생명현상의 물리학적 (1) -...

배 시 애

생명현상의 물리학적 이해(1)

정보와 엔트로피/혼돈과 질서

1. 엔트로피와 정보

2

생명과학의 이해

계(system)에서 자연현상을 일으키는 본질에 대한 관심과 탐구영역의 변화와 확장

입자(粒子, particle)

장(場, field)

정보(情報, information) 엔트로피(entropy)

대상 구성체의 속성

대상에 내재된 정보력

엔트로피

확률적인 의미를 지니는 정보

변화의 방향을 나타내는 정보

계(system) 내에 변화 확률이 높

은 상태를 낮은 상태보다 엔트로

피가 크다(높다)고 한다.

자발적으로 일어나는 변화

자연계에서 자발적으로 일어나는

다양한 변화는 계(system)의 에

너지를 낮추거나 엔트로피를 높

이는 쪽으로 일어난다.


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1.(Cont.)

자발적으로 일어나는 변화(변형) 방향

질서 정연한 상태에서 무질서도를 증가시키는 쪽으로


4

자발적 변화(변형)는 엔트로피가 증가하는 쪽으로 진행된다.(엔트로피 법칙)

잉크가 퍼지는 현상은 엔트로피가 증가하는 대표적인 자발적인 변화이다.

에너지가 높은 상태에서 낮은

쪽으로

정보가 많은 상태에서 감소되는

쪽으로

1.(Cont.)


5

열역학 제2법칙

열은 자발적으로 온도가 높은 곳에서 온도가 낮은 곳으로 이동한다.

외부에서 일하지 않고는 온도가 낮은 곳에서 온도가 높은 곳으로

열을 이동시킬 수 없다. 즉, 엔트로피는 저절로 감소하지 않는다.

상온에서 얼음이 녹아 물이 되는 현상은

엔트로피가 증가하는 대표적인

자발적인 변화이다.

1.(Cont.)

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빅뱅(Big-Bang)

우주 탄생 이후로 우주의 진화와 함께 엔트로피는 계속 증가하고 있다.

계와 주위의 전체를 합친 우주 전체의 엔트로피는 증가하고 있다.

1.(Cont.)


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고립계

X

우주 전체 계

환경(Envionment)

열(Energy)

생명계 생태계

환경(Envionment)

O 열(Energy)

고립되지 않은 계

엔트로피를 감소시킬 수 있다. 자발적 과정은「고립되지 않은 계」에서 엔트로피를 감소시킨다.

고립계에서는 에너지가 항상 보존되고(열역학 제1법칙), 자발적 과정에서 엔트로피는 증가한다. (열역학 제2법칙)

고립되지 않은 계에서는 주위에서 계로 또는 계에서 주위로 에너지가 이동하여 에너지가 변한다. 이때에는 엔트로피가 감소하는 변화도 자발적으로 일어날 수 있다.

1.(Cont.)

엔트로피의 증가 전체 정보 중 일부 잃어버리는 것


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정리정돈을 하자! 엔트로피를 감소시키자.

(에너지를 투입하는 일)

1.(Cont.)


9

참선을 통해 엔트로피를 낮춘다.

1.(Cont.)


10

탄생과 삶 생명체는 시간이 지날수록 늙어가기만 하고 젊어지지 못한다.

(물질의 변형은 다시 원래의 상태로 환원될 수 없는 상태가 됨)

1.(Cont.)


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삶이란 엔트로피를 감소시키는 과정의 연속이다. 생명체는 생명 유지를 위해 지속적인 에너지공급과 물질대사를 통해

엔트로피를 낮춘다. (영양분 흡수, 호흡, 노폐물 배설)

<고령화 가족>

생명 유지를 위해 엔트로피를 감소시키는 노력에도 불구하고

엔트로피는 조금씩 조금씩

증가하고 있다.

1.(Cont.)


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죽음은 정보를 잃는 것이다.

생명체는 시간이 흐름에 따라 점

차 엔트로피 증가되고 정보를 잃

어버리며, 열 평형에 도달하게 되

면 죽음을 맞게 된다.

텔로미어 (telomere)

• 염색체의 말단 끝

• 세포시계의 역할을 유전정보가

있는 DNA의 조각으로 세포가

분열할 때마다 짧아진다.

• 텔로미어가 일정길이 이하로

짧아지면 세포가 노화하여 죽

음을 맞게 된다.(자연사)

1.(Cont.)


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2009 노벨상 수상자 엘리자베스 H. 블랙번

캐럴 W. 그라이더

잭 W. 조스택

1.(Cont.)

생태계에서 엔트로피가 계속 증가한다면 지구의 생명체는 멸종하는가?

지구 생태계: 고립되지 않은 계(열린계)

지구는 어디에 열려 있을까?

태양은 지구로 끊임없이 빛을 비추어서

에너지를 공급하고 있다. 지구는 태양으

로부터 받는 에너지의 대부분을 다시 방

출하지만 일부 에너지는 생명을 키운다.

생명체는 에너지를 고정하고 먹이그물

순환을 통해 쓰기 좋은 에너지(정보)를

얻고, 엔트로피가 늘어나지 않도록 하여

생명을 국소적으로나마 유지할 수 있다.


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에너지는 흐르고

물질은 순환한다.

1.(Cont.)

2. 혼돈과 질서

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혼돈(결정론적 혼돈)

• 카오스(chaos)

• 예측 불가능(unpredictability) 현상

• 초기 조건에 극히 민감하여 나타나는 현상

• 환경 변화에 대한 유연성을 의미

질서(결정론적인 것)

• 질서가 있으면 예측 가능하다고 생각함

• 너무 강조하면 환경변화에 경직돼 있음을 의미

• 자연현상 해석에서 질서와 혼돈은 대비되는 개념이 아니라 이중적인 개념. 상호보완적 개념

혼돈: 주사위 던지기


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한 번 던져서 5가 나왔는데… 똑같이 던지면 또 5가 나올까요?

예측 가능 할까요?

일반적으로 5가 안 나오지요. 그 이유가 뭘까요?

주사위의 초기 조건, 곧 위치와 속도를 적당히 주어서 던지면 바닥에

떨어져서 어떤 특정 숫자가 나오게 할 수 있다. 즉, 초기 조건이 주어지면

결과가 이미 결정돼 있다.(결정론)

그러나 초기 조건에 정확하게 맞추어 던지지 않으면 결과를 예측할 수 없다.

이것이 혼돈이다.

2.(Cont.)

혼돈과 질서

혼돈: 초기 조건에 극히 민감하게 의존하는 혼돈 현상을 과장해서 표현한 것으로 나비효과가 있다. 날씨 예측이 어려운 이유가 바로 이 때문이다.


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나비 효과(butterfly effect)

.(Cont.)


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혼돈과 질서:그리스에서 카오스란 우주·혼돈을 뜻하는 말이었으나, 근대로 넘어오면서 우주에서 규칙성을 발견되었다. 대표적인 것이 행성계의 운동으로 그 규칙성을 표현한 것이 바로 케플러의 법칙이다.

① 케플러 제1법칙 : 타원궤도의 법칙

② 케플러의 제2법칙 : 면적속도 일정의 법칙

③ 케플러의 제3법칙 : 조화의 법칙

④ 케플러의 법칙은 수학으로 과학현상을 설명하는 대표적인 예

⑤ 케플러의 작업에는 스승 티코 브라헤의 방대한 관측 자료가

바탕이 되었다.

케플러의 제2법칙 : 면적속도 일정의 법칙. 지구는 태양 주위를 돌 때,

근일점에서는 빠르게,

원일점에서는 느리게 돈다.

케플러의 제3법칙 : 공전주기의 제곱이 장반경의 세제곱에 비례한다.


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혼돈의 예술적 표현: 초기의 패턴을 반복적으로 시행함으로써 예상하지 못한 아름다운 프렉탈(fractal ) 패턴 디자인을 얻을 수 있다.

혼돈형상을 보이는 경우: 예를 들어 주기적 진동을 보이던 것이 그 주기가 2배, 4배 늘어나면서 결국에는 주기가 무한히 길어지고 아무리 기다려도 그 주기가 원래 상태로 돌아오지 않는다. 결국 마구잡이처럼 무질서하게 변하는 혼돈현상을 보이게 된다.

프렉탈: 모든 것이 다 결정돼 있는데 시간이 지날 수록 주기적이 아닌 현상을 보이는 결정론적 혼돈은 프렉탈 형태 (불규칙하게

보이는 형상 속에 내재되어있는 규칙적인 패턴이나, 혼돈 속에서 질서를 보이는

형상이 많다)가 된다.

2.(Cont.)


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사회구조에서 보여주는 질서: 나치 군국주의와 유신시대 등을 들 수 있다.

혼돈은 나쁜 것이고 질서는 좋은 것인가?

2.(Cont.)

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붉은 악마와 북한의 정치집회 차이는?

2.(Cont.)

카오스 이론

초기 조건에 극히 민감하게 의존하는 혼돈 현상을 설명하는 이론

물리학에서는 안정된 운동 상태를 보이는 계가 어떤 과정을 거쳐서 혼돈 상태로 바뀌는가를 설명함으로써 혼돈 현상 속에서도 어떠한 숨겨진 질서가 있다는 것을 밝히려는 이론


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2.(Cont.)

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카오스(고대 그리스어: χάος Khaos)

무(無) 또는 절대공간인 카오스 사전적 의미는

‘입을 벌리다(chainein)’이다. 이 단어가 명사화 되면서

‘캄캄한 텅 빈 공간’ 뜻이 되었다.‘캄캄한 텅 빈 공간’은 무정형이다.

무정형은 모양과 형태가 없기에 흔히 혼돈이라 번역하기도 한다.

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