로미터를 이동하는 동안 더할 나위 없이 좋은 식품 창고가 되어 줍니다. 사실, 지방은 단위 무게 당 에너지 발생량이 단백질과 당분의 두 배 내지 세 배나 됩니다.

위에 언급한 책에서는 이렇게 설명합니다. “고래 기름은 또한 고무처럼 매우 탄력이 강한 물질이다. 현재 우리가 할 수 있는 가장 정확한 추산에 따르면, 고래가 장기간 계속 헤엄칠 경우에는 꼬리를 칠 때마다 수축과 이완이 반복되는 고래 기름의 탄력으로 인해 반동이 생기면서 가속도가 붙기 때문에 에너지 소비량이 최고 20퍼센트까지 절약될 수 있다.”

고래 기름은 여러 세기 동안 채취되어 왔지만, 고래 기름의 절반 정도가 고래의 몸을 얼키설키 복잡하게 둘러싸고 있는 콜라겐 섬유로 이루어져 있다는 사실이 밝혀진 것은 최근의 일입니다. 과학자들은 그 지방질 복합 재료의 기능을 밝혀 내기 위해 아직도 노력하고 있지만, 그들은 인공으로 합성하여 생산하기만 하면 다방면으로 유용하게 응용할 수 있는 또 다른 경이로운 물질을 발견했다고 생각합니다.

다리가 여덟 개 달린 공학의 천재

최근 몇 년 동안, 과학자들은 또한 거미를 매우 자세히 관찰해 왔습니다. 그들은 거미가 어떻게 거미줄을 만드는지를 몹시 이해하고 싶어합니다. 거미줄 역시 복합 재료입니다. 매우 다양한 곤충이 줄을 만드는 것은 사실이지만, 거미줄은 특별합니다. 한 과학 저술가는 지상에서 가장 강한 물질 가운데 하나인 거미줄을 “환상적인 물질”이라고 하였습니다. 거미줄이 얼마나 뛰어난 물질인지 그 놀라운 특성들을 열거하면 믿어지지 않을 정도입니다.

과학자들이 거미줄을 묘사할 때 찬사를 아끼지 않는 이유는 무엇입니까? 강철보다 다섯 배나 더 강할 뿐 아니라 탄력도 뛰어나기 때문입니다. 이 두 가지 특성을 겸비한 물질은 매우 드뭅니다. 거미줄은 탄력이 가장 뛰어난 나일론보다도 30퍼센트나 더 많이 늘어납니다. 하지만 거미줄은 스프링 달린 매트처럼 튀어 오르지  않기 때문에 거미의 먹이를 공중으로 날려보내는 법이 없습니다. “인간의 관점에서 설명하자면, 물고기를 잡는 그물과 비슷하게 생긴 거미집으로 여객기를 잡을 수 있는 것이나 마찬가지”라고, 「사이언스 뉴스」지에서는 알려 줍니다.

두 종류의 거미가 심지어 일곱 가지나 되는 거미줄을 만드는 것을 볼 때, 화학 물질을 만들어 내는 거미의 뛰어난 능력을 모방할 수만 있다면 거미줄을 어떻게 이용할 수 있을지 상상해 보십시오! 몇 가지 가능성만 언급하더라도, 크게 개선된 안전 벨트와 봉합사, 인공 인대, 가벼운 줄과 케이블, 방탄 섬유 등에 이용할 수 있을 것입니다. 또한 과학자들은 거미가 유독성 화학 물질도 사용하지 않고 어떻게 그토록 효율적으로 거미줄을 만드는지 이해하려고 노력하고 있습니다.

천연 변속 장치와 제트 엔진

오늘날의 세상은 변속 장치와 제트 엔진 덕분에 계속 돌아가고 있다고 해도 과언이 아닙니다. 하지만 그러한 설계에 있어서도 자연이 우리를 앞섰다는 사실을 당신은 알고 있었습니까? 변속 장치를 예로 들어 보겠습니다. 변속 장치 덕분에 우리는 차량의 기어를 바꿔서 엔진을 가장 효율적으로 이용할 수 있습니다. 자연의 변속 장치도 그와 마찬가지이지만, 그것은 엔진과 바퀴를 연결하는 것이 아닙니다. 그런 것이 아니라, 날개와 날개를 연결합니다! 그러면 어디에서 그러한 변속 장치를 찾아볼 수 있습니까? 평범한 파리에게서 찾아볼 수 있습니다. 파리는 날개에 3단 기어가 장착되어 있어 날아다니면서 기어를 바꿀 수 있습니다!

오징어, 문어, 앵무조개 등은 모두 일종의 제트 추진 장치를  이용하여 물 속을 헤엄쳐 다닙니다. 과학자들은 그러한 제트 추진 장치를 부러운 눈초리로 바라봅니다. 이유가 무엇입니까? 그러한 장치를 구성하고 있는 부드러운 부품들이 파열되지 않고 엄청난 수압을 견딜 수 있을 뿐 아니라 조용하면서도 효율적으로 작동하기 때문입니다. 사실, 오징어는 포식자에게서 도망갈 때는 제트 추진 장치처럼 물을 내뿜으면서 시속 최고 32킬로미터의 속도로 달아날 수 있으며 “어떤 경우에는 심지어 물 속에서 선박의 갑판 위로 뛰어오르기도 한다”고, 「미개한 과학 기술」 책에서는 알려 줍니다.

그렇습니다. 잠시만 시간을 내어 자연계에 관해 곰곰이 생각해 보면 우리는 외경심과 감사하는 마음으로 가득 차게 될 수 있습니다. 자연은 참으로 꼬리에 꼬리를 물고 의문이 생기게 하는 살아 있는 수수께끼입니다. 반딧불이와 특정한 조류(藻類)는 어떤 경이로운 화학 물질을 사용하기에 매우 밝은 빛을 발하면서도 열이 발생하지 않는 것입니까? 극한 지방에 서식하는 다양한 물고기와 개구리는 어떻게 겨울철에 꽁꽁 얼어붙어 있다가 녹아서 다시 활동할 수 있는 것입니까? 고래와 물개는 어떻게 호흡 장비도 없이 장시간 물 속에 머물 수 있는 것입니까? 게다가 그 동물들은 어떻게 일반적으로 잠수병이라고 부르는 감압병에 걸리지도 않고 깊은 물 속으로 반복해서 잠수할 수 있는 것입니까? 카멜레온과 갑오징어는 어떻게 주위 환경과 구분되지 않도록 몸 색깔을 바꿀 수 있는 것입니까? 벌새는 어떻게 3그램도 되지 않는 연료로 멕시코만을 횡단하는 것입니까? 질문을 열거하자면 끝이 없을 것 같습니다.

실로, 인간은 그저 바라보면서 경탄하는 수밖에 달리 도리가 없는 것 같습니다. 과학자들은 자연을 연구하면서 “거의 숭배에 가까운” 외경심을 갖게 된다고, 「생체 모방」 책에서는 알려 줍니다.

 설계 배후에는 설계자가 있다!

생화학 부교수인 마이클 비히는, 살아 있는 세포 안에서 최근에 여러가지 사실이 발견되면서 “‘설계되지 않고서는 이럴 수가 없다!’는 귀청이 떨어져 나갈 정도로 크고 분명한 외침”이 있었다고 설명하였습니다. 그는 세포를 연구하기 위해 기울인 그러한 노력의 결과는 “너무나 명백하고 의미심장하기 때문에 과학 역사상 가장 큰 업적 가운데 하나로 평가되어야 한다”고 부언하였습니다.

설계자가 있다는 증거는 진화론을 신봉하는 사람들에게는 당연히 문제가 됩니다. 진화론으로는 생물 속에서 찾아볼 수 있는 정교한 설계를 설명할 수 없기 때문입니다. 특히 세포와 분자 수준에서는 더욱 그러합니다. “생명 현상에 대한 다윈식의 설명은 영원히 증명되지 않을 것이라고 생각할 수밖에 없는 여러가지 이유가 있다”고 비히는 말합니다.

다윈 시대에는 살아 있는 세포—생명의 기초—가 단순하다고 생각했으며, 진화론은 상대적으로 무지했던 그러한 시기에 생겨난 것입니다. 하지만 이제 과학은 그러한 수준을 벗어났습니다. 분자 생물학과 생체 모방 공학은 세포가 정교하고 완벽한 설계로 가득 찬 엄청나게 복잡한 물체임을 의문의 여지 없이 증명해 주었습니다. 그러한 설계에 비하면 우리가 가지고 있는 가장 정교한 장치와 기계의 내부 작동 방식도 유치해 보입니다.

뛰어난 설계를 고려해 볼 때 우리는 “지성 있는 존재가 생물을 설계했다”는 논리적인 결론에 이르게 된다고, 비히는 말합니다. 그러므로 그 지성 있는 존재가 또한 목적 즉 인간도 관련되어 있는 목적을 가지고 있다고 생각하는 것이 합리적이지 않겠습니까? 만일 그렇다면, 그 목적이란 무엇입니까? 우리가 우리의 설계자에 관해 더 많은 점을 배우는 일은 가능합니까? 이어지는 기사에서는 그러한 중요한 질문들을 살펴볼 것입니다.

[각주]

[5면 네모]

멸종된 파리의 도움을 받아 태양 전지판을 개량하다

「뉴 사이언티스트」지의 보도에 따르면, 한 과학자가 박물관을 견학하다가 호박(琥珀) 속에 보존되어 있는 멸종된 파리의 사진을 보게 되었다. 이 과학자는 그 곤충의 눈에 있는 격자 무늬에 주목하고는 그러한 구조가 파리의 눈이 더 많은 빛을 받는 데 도움이 되지는 않았을지, 특히 매우 비스듬한 각도에서는 더욱 그러하지 않았을지 생각해 보았다. 그를 비롯한 여러 연구원이 실험을 시작했으며, 그들의 예감이 옳았음이 확증되었다.

얼마 안 있어 과학자들은 태양 전지판의 유리에 똑같은 격자 무늬를 새겨 넣으려는 계획을 세웠다. 그렇게 함으로 그들은 태양 전지판에서 발생하는 에너지가 증가하기를 바랐다. 그렇게만 된다면, 현재 태양 전지판이 계속 태양을 향해 있게 하는 데 필요한 고가의 추적 장치가 필요 없게 될 수도 있다. 태양 전지판이 개량된다는 것은 그만큼 화석 연료의 사용이 줄어드는 것을 의미할 수 있으며, 따라서 오염도 줄어들 수 있음을 의미한다. 참으로 추구할 만한 가치가 있는 목표인 것이다. 이러한 발견은 자연이 사실상 뛰어난 설계의 보고임을 우리가 인식하는 데 분명히 도움이 된다. 그러한 뛰어난 설계는 우리가 자기들을 발견하여 이해하고, 가능하다면 유용한 방법으로 모방해 주기를 기다리고 있다.

[6면 네모]

영예를 받을 만한 대상에게는 영예가 돌아가게 해야

1957년에 스위스의 공학자인 조르지 드 메스트랄은 자기 옷에 들러붙어 잘 떨어지지 않는 작은 가시들 표면에 미세한 고리들이 달려 있다는 사실에 주목하였다. 그는 이 가시들과 거기에 달려 있는 고리들을 연구했으며, 얼마 안 있어 그의 창조적인 정신에는 불이 붙게 되었다. 그 후 8년 동안, 그는 그 가시와 유사한 합성 물질을 만들어 내려고 노력하였다. 단추 대신 쓰는 나일론제 접착포(布)인 그의 발명품은 세계적인 성공을 거두었으며, 현재는 벨크로라는 이름으로 잘 알려져 있다.

벨크로가 설계된 것이 아니라 작업실에서 돌발적인 사건이 수없이 일어나다 보니 어쩌다 만들어진 것이라고 세상에 알려졌다면 드 메스트랄이 어떻게 느꼈을지 상상해 보라. 영예를 받을 만한 대상에게는 영예가 돌아가게 하는 것이 공평하고 공정한 일임이 분명하다. 인간 발명가들은 합당한 영예를 받기 위해 특허를 취득한다. 그렇다. 인간은 자신이 만든 것에 대해 당연히 영예와 재정적 보상, 심지어 찬사를 받고 싶어하는 것 같다. 그런데 인간이 만든 것은 자연에 있는 것을 흉내내어 만들기는 했지만 그에 미치지 못하는 경우가 많다. 우리의 지혜로운 창조주께서도 그분이 만드신 원래의 완벽한 작품들에 대해 그에 합당한 인정을 받으시는 것이 마땅하지 않겠는가?

[5면 삽화]

뼈는 무게가 같을 경우 강철보다 더 강하다

[자료 제공]

Anatomie du gladiateur combattant ·⁠·⁠·., Paris, 1812, Jean-Galbert Salvage

[7면 삽화]

고래 기름은 몸을 떠오르게 하고, 열을 보존하며, 식품을 저장하는 역할을 한다

[자료 제공]

© Dave B. Fleetham/ Visuals Unlimited

[7면 삽화]

악어 가죽은 창이나 화살, 심지어 총알도 비스듬히 맞을 경우에는 튕겨 나간다

[7면 삽화]

거미줄은 강철보다 다섯 배나 더 강하면서도 탄력이 뛰어나다

[8면 삽화]

딱따구리의 뇌는 완충 장치 역할을 하는 밀도가 매우 높은 뼈의 보호를 받는다

[8면 삽화]

카멜레온은 주위 환경과 구분되지 않도록 몸 색깔을 바꾼다

[8면 삽화]

앵무조개는 부력을 조절할 수 있게 해 주는 특별한 공간이 있다

[9면 삽화]

루비목벌새는 3그램도 되지 않는 연료로 1000킬로미터나 날아간다

[9면 삽화]

오징어는 일종의 제트 추진 장치를 사용한다

[9면 삽화]

반딧불이는 경이로운 화학 물질을 사용하기 때문에 매우 밝은 빛을 발하면서도 열이 발생하지 않는다

[자료 제공]

© Jeff J. Daly/Visuals Unlimited