우주 ‘끈 이론’, 생명체 설계도의 비밀 풀다

지난 1세기 동안 과학자들은 혈관, 신경세포, 나뭇가지와 같은 생물학적 네트워크가 왜 지금과 같은 독특한 형태를 갖추게 되었는지 연구해 왔다. 기존 학계는 자연이 물질 사용량을 최소화하면서 효율성을 극대화하는 방향으로 구조를 만든다는 ‘최적화 이론’을 지지해 왔다. 하지만 전통적인 수학 모델을 실제 생물학적 데이터에 대입했을 때, 실제 자연의 복잡한 분기 패턴을 완벽히 설명하기에는 늘 한계가 있었다.

1차원 전선이 아닌 ‘3차원 입체’로의 발상 전환

최근 렌셀러 공과대학(RPI)의 물리학자 샹이 멍 박사 연구팀은 이 오랜 난제의 해답을 우주의 근본 구조를 다루는 ‘끈 이론(String Theory)’에서 찾아냈다. 연구팀은 기존 모델의 실패 원인을 생물학적 구조를 단순한 1차원 전선 회로처럼 다루었기 때문이라고 지적했다. 실제 생명체의 네트워크는 가느다란 선이 아니라 매끄러운 표면이 입체적으로 연결된 3차원 물리 대상이며, 이를 설명하기 위해서는 끈 이론의 정교한 기하학적 도구가 필요했다는 설명이다.

끈 이론의 ‘최소 표면’ 법칙이 증명한 생명의 설계도

이번 연구는 추상적인 물리학 프레임워크인 끈 이론이 실제 생물학적 구조를 성공적으로 설명한 첫 사례다. 끈 이론의 ‘최소 표면’ 방정식은 공간 내 물체를 가장 매끄럽고 효율적으로 연결하는 방식을 계산하는데, 이것이 생명체가 자원을 아끼며 스스로를 조직화하는 방식과 거의 완벽하게 일치했다. 특히 기존 이론으로는 설명이 어려웠던 3방향 이상의 다중 분기점이나, 인간 뇌 신경세포 시냅스의 98%가 왜 직각 형태로 연결되는지에 대한 기하학적 근거도 이번 연구를 통해 밝혀졌다.

인공 장기 설계부터 초효율 네트워크 구축까지

연구팀은 이론의 보편성을 검증하기 위해 인간과 초파리의 신경세포, 혈관, 열대 수목, 산호 등 총 6가지 유형의 고해상도 3D 데이터를 분석했다. 그 결과 모든 생명체에서 나타나는 분기 패턴이 기존의 단순 배선 모델보다 끈 이론 기반의 예측과 훨씬 더 높은 일치율을 보였다. 이는 진화라는 생명 현상이 결국 우주 전체를 관통하는 수학적 원리에 수렴해 왔음을 시사한다.

이번 발견은 향후 바이오 공학과 인프라 설계 분야에 혁신적인 변화를 예고한다. 이 원리를 응용하면 실제 혈관처럼 기능하는 3D 프린팅 인공 조직을 설계하거나, 에너지 손실을 최소화하는 효율적인 교통 및 통신 네트워크를 구축하는 것이 가능하다. 결국 우리 몸속 작은 혈관 하나에도 우주의 거대한 법칙이 숨어있다는 사실이 과학적으로 입증된 셈이다.

성치훈 기자/ hello@sciencewave.kr

출처: Phys.org (Scientists use string theory to crack the code of natural networks)

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