Evolutionary path dependence of semantic complexity

"과도함"의 퍼즐

당신이 지구 생명체의 역사를 바라보고 있다고 상상해 보십시오. 그것은 마치 계속해서 더 높이 올라가는 사다리처럼 보입니다. 단순한 분자들이 세포가 되었고, 단세포 생물이 다세포 생물이 되었으며, 그 생물들은 동일한 신체 부위를 가진 상태에서 눈, 날개, 발톱과 같이 고도로 전문화된 기관을 가진 상태로 성장했습니다. 우리는 흔 이를 "더 복잡해지는 것"이라고 부릅니다. 하지만 까다로운 점은, 과학자들이 실제로 "복잡성"이 무엇을 의미하는지에 대해 합의하는 데 어려움을 겪는다는 것입니다. 그것은 단순히 생물이 가진 부품의 개수를 세는 것일까요? 아니면 그 부품들이 얼마나 유용한가에 관한 것일까요?

이 논문을 이해하려면 자주 혼동되는 두 가지 개념을 구분해야 합니다. 첫째, **구문적 복잡성(syntactic complexity)**이 있습니다. 이것은 "설명서"의 길이라고 생각하면 됩니다. 이는 그 생물이 하는 일과 상관없이, 생물이 가진 서로 다른 부품이 얼마나 많은지를 단순히 세는 것입니다. 이는 도구 내부의 도구가 실제로 유용한지 묻지 않고 공구함의 크기를 측정하는 것과 같습니다. 둘째, **의미적 복잡성(semantic complexity)**이 있습니다. 이것은 "유용함"에 관한 부분입니다. 이것은 오직 생존과 번식에 도움이 되는 특징만을 계산합니다. 만약 어떤 생물이 생존에 아무런 도움이 되지 않는 화려하고 복잡한 꼬리를 가지고 있다면, 그것은 구문적 수치에는 더해지지만 의미적 점수에는 0점을 더할 뿐입니다. 이 논문이 던지는 핵심 질문은 이것입니다: 복잡해지는 것이 항상 동물의 생존을 돕는가? 아니면 동물들이 가끔 아무런 이유 없이 그저 복잡해지기만 하는 것인가?

진화적 우회로의 이야기

이 연구에서 연구자 엘리엇 M. 버터워스(Elliot M. Butterworth), 팀 로저스(Tim Rogers), 매튜 A. 윌스(Matthew A. Wills)는 이 두 가지 유형의 복잡성이 시간이 흐름에 따라 어떻게 전개되는지 관찰하기 위해 수학적 모델을 구축했습니다. 그들은 실제 화석이나 살아있는 벌레를 관찰한 것이 아니라, "모델 생물"들의 가상 세계를 만들었습니다. 이 생물들이 모두 같은 일을 하는 동일한 다리 세트를 가지고 있다고 상상해 보십시오. 이 생물의 목표는 이동하기, 먹이 모으기, 먹기라는 세 가지 필수 과업을 수행함으로써 생존하는 것입니다.

과학자들은 이 모델 생물들이 "돌연변이"를 일으키도록 함으로써 진화를 시뮬레이션했습니다. 이 모델에서의 돌연변이는 새로운 수준의 자유를 얻는 것과 같습니다. 처음에는 모든 다리가 동일한 쌍둥이처럼 강제되어 있었습니다. 돌연변이는 "대칭을 깨뜨려", 한 쌍의 다리가 나머지 다리들과 다르게 진화할 수 있도록 허용했습니다. 이는 현실에서 갑각류(예: 새우나 곤충)의 일부 다리가 먹이를 잡기 위한 집게로 변하는 반면, 다른 다리들은 여전히 걷는 막대기로 남아 있는 것과 유사합니다.

연구진은 진화가 항상 산 정상으로 가는 가장 직접적인 경로를 택하지 않는다는 것을 발견했습니다. 그들은 복잡성이 성장하는 두 가지 뚜렷한 방식을 발견했습니다:

1. 추동 모드(The Driven Mode): 이것은 "스마트한" 경로입니다. 여기서 생물은 즉시 생존에 더 도움이 되는 더 복잡한 신체 부위(예: 전문화된 집게)를 갖게 됩니다. 이 모드에서는 "설명서"가 길어지지만(구문적 복잡성), 동시에 생물의 적응도(fitness)도 높아집니다(의미적 복잡성). 새로운 복잡성이 실제로 유용하기 때문에 두 가지가 함께 상승합니다.
2. 엔트로피 모드(The Entropic Mode): 이것은 "표류하는" 경로입니다. 어떤 생물이 이미 생존을 위한 완벽한 방법을 찾아냈다고 가정해 봅시다. 그것은 최고의 집게와 최고의 다리를 가지고 있습니다. 만약 그 생물이 다시 돌연변이를 일으켜 자신의 다른 다리들을 약간 다르게 만든다면, 그것은 생존에 더 나아지지 않습니다. 생존 능력은 이전과 똑같습니다. 그러나 "충분히 좋은" 신체 부위들을 배열하는 방법이 더 많아졌기 때문에, 생물의 몸은 우연히 더 복잡한 방향으로 표류할 수 있습니다. 이 모드에서는 "설명서"의 페이지는 늘어나지만, 생물의 적응도는 올라가지 않습니다. 이는 레시피를 바꾸지 않으면서 설명서의 페이지를 더 추가하는 것과 같습니다.

가장 놀라운 발견은 역사와 운에 관한 것입니다. 이 논문은 계통이 어떤 경로를 걷느냐가 매우 중요하다는 점을 시사합니다. 만약 어떤 생물이 "지역 최적점(local optimum)"—즉, 최선은 아니지만 충분히 좋은 해결책—에 갇히게 된다면, 그 생물은 마침내 전역 최적점(global peak)에 도달하기 위해 오랫동안 "추동된" 단계(더 나아지기 위해 더 복잡해지는 과정)를 거쳐야 합니다.

이것을 높은 산봉우리에 도달하려는 등산객에 비유해 보십시오.

• 직접적인 경로: 한 등산객은 바닥에서 시작하여 직선의 가파른 길을 따라 올라갑니다. 그들은 최소한의 걸음으로 빠르게 정상에 도달합니다. 그들은 건강하고 단순합니다.
• 간접적인 경로: 다른 등산객은 더 낮고 작은 언덕에 갇힙니다. 진짜 정상에 도달하기 위해서, 그는 계속해서 작은 능선들을 넘고 올라가야 합니다. 그는 훨씬 더 많이 걸어야 하고 훨씬 더 무거운 배낭(더 복잡한 몸)을 짊어져야만 같은 고도에 도달할 수 있습니다.

연구는 이 "간접적인 경로"를 택한 계통들이 직접적인 경로를 택한 계통들보다 훨씬 더 많은 구문적 복잡성(더 많은 신체 부위, 더 많은 차이점)을 갖게 된다는 것을 보여줍니다. 그들은 초기에 만났던 막다른 길들을 돌아가기 위해 "추가적인" 복잡성을 진화시켜야만 했습니다. 비록 그들이 도달한 적응 수준은 동일할지라도 말입니다.

저자들은 또한 이것이 왜 어떤 생물들이 믿기 힘들 정도로 복잡해 보일 수 있는지 설명한다고 지적합니다. 때때로 복잡성은 단순히 진화의 역사 속에서 구불구불한 길을 지나온 부수적인 결과일 뿐입니다. 일단 어떤 생물이 복잡한 형태에 갇히면, 설령 단순한 것이 생존에 똑같이 좋더라도 다시 단순한 상태로 돌아가는 것은 어려울 수 있습니다. 이 논문은 우리가 단순히 신체 부위의 개수를 세는 것을 멈추고, 다음과 같이 질문하기 시작해야 한다고 제안합니다: "이 복잡성이 실제로 도움이 되고 있는가, 아니면 그저 역사적인 사고의 결과인가?"

요약하자면, 이 논문은 복잡성이 항상 더 "나아짐"의 징표는 아니라고 주장합니다. 때때로 그것은 생명의 풍경 속에서 경치 좋고 구불구불한 경로를 선택한 결과일 뿐이며, 그 과정에서 당신이 짊어진 짐이 무거워진 이유는 그것이 필요해서가 아니라, 초기에 길을 잘못 들어 따라잡기 위해 계속 걸어야 했기 때문입니다.