Journal: Biosemiotics Pattern without Message: From Environmental Organization to Selective Relevance
이 연구는 *Saccharomyces cerevisiae*와 같은 생명 시스템이 신호원 자체가 아니라 환경 내의 특정하고 지속적인 음향 패턴에 반응한다는 것을 입증하며, 이는 매질이 가용한 차이들을 여과하고 유기체가 기호학적 비계 설정을 가능하게 하기 위해 그 차이들과 선택적으로 관여하는 "이중 선택" 과정을 보여주는데, 이는 완전한 기호 작용을 구성하지 않으면서도 이루어진다.
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생명체는 끊임없이 물리적 세계의 충격을 받는다. 산들바람이 잎사귀를 스치고, 그림자가 연못 위로 드리워지며, 음파가 공기 속을 가로질러 퍼져 나간다. 그러나 생존을 위해서 생명체는 모든 미세한 물리적 차이를 중요하게 다룰 수 없다. 만약 세포가 주변의 아주 작은 변화 하나하나에 모두 반응한다면, 그것은 압도당하고 말 것이다. 생명체가 어떻게 작동하는지에 대한 핵심적인 수수께끼는, 이 끝없는 물리적 차이들 중 무엇이 실제로 중요한지를 생명체가 어떻게 결정하느냐를 이해하는 데 있다. 어떤 차이는 그저 소음에 불과하지만, 어떤 차이는 행동, 성장 또는 발달의 변화를 유발한다. 이러한 과정을 통해 세상을 생물학적으로 유의미한 것으로 걸러내는 작업은, 생명체가 환경과 어떻게 상호작용하는지를 이해하는 출발점이 된다.
과학자들은 유기체가 물리적 세계를 있는 그대로 경험하지 않는다는 사실을 오래전부터 알고 있었다. 대신, 유기체는 자신의 필요와 감각에 의해 형성된 개인적인 세계 속에서 살아간다. 바위에게는 그저 진동일 뿐인 소리가 새에게는 경고 신호가 될 수 있다. 하지만 소리가 신호가 되기 전, 그 소리는 먼저 근원으로부터 유기체에 도로 전달되는 여정에서 살아남아야 한다. 소리가 물, 공기, 또는 용기의 벽을 통과할 때, 소리는 변한다. 소리는 왜곡되고, 어떤 부분은 더 커지며, 다른 부분은 더 작아진다. 이번 연구팀이 해결하고자 했던 질문은 단순하면서도 심오했다. 소리가 마침내 살아있는 세포에 도착했을 때, 그 소리는 실제로 어떤 모습이며, 그 특정한 소리의 형태가 세포에게 중요한가 하는 점이었다.
답을 찾기 위해 연구진은 매우 단순한 형태의 생명체인 효모(baker's yeast)를 활용했다. 효모는 단세포 균류로, 귀도 없고 뇌도 없으며 신경계도 없다. 효서는 인간이나 동물처럼 소리를 '듣는' 것이 아니다. 이는 실험의 완벽한 대상이 되었는데, 효모가 보이는 어떤 반응도 메시지를 '듣거나' 목소리를 인식하는 것으로 설명될 수 없기 때문이다. 과학자들은 의미가 제거된 소리의 물리적 구조 자체가 여전히 세포에 영향을 미칠 수 있는지 확인하고자 했다. 연구진은 효모 배양액을 다섯 가지 유형의 소리, 즉 합성 톤, 인간의 노래, 휘파람 소리, 짧은 충격 소음, 그리고 넓은 범위의 정적 소음에 노출시켰다.
그러나 연구진은 스피커에서 생성된 소리가 효서가 실제로 경험하는 소리와 같지 않다는 점을 알고 있었다. 소리는 고무 인터페이스, 유리 시험관, 그리고 효모가 담긴 액체 매질을 통과해야 한다. 이 시스템을 통과하면서 소리 파동은 튕겨 나가고, 서로 간섭하며, 변화한다. 효모가 진정으로 무엇을 느끼는지 이해하기 위해, 연구팀은 하이드로폰(hydrophone)이라 불리는 민감한 수중 마이크를 효모 세포가 위치한 바로 그 자리에 배치했다. 그들은 기계에서 송출된 소리가 아니라, 액체 내부에서 존재하는 상태의 소리를 기록했다.
연구 결과, 환경이 소리를 복잡한 방식으로 재형성하는 필터 역할을 한다는 사실이 밝혀졌다. 효모에 도달한 소리는 단순히 원래 소리가 작아진 버전이 아니라, 독특한 구조를 가진 새로운 음향적 조건이었다. 소리의 일부 규칙적인 패턴은 보존되었지만, 다른 패턴들은 완전히 사라졌다. 예를 들어, 노래하는 목소리나 합성 톤의 리듬감 있는 규칙성은 유리와 액체를 통과하면서 흔히 흐트러졌고, 원래의 타이밍을 많이 잃었다. 그러나 소리의 에너지 안정성과 같은 다른 특징들은 놀라울 정도로 온전하게 유지되었다. 연구진은 이러한 생존한 특징들을 측정하는 방법을 만들어, 이를 하나의 점수로 결합하여 세포에 도달했을 때 소리가 얼마나 '구조적'이었는지를 설명했다.
이 점수를 효모의 반응과 비교했을 때, 명확한 패턴이 나타났다. 효서은 소리의 크기에 반응하지 않았으며, 인간의 목소리인지 기계음인지와 같은 특정 소리 근원의 종류에도 반응하지 않았다. 대신, 효모는 환경을 통과한 후 남아있는 소리의 조직화 정도에 반응했다. 세포에 도달한 소리가 높은 수준의 구조적 질서를 유지하고 있을 때, 효모는 성장률에서 유의미한 변화를 보였다. 반대로, 도착한 소리가 무질서하고 혼돈스러울 때 효서의 반응은 거의 없었다.
연구팀은 단순히 성장률 그 이상을 조사했다. 그들은 효모 세포의 내부 구조, 구체적으로 세포의 모양을 유지하고 이동을 돕는 단백질 섬유 네트워크를 살펴보았다. 현미 микро스코프(현미경) 아래에서, 연구진은 고도로 구조화된 소리에 노출된 세포들이 내부 섬유를 명확하고 극성 있는 방식으로 조직하여 특정 방향으로 성장을 준비하는 것을 관찰했다. 반면, 무질서한 소리에 노사된 세포들은 섬유가 흩어져 있고 확산된 상태를 유지했다. 이러한 내부 구조의 차이는 세포가 증식을 위해 자극받았을 때 형태가 변하는 방식에서도 관찰되었다. 구조화된 소리에 노출된 세포들은 뚜렷하고 길쭉한 돌기를 형성한 반면, 비구조적인 소리에 노출된 세포들은 둥글고 형태를 갖추지 못한 상태로 남았다.
이 발견은 두 단계의 선택 과정을 시사한다. 첫째, 물리적 환경이 소리의 어떤 부분이 여정을 통과해 살아남을지를 선택한다. 유리관과 액체 매질은 문지기 역할을 하며, 어떤 패턴이 남아있을지를 결정한다. 둘째, 유기체가 그 살아남은 패턴 중 무엇이 관련 있는지 선택한다. 효모는 자신에게 도달한 모든 소리에 반응한 것이 아니라, 일정한 수준의 구조적 질서를 유지한 소리에만 반응했다. 이는 환경 자체가 생명체가 무엇을 인지할 수 있는지를 결정하는 과정에서, 생명체가 어떤 조치를 취할지 결정하기도 전에 이미 능동적인 역할을 수행한다는 것을 의미한다.
이 연구는 효모가 '듣고 있다'거나 소리가 의미를 담은 메시지라고 주장하는 것이 아니다. 효모는 소리를 노래나 경고로 해석하는 것이 아니다. 대신, 이 연구는 의미가 존재하기 전 단계에서 일어나는 근본적인 과정을 강조한다. 세상의 차이가 신호가 되기 위해서는, 먼저 물리적 매질을 통해 안정적이고 조직된 패턴으로서 지속되어야 한다. 환경은 조직된 차이라는 원재료를 제공하고, 살아있는 시스템은 그 특정한 패턴들과 관계를 맺는다. 효모에게 중요한 소리는 재생된 소리가 아니라, 그것이 지나온 세계에 의해 재형성되어 실제로 도착한 소리이다. 이 연구는 생명의 물리적 구조가 생명체가 무엇을 주목할지를 결정함에 있어 생물학적 기제만큼이나 중요하다는 것을 보여줌으로써, 생명이 주변 환경과 연결되는 방식에 대한 새로운 관점을 제시한다.
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