Blaise Agüera y Arcas의 공생 발생과 삶의 계산적 본질
구현된 계산으로서의 삶
삶은 근본적으로 물질적 구성보다 기능에 의해 정의된다. 물질주의가 유기체를 구성하는 원자를 설명한다면, 기능은 그 원자들이 무엇을 하는지 설명한다. 이 구분은 구현된 계산이라는 개념을 통해 형식화된다: 즉, 계산 매체와 계산 주체가 동일한 물리적 시스템이 삶이라는 생각이다.
John von Neumann의 통찰을 바탕으로, 이 강연은 시스템이 살아 있기 위해서는 자기 구축(autopoiesis) 능력이 있어야 한다고 제시한다. Von Neumann의 보편적 구축자 모델—이는 보편적 튜링 기계와 기능적으로 동등하다—은 재생산에 지시 세트(테이프)와 그 지시를 실행하는 메커니즘이 필요함을 보여준다. 생물학적 관점에서 이는 DNA와 리보솜에 직접 대응한다. 따라서 계산은 삶에 나중에 추가된 것이 아니라 전제조건이다. 계산이 없으면 삶도 없다.
BFF 실험: 코드의 자발적 생성
실리콘 환경에서 무생물(abiogenesis)로부터 삶의 출현을 보여주기 위해, Agüera y Arcas는 Brainfuck 프로그래밍 언어의 변형 버전을 기반으로 한 BFF라는 시스템을 활용했다.
실험 설정
- Substrate: 1,024개의 테이프(각 64바이트)로 구성된 "수프"이며, 처음에는 무작위 바이트로 채워져 있다.
- Mechanism: 두 개의 테이프를 무작위로 선택해 연결하고, 프로그램으로 실행한 뒤 다시 수프로 반환한다.
- Modification: 표준 Brainfuck이 코드와 데이터를 분리하는 것과 달리, BFF 버전은 "구현된" 형태로, 프로그램이 자신의 코드 테이프를 읽고 쓸 수 있다.
결과 및 위상 전이
수백만 번의 상호작용 후, 시스템은 극적인 위상 전이를 겪는다. 수프는 "노이즈"(무작위 바이트) 상태에서 "프로그램"(구조화된 기능적 코드) 상태로 이동한다. 이 전이는 다음과 같은 특징을 가진다:
- Computational Density: 상호작용당 평균 2개의 연산에서 1,300개 이상으로 증가한다.
- Compressibility: 복제자들이 자신과 서로를 복제하기 시작하면서 수프의 엔트로피가 급격히 감소하고, 데이터가 매우 압축 가능해진다.
- Stability: 자신을 복제할 수 있는 존재가 그렇지 못한 존재보다 시간이 지날수록 더 안정적이기 때문에 복제자가 등장한다.
공생 발생: 새로움의 엔진
BFF 실험의 핵심 미스터리는 변이율을 0으로 설정했음에도 복잡한 프로그램이 등장한다는 점이다. 이는 무작위 변이가 새로움의 주요 원천이라는 전통적인 다윈주의 관점과 모순된다.
융합의 역할
Agüera y Arcas는 새로움의 원천이 공생 발생—작은 복제자들이 더 크고 복잡한 복제자로 융합되는 과정—이라고 주장한다. 이는 서로 다른 원핵생물(예: 미토콘드리아)의 융합으로 진핵세포가 등장했다는 Lynn Margulis가 대중화한 생물학 이론을 반영한다.
BFF 수프에서는 처음부터 1바이트 복제자가 존재한다. 두 개의 복제자가 융합하고 그 결과 조합이 개별 복제자보다 더 효율적으로 복제될 때, 공생 발생 사건이 일어난다. 이 과정은 무작위 변이 없이도 알고리즘 정보를 축적할 수 있게 한다.
수학적 프레임워크
강연은 이 과정을 Smoluchowski 응집과 연결한다. 이는 입자(예: 고분자나 구름)가 합쳐지는 방식을 설명하는 수학적 프레임워크이다. BFF에서 관찰된 위상 전이는 "젤화" 전이로 식별되며, 복제자 클러스터가 크기에서 발산하고 시스템이 구조화된 상태로 "고정"된다.
공생의 필요성 입증
공생 발생이 복잡성의 동인임을 증명하기 위해, 연구자들은 "트리 깊이" 제한을 구현했다. 복제자의 조상을 추적하고, 공생 발생 역사가 특정 임계값(예: 20단계)보다 깊은 복제자를 생성하는 상호작용을 차단함으로써 위상 전이가 완전히 방지되었다.
시스템이 기본 복제는 수행할 수 있었음에도 복잡하고 기능적인 프로그램의 "젤화" 지점에 도달하지 못했다. 이는 높은 수준의 계산 복잡성의 출현에 깊은 공생 발생 조상이 필요함을 보여준다.
진화적 함의: 초기부터의 지능
공생 발생이 진화의 주요 동인이라면, "주요 진화 전이"(예: 다세포성)는 드문 이상 현상이 아니라 지속적인 소규모 융합 사건들의 거대한 빙산의 일각에 불과하다.
삶에서 지능으로
Agüera y Arcas는 삶이 처음부터 계산적이기 때문에, 모든 공생 발생 사건이 더 대규모 병렬 컴퓨터를 만든다고 가정한다. 이러한 시스템이 성장함에 따라 환경과 다른 복제자들의 모델을 개발해야 살아남을 수 있다.
지능은 여기서 타인을 모델링하는 행위로 정의된다. 따라서 단순한 삶에서 고도화된 지능으로의 전이는 계산 병렬성 및 모델링 능력의 지속적인 증가 과정이다. 이는 "마음 이론"과 지능이 공생 발생을 통해 위로 확장되는 삶의 근본적 속성이며, 후기 진화적 사고가 아니라는 것을 시사한다.