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배 시 애
생명현상의 물리학적 이해(2)
협동현상과 떠오름/복잡계와 복잡성
1.협동현상과 떠오름
2
생명과학의 이해
협동현상 (cooperative phenomena)
• 구성원들의 상호작용 결과로서 일어나는 상전이 등의 뚜렷한 상태변화 현상
떠오름 (emergence 창발(創發))
• 구성원들의 협동으로 구성원 하나 하나에서 볼 수 없는 집단성질이 생겨나는 것(나무와 숲)
환원론의 문제점
자연현상에 대한
환원주의적 연구는
전체는 부분의 합이라는
관점을 받아들여 부분을
알면 전체를 알 수
있다는 주장이 환원론의
기본 전제이다.
그러나, 협동현상에 의한
떠오름의 성질은 이러한
환원론적기본전제로
설명할 수 없다.
H2O 분자 협동현상과 떠오름
생명과학의 이해
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얼음(Ice)과 눈 결정(snow crystal) 수소결합을 하고 있는 H2O 분자가 육각형
구조를 이루어 중간에 빈 공간이 많이 생긴 것
물(water) H2O 1분자에 H2O 4분자가 수소결합
(생명유지에 필요한 물의 특성이 떠오름)
수증기(water vapor) H2O 분자간에 있던
수소결합이 끊어진 것
1.(Cont.)
Courtesy Wikipedia
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생명과학의 이해
생명: 협동현상에 의해 떠오르는 신비로운 집단성질
1.(Cont.)
Courtesy Wikipedia
복잡계(complex systems)
많은 요소와 구성원으로 이루어진 계
구성원 사이에 많은 수의 협동현상(상호작용)이 있는 계
협동현상으로 자기 조직화 됨으로써 떠오름(창발성)을 가진 계
시간의 흐름에 따라 진화하고 펼쳐지는 과정에 있는 계
많은 요소들의 상호 간섭으로 인해서 어떤 패턴을 형성하거나, 예상 외의 성질을 나타내거나, 각 패턴이 각 요소 자체에 되먹임(feed back) 되는 계
생명과학의 이해
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2. 복잡계
복잡계는 그 구성 요소들과는 다른 새로운 복잡한 현상을 나타내지만
나름대로 질서를 보여주는 계(system) 이다.
3. 복잡성
사전적 의미
• 갈피를 잡기 어려울 만큼 여러 가지가 얽혀 있거나 어수선한 성질
물리학적 의미
• 질서 정연하거나 완전히 무질서하거나 하는 중간 사이에 서 흔히 나타나는 성질
• 엔트로피가 중간 쯤 되는 상태에 흔하고 크게 나타나는 성질
• 변이 가능성이 높은 성질
• 계(system)가 초기에는 복잡성을 보이지 않더라도 시간이 흐르면서 복잡성을 지닌 상태로 스스로 변해나간다
생명과학의 이해
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프렉탈(fractal)
• 공간에서 나타나는 이러한 복잡성은 스스로 닮음(self-similarity)으로 나타나며, 이러한 성질을 지닌 대상을 프렉탈이라 한다.
생명과학의 이해
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4. 공간적 복잡성: 프렉탈
프렉탈을 보여주는 우리나라
남서해안선 구조
4. (cont.)
생명과학의 이해
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프렉탈 도형
소수 (小數)를 포함하는 차원을 갖는다.
형성: 간단한 도형(형태) → 단순한 법칙에 따라 반복 시행 → 복잡성
증가 → 프렉탈 구조 형성
4. (cont.)
생명과학의 이해
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프렉탈 이론
작은 구조가 전체 구조와 비슷한 형태로 끝없이 되풀이 되는 구조
자기 유사성(self-similarity) 순환성(recursiveness)
불규칙하게 보이는 형상 속에 내재되어있는 규칙적인 패턴
혼돈 속에서 질서를 보이는 형상
부분이 전체이고 전체가 부분
4. (cont.)
자연에서 나타나는 프렉탈
생명과학의 이해
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신경그물얼개
(neural network)
신경세포들은 매우 많은 수가 복잡하게 그물얼개를 이루며 얽혀다.
우리 두뇌에는 신경세포가 대략 수백억에서 천억 개 정도라고 하며, 각 세포는 평균적으로 수만 개 가량의 다른 세포들과 연결되어 있다.
신경세포들이 복잡하게 다른 세포들과 연결돼 있는 그물얼개도 어느 정도 스스로 닮은 프렉탈 구조를 가지고 있다.
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두뇌 피질(cortex)의 신경그물얼개(neural network)
신경세포(neuron cell)들은 시냅스(synapse)로
연결을 하고 있다.
4. (cont.)
생명과학의 이해
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DNA 보관 방법
사람의 DNA는 0.01 mm의 세포 크기의 1/10되는 핵 안에 1/10억 m 크기의 염색사(chromatin) 형태로 실패에 실이 감겨 있듯이 감겨 보관되어 있다. 이를 풀면 길이가 약 1.8m 정도 된다. 이 좁은 공간에 길고 많은 유전정보를 1/10억 m 로 압축하여 담을 수 있는 방법은 프렉탈구조 뿐이다.
4. (cont.)
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5. 시간의 복잡성: 신호 1/f
공기 반 소리 반은 아름답다!
생명과학의 이해
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시간에 따라 변하는 신호(소리)의 빛 띠 분석
신호 (소리) 는 진동수, 파장으로 구성
빛 띠 분석 (sound spectrum analysis) : 빛은 진동수와 파장에 따라 스펙트럼을 통과하면 '빨주노초파남보' 무지개 빛깔로 나누어지듯 주어진 파장 또는 진동수를 지닌 성분을 각 빛깔로 대응시켜 분석
• 파장은 빨강이 가장 길고 보라가 가장 짧음
• 진동수는 빨강이 가장 낮고 보라가 가장 높음
• 홑진동수 신호 : 진동수가 하나로 주어진 소리, 단조로운 소리(예, 소리굽쇠), 신호색깔은 단색광(빨녹파)
• 하얀 신호: 모든 진동수 성분이 고르게 섞여 있는 신호, 완전히 시끄러운 소음(예, 하드락), 신호색깔은 백색광(빛깔이 고르게 섞여 있는 흰빛)
• 1/f 신호: 홑진동수 신호와 하얀 신호의 중간 신호(소리), 단조롭지 않고 너무 무질서하지도 않으며 적당하게 복잡한 듣기 좋은 소리(예, 자연 소리, 모짜르트, 바흐, 베토벤 등의 클래식음악, 히트곡)
5. (cont.)
생명과학의 이해
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홑진동수 신호
5. (cont.)
생명과학의 이해
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하얀 신호 (white sound)
영 유아의 울음신호
5. (cont.)
Courtesy Wikipedia
생명과학의 이해
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다양한 소음 신호
5. (cont.)
Courtesy Wikipedia
생명과학의 이해
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질서와 혼돈의 조화, 1/f 신호(음악)
클래식음악은 그 시작 음들의
변화폭이 그렇게 크지 않다.
그러나 대부분 다음 음들은
근처의 낮은 음이나 높은
음으로 옮겨가며 아름다운
음악을 연주한다.
1/f 음악 : 클래식음악에서는
음정의 변화하는 폭이 클수록
한 곡에서 나오는 횟수는 점점
줄어 그 빈도수가 주파수에
반비례하게 나오는 형식의 음악
1/f 신호: 심장박동소리, 자연의
소리, 고속도의 자동차의 흐름,
주식시세, 별의 반짝임, 뇌파
5. (cont.)
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심장박동소리 인체의 혼돈과 질서 신호
1/f 신호
홑 진동수 신호
5. (cont.)
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적당하게…
넘쳐나지도 모자라지도 않은
적당하게는 얼마나 아름다운 표현인가?
