Mutual Information for a Replicator System: the Role of Mutation
이 논문은 돌연변이가 없는 복제 시스템은 시간이 흐름에 따라 환경 서열에 대한 기억을 상실하는 반면, 돌연변이의 도입은 역설적으로 진화적 흐름의 해독을 용이하게 함으로써 집단이 과거 환경의 질서 정연한 이력을 유지하고 재구성할 수 있게 한다는 것을 입증한다.
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삶은 종종 생존을 위한 투쟁으로 묘사되지만, 그것은 또한 지속적인 경청의 행위이기도 하다. 유기체는 단순히 주변 세계에 반응하는 것이 아니라, 주변 환경으로부터 정보를 흡수하고 그 지식을 앞으로 전달한다. 박테리아 집단이나 곤충 군집이 변화하는 환경에 직면할 때, 그들의 유전적 구성은 새로운 현실에 맞추어 변화한다. 자연선택에 의해 추진되는 이 과정은 살아있는 집단이 일종의 기록 보관소로서, 자신이 생존해 온 환경의 기록을 저장하는 존재임을 시사한다. 그러나 근본적인 질문이 남는다. 그 역사의 얼마만큼이 현재의 집단 속에 실제로 보존되어 있는가? 집단은 자신이 오늘날의 위치에 도달하게 된 구체적인 사건의 순서를 기억하는가, 아니면 단지 자신이 경험한 것에 대한 막연한 요약만을 보유하고 있는가?
이를 이해하기 위해, 과학자들은 변화하는 세계 속에서 집단이 어떻게 변하는지를 관찰한다. 그들은 특정 환경에 더 적합한 서로 다른 유형의 유기체들로 구성된 집단을 가정한다. 환경이 변화할 때(예를 들어, 덥고 건조한 계절에서 춥고 습한 계절로 바뀔 때), 번성하는 유형이 변하며 전체적인 인구 구성의 혼합물도 진화한다. 이 탐구의 핵심은 최종적인 유기체의 혼합물이 관찰자에게 과거에 정확히 어떤 일이 일어났는지를 말해줄 수 있는지 여부이다. 구체적으로, 연구자들은 집단이 직면했던 가장 최근의 환경을 기억하는지, 아니면 경험한 모든 환경의 전체적인 순차적 역사를 재구성할 수 있는지를 알고 싶어 한다. 이 이야기의 핵심 변수는 유기체가 번식할 때 발생하는 무작위적인 복제 오류인 돌연변이다. 직관적으로 돌연변이는 과거를 흐릿하게 만들고 명확한 신호를 지워버리는 소음의 원천으로 간주된다. 돌연변이가 많아질수록 DNA에 기록된 역사를 읽기가 더 어려워질 것이라고 예상할 수 있다.
캘리포니아 대학교 샌디에이고 캠퍼스의 연구팀은 수학적 모델을 사용하여 이 질문을 조사했다. 그들은 온도 체계나 영양원과 같은 일련의 뚜렷한 환경을 통과할 때 집단의 구성이 어떻게 변하는지 추적했다. 그들은 최종 집단의 구성이 거쳐온 환경들에 대해 보유하고 있는 정보량을 측정했다. 그들의 연구는 놀라운 반전을 드러냈다. 돌연변이의 존재가 기억을 파괴하기보다는, 오히려 집단이 전체 역사의 정밀하고 순차적인 기록을 보유할 수 있게 해준다는 것이다.
연구진이 모델에서 돌연변이를 완전히 제거했을 때, 결과는 극명했다. 돌연변이가 없는 세상에서 집단의 구성은 과거의 단순한 합계처럼 작용했다. 만약 환경이 두 가지 상태 사이를 왔다 갔다 했다면, 최종적인 유기체의 혼합물은 각 상태가 발생한 순서가 아니라 각 상태가 몇 번 발생했는지에만 의존했다. 만약 인구가 더운 환경에서 열 번, 추운 환경에서 열 번을 보냈다면, 열이 먼저 왔는지 추위가 먼저 왔는지와 상관없이 결과는 동일했다. 환경 변화의 횟수가 늘어남에 따라, 가장 최근의 환경을 식별하는 집단의 능력은 사라졌다. 가장 최근 조건의 구체적인 신호가 축적된 과거의 무게에 의해 묻혀버린 것이다. 집단은 각 환경이 몇 번 나타났는지에 대한 완벽한 횟수는 보유했지만, 그 순서는 잃어버렸다. 이는 마치 집단이 수프의 재료는 기억하지만, 어떤 순서로 재료를 넣었는지는 잊어버린 것과 같았다.
그러나 연구진이 돌연변이를 도입하자 상황은 완전히 바뀌었다. 이 시나리오에서 집단은 단순히 경험을 합산하는 것이 아니라, 각 환경에 대해 특정한 안정 상태로 자리 잡았다. 만약 환경이 충분히 긴 시간 동안 일정하게 유지된다면, 집단은 해당 특정 조건에 대한 고유한 지문인 독특한 평형 구성으로 진화할 것이다. 연구진은 만약 환경들이 서로 충분히 다르다면, 그리고 각 환경에서 보내는 시간이 충분히 길다면, 집단을 절대적인 확신을 가지고 식별할 수 있다는 것을 발견했다. 최종적인 유기체 혼합물을 살펴봄으로써, 관찰자는 이전에 무슨 일이 있었는지와 상관없이 현재 어떤 환경이 존재하는지 정확히 결정할 수 있었다.
더욱 놀라운 발견은 이러한 명확성이 전체 과거로 확장된다는 점이었다. 이론적으로 집단의 특정 평형을 향한 움직임은 가역적인 과정이기 때문에, 연구진은 최종 상태로부터 역으로 추적할 수 있음을 보여주었다. 마지막 환경을 식별함으로써, 그들은 그 환경이 시작되기 직전의 집단 상태를 수학적으로 역추적하여 찾아낼 수 있었다. 이 단계를 반복함으로써, 그들은 집단이 경험한 전체 순차적 환경의 과정을 재구성할 수 있었다. 이는 돌연변이가 있을 때, 집단이 단지 과거의 요약본을 가진 것이 아니라 상세한 연대기적 일기를 보유하고 있음을 의미한다. 오류의 원인으로 생각되었던 돌연변이가, 다른 방식으로 보면 동일해 보일 수 있는 서로 다른 역사적 경로들을 집단이 구분할 수 있게 해주는 메커니즘을 제공한 것이다.
연구진은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이러한 이론적 발견을 확인했다. 그들은 두 종류의 유기체와 두 가지 환경을 가진 단순한 시스템을 모델링했다. 돌연변이가 없을 때, 최근 환경에 대한 정보는 환경 변화의 횟수가 증가함에 따라 급격히 감소하여 결국 무시할 수 있는 수준이 되었다. 소량의 돌연한 돌연변이가 있을 때, 각 환경에서 보내는 시간이 증가함에 따라 최근 환경에 대한 정보는 증가하여, 결국 환경을 완벽하게 식별할 수 있는 수준에 도달했다. 전체 역사를 재구성하는 능력을 테스트했을 때, 그들은 수학적 논리는 전체 순서를 완벽하게 회복하는 것을 허용하지만, 실질적인 한계가 존재함을 발견했다. 역사가 길어질수록 서로 다른 역사들의 시작점 사이의 차이는 기하급수적으로 작아졌다. 정보는 이론적으로 존재하지만, 이를 복구하려면 극도로 높은 정밀도가 요구되었다. 현재의 집단을 측정하는 과정에서 작은 오차가 발생하면 역순으로 계산할 때 증폭될 수 있으며, 이는 진정한 역사를 매우 유사한 다른 역사와 구별하기 어렵게 만든다.
이 결과는 돌연변이가 순수하게 퇴보를 일으키는 힘이라는 일반적인 견해에 도전한다. 환경적 기억의 맥락에서 돌연변이는 집단이 특정 환경 상태에 고착될 수 있도록 돕는 안정제 역할을 한다. 돌연변이가 없다면 집단의 기억은 사건의 횟수에 국한되어 순서를 완전히 상실한다. 돌연변이가 있다면, 집단은 사건의 순서를 구별할 수 있는 능력을 얻어 여정의 완전한 기록을 보존하게 된다. 이 연구는 이론적으로 가능한 것과 실질적으로 접근 가능한 것 사이의 미묘한 차이를 강조한다. 집단은 그 구성 안에 전체 순차적 역사를 담고 있지만, 그 역사를 읽어내는 것은 기록이 길어질수록, 특히 관찰이 완벽하지 않을 경우 점점 더 어려워진다.
이 작업은 생명체가 환경과 어떻게 상호작용하는지에 대해 생각할 수 있는 새로운 방식을 제공한다. 이는 집단의 유전적 구성이 단순히 현재의 적응도(fitness)를 보여주는 스냅샷이 아니라, 과거의 복잡한 기록 보관소임을 시사한다. 이 기록을 읽어내는 능력은 생물학적 메커니즘, 특히 돌연변이의 역할에 크게 의존한다. 돌연변이는 단순한 노이즈의 원천이 아니라, 단지 무엇이 일어났는가가 아니라 그것이 어떤 순서로 일어났는지를 기억할 수 있는 열쇠를 여는 데 기여할 수 있다. 이러한 통찰은 진화에 대한 우리의 이해를 심화시키며, 변화를 이끄는 메커니즘이 어떻게 과거를 기억하고 살아있는 세계 속에 보존하는 방식까지도 형성하는지를 보여준다.
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