사용자:DoYeonAn/생체모방

등장배경

재닌 M. 베니어스

재닌 M. 베니어스는 1997년 '생체모방'를 썼으며 그 책에서 자연의 설계 및 프로세스를 모방하여 지속 가능한 해결책을 찾아내는 학문에 대해 이야기 하였으며 그 학문의 이름을 생체모방이라고 지었다. 그 후 그녀는 생체모방협회를 설립하여 스탠포드 경영대학, 와튼스쿨에서 강의를 하는 등, 수많은 과학자, 공학자, 기업가, 건축가들이 생체모방의 가르침을 적용할 수 있도록 그에 맞는 교육과 컨설팅을 제공하고 있다. 또한 ‘레이첼 카슨 환경윤리상’, ‘거드 브라우먼 과학저술상’, ‘사회저널리즘 과학 저술상’ 등을 수상했으며 2009년 지구의 날 에 파리에서 유엔 환경계획(UNEP)으로부터 과학과 혁신의 지구챔피언 상도 수상했다.

분류

생체모방공학의 분류는 대표적으로 재닌 베니어스가 3가지 영역으로 분류한 방법과 마크 아리에가 분류한 5가지 영역이 있다. 이 두 가지의 분류 방법은 생체모방공학의 범위를 다소 다르게 보고 있고, 세부 분류의 유무가 다르다.

재닌 베니어스의 분류

재닌 베니어스는 생체모방공학의 영역을 크게 세 가지로 나누었다. 설계 모델로, 판단 기준으로, 조언자로 자연을 활용하는 것이 그것이다.

설계 모델
현재 시중에 나와서 유용하게 사용되고 있는 많은 제품들이 자연으로부터 힌트를 얻어 만들어져 왔다. 이런 제품들은 우리가 가지고 있던 공학적 난제들에 새로운 해결책을 마련해 주기 때문에 자연으로부터 해결책을 얻는 노력은 계속되고 있다. 예를 들어 식물이 사용하는 광합성 공정을 이용하여 태양발전을 만들려는 연구들이 진행 중이며, 어패류의 접착성을 연구하여 새로운 접착제 개발을 시도하는 사람들도 있다. 또한 목초지 상태를 모델로 하는 농사 기법들도 시도되고 있다. 자연의 목초지가 그러하듯 다양한 종류의 식물을 함께 재배함으로써 작물들이 스스로 공간을 나누어 쓰고 이러한 농사 기법으로 인해 농약을 사용하지 않아도 곡물이나 토양의 건강상태가 유지 가능하다는 실험 결과들이 나오고 있다.

판단 기준
생태계는 크게 세 가지 유형으로 나눌 수 있는데 잡초와 같이 재빠르게 진입하여 토양의 양분을 모두 사용하고 다른 곳으로 이동하는 것이 유형1이고, 다년생 작물과 같이 몇 해에 걸쳐 순환이 이루어지는 것을 유형2라고 한다. 끝으로 오래된 숲처럼 성숙한 상태로 자가 지속 가능한 상태의 생태계를 유형3이라고 한다. 이러한 생태계의 유형을 모방하여 덴마크의 칼룬보르시에 있는 공원의 예를 통하여 우리의 노력으로 자연계를 모방한 정교한 기술 시스템을 구축해 낼 수 있다는 것을 명백히 알 수 있다.

멘토
DNA를 이용한 컴퓨터 개발이나 빛에 민감하게 반응하는 박테리아의 비틀림을 이용한 컴퓨터 개발, 인공 인대 등에 생체모방공학을 이용하려는 시도들이 진행 되고 있다. 이러한 시도는 자연을 조언자 또는 선도자로 생각하는 것으로 자연을 인간이 조절하려고 했던 기존의 철학과는 확연히 다르다.

마크 아리에의 분류

마크 아리에가 ESA(European Space Agency)의 ACT(advanced concept team)에서 발표한 생체모방공학의 분류는 크게 다음과 같이 5개의 분야로 나누어진다.

1. 구조와 재료
2. 기구와 공정
3. 행동과 제어
4. 감각기관과 의사소통
5. 세대 간의 모방

구조와 재료
이 영역을 다시 세부적으로 새로운 구조, 전개∙접음 및 포장, 복합재료, 지능형 재료, 생체 재료이용 복합재료의 부분으로 나눌 수 있다. 예를 들어 게코 도마뱀의 나노 헤어를 모방한 건식부착 구조물 연구나 토란잎의 초발수성 성질을 모방하려는 연구는 새로운 구조의 범주에 포함된다고 할 수 있다. 뿐만 아니라 나뭇잎의 새싹이 껍질 안에서는 작은 공간을 차지하다가 밖으로 나오면서 넓게 퍼지는 것을 모방하여 이를 우주선 태양전지에 이용하려는 노력도 계속되고 있는데 이는 전개의 범주라고 볼 수 있다.

기구와 공정
이 영역은 세부적으로 작동기, 이동, 동력생성 및 저장, 에너지 관리, 제작의 부분으로 나누어지는데 예시를 들자면, EAP(Electro-Active polymer)를 모방하는 인공근육의 개발 연구는 작동기 부분에 포함되고 RCM(Reciprecating Cemical Muscle)을 이용한 엔토몹터 개발은 이동의 범주에 들어간다. 자연계를 이동과 관련하려 살펴보면, 자연계 속에서 종들의 이동성은 그 종들이 필요로 하는 목적에 따라 이동속도, 가속력, 안정성 등이 달라진다는 사실을 알 수 있다.

행동과 제어
세부적으로 고전적 인공지능, 행동 인공지능, 반복 제어, 반사 제어로 나눌 수 있다. 먼저 행동과 제어의 용어 정의를 하자면, 행동이란 동물의 결정에 따른 결과를 말한다. 예를 들어 어떤 먹이를 먹을지 언제 잠을 청할 지와 같은 일들을 결정하는 것에 관한 결과라고 볼 수 있다. 제어란 행동 결정에 따른 운동을 말한다. 먹이를 쫓을 때 다리가 인지하기 않아도 움직이는 것 또한 제어라고 볼 수 있다.

감각기관과 의사소통
세부적으로 시각, 청각, 촉각, 미각 및 후각, 의사소통으로 나눌 수 있으며 카메라의 렌즈가 가장 대표적인 모방의 예가 될 수 있다. 곤충에게 존재하는 표피의 응력을 측정하는 컵모양의 센실리아를 모방하려는 연구도 진행되고 있으며, 맛과 냄새를 구별하는 인공 혀, 인공 코에 관한 연구들도 진행되고 있다.

세대 간의 모방
생태학적 기구, 유전학적 기구, 행동 및 문화 기구, 유전공학의 세부항목으로 나눌 수 있다. 가장 대표적인 예는 최적화 문제를 풀기 위해 유전자 진화를 응용한 유전자 알고리즘 개발이 될 수 있다.

적용 분야

디자인

생체모방 분야는 자연이 가지고 있는 디자인적 요소들의 연구 및 모방을 통해 인류의 과제를 해결하려는 데에 그 목적이 있다. 이 새로운 분야는 매우 과학적인 성격을 보이는 동시에, 오늘날의 디자이너들에게도 대단히 중요하며 유용한 분야라고 할 수 있으며, 이제까지 자연이 직접 보여주었던 성공적인 아이디어와 디자인에 기반하여 디자이너에게 문제해결을 위한 풍성한 영감을 제공하는 원천이 된다. 생체모방은 자연을 모방하여 보다 다양한 분야에서 현명하고 지속 가능한 디자인을 창출하면서 문제를 해결하고 혁신을 이룰 수 있도록 도움을 주고 있다. 이제 각 분야의 디자이너나 건축가들은 자신의 연구나 작업공정에 생체모방을 융합하여 커다란 효과를 얻을 수 있게 되었다.
이러한 효과를 간파한 생체모방학계에서는 ‘디자인 스파이럴’ 이라는 디자인 과정을 디자이너들을 위해 특별히 고안하고 개발하였다. 디자인 스파이럴은 해당과제에 생물학적인 시각을 도입하고 질문을 통해 자연 세계로부터 영감을 얻은 후, 최종적인 디자인 안이 과정, 생태계, 형태 등 모든 방면에 있어 자연을 모방하고 있는지 검토하는 데 도움을 준다. 이러한 공정을 통해 디자이너들은 각각의 프로젝트의 물리적 디자인에 생체모방을 도입할 수 있을 뿐 아니라 제작 과정이나 패키징과 같은 전반적인 디자인 공정에 이러한 절차를 적용할 수 있다. 스파이럴, 즉 나선형이라는 명칭은 디자인 공정의 반복적인 특성을 강조하고 있다. 생체모방을 디자인에 적용하는 작업은 디자인을 출발점으로 삼아 진행하는 경우와 자연이 출발점이 되는 경우로 나눌 수 있다. 전자의 경우, 디자인의 과제를 정확히 파악한 뒤 이와 유사한 문제 및 해법을 보여주는 자연의 모습에 주목한다. 이렇게 접근하는 방법은 생체모방적인 아이디어의 착안 및 영감을 구하고자 할 때 유용하다. 또한 이는 자연에서 볼 수 있는 독특한 디자인 사례가 축적된 생체모방의 데이터베이스를 통해 이러한 작업을 원활하게 수행할 수 있다. 이와 반대로 자연을 출발점으로 삼는 디자인 작업은 자연에 대한 연구를 통해 자연의 디자인을 인간에게 응용할 수 있는 경우를 모색함으로써 생체모방을 적용한다.

농업

생체모방학에 따르면 어느 한 지역의 농업은 인간이 정착하기 전에 이미 거기에서 자랐던 식물들에게서 단서를 얻어야 한다. 농업은 자연의 식물 군락 패턴대로 인간의 식량을 수확하고, 자연의 생태계와 비슷한 기능과 구조를 가져야 한다. 자연의 생태계는 대부분 다년초들로 이루어져 있어 다음 해의 부활을 보장해주고, 내구력이 강한 야생 식물은 생태계 내의 다른 생물들과 우호적으로 함께 자란다. 자연 생태계의 생물들은 주변 환경과 동화되며 땅 밑 토양을 조성하고 해충을 적당히 억제할 수 있다. 이처럼 자연의 안정된 시스템을 배워 ‘자연의 모습대로 농사짓기’가 이루어지고 있다. 즉 자연의 패턴을 모방하려는 시도를 하고 있다.

산업형 농장의 수렁
인간은 1만 년 전 농업혁명을 이루었다. 인간은 사냥과 수렵에서 벗어나 많은 사람들을 먹이기 위해 점점 더 많은 대지를 개간하였다. 농업혁명을 이루면서 식품 저장고를 든든히 채울 수 있게는 되었지만, 뜻하지 않은 문제에 봉착하게 되었다. 작물을 길들이고 보호하면 할수록, 그 작물들은 인간의 손길이 없으면 살 수 없게 되는 것이다. 현재 농작물은 인간의 손에 길들여져 있기때문에 적응력이 강했던 야생 조상과는 완전히 다르다. 인간이 비료나 살충제 같은 석유화학물질을 살포해주지 않으면 살아남지 못한다. 인간은 단지 농작물의 생산성을 높이기 위해 자연적 방어력을 대신할 수 있는 석유화학물질을 이용해왔다. 여러 종들이 섞여 있던 집단에서 그것들만 격리시켜 유전적 다양성을 좁히고 건강한 토양을 파괴했다. 이러한 경작이 반복될 때마다 토양은 단순화되고 농작물 부양 능력이 조금씩 사라진다. 경작은 토양의 정교한 구조를 망가뜨리고 토양과 유기물을 콜로이드나 응집 덩어리로 접착시켜주는 미세 동물군과 미세 식물군의 조합을 망가뜨린다. 이들은 토양의 핵심으로 그들 사이의 연결이 끊어지면 시너지 효과가 줄어들어 여러 종이 생물학적으로 공모하여 전체 군집을 강화시키는 힘도 약해진다. 뿐만 아니라 생산성을 높이기 위해 고유의 재래 식물 대신 외국 식물을, 다년생 대신 일년생을, 다품종 재배 대신 단종 재배를 지향하였다. 인간은 자연 본래의 옷을 벗기고, 인간의 입맛에 맞춘 옷만을 입히기 시작했다.

산업형 농업
산업 농부들이 전통적인 경작지 운 영법을 버리고 선택한 산업형 농장의경작 법은 사실상 연속적인 토양 약탈이다. 반복되는 석유화학물질, 인공 비료, 제초제는 토양 비옥도의 저하를 가속시켰다. 하지만 산업 농부들이 없애고자 했던 잡초나, 해충은 이러한 방법에도 다 죽지 않고 내성을 갖고 살아남게 되어, 점점 더 많은 양을 필요로 하게 된다. 결국 많은 양의 석유화학물질, 인공 비료, 제초제는 환경 오염에도 많은 영향을 주어 농업을 오염산업으로 만들었다. 이러한 악순환 속에서 계속되는 투자는 경제적으로도 악영향을 주고 가난한 자작농들은 줄어들고, 대형 산업형 농장들만이 남게 되는 결과를 낳았다.

생태모방의 해답
야생 생태계의 99.9 퍼센트의 식물이 다년생초이다. 다년생초는 1년 내내 땅을 덮고 있어 토양이 바람이나 빗방울의 힘에 흩어지는 것을 막아준다. 또한 다년생초는 스스로 비료가 되고 스스로 잡초를 제거한다. 또한 야생 생태계의 다양성은 해충을 조절하는 가장 값싸고 좋은 방법이다. 해충은 대부분 한 가지 식물 숙주에 한정되어 있어 식물을 다양하게 섞어놓으면 해충이 숙주 식물을 찾아 공격하기 어려워진다. 마지막으로 생태계의 환경에 완벽하게 적응한 조합이 있다는 것이다. 상호작용을 통해 시기와 장소에 따라 비료가 되기도 하며 상리공생을 하는 식물의 군집 조합이 존재한다는 것이다.

• 일본의 방치 농사법

일본의 방치 농사법을 발전시킨 마사노부 후쿠오카

일본의 마사노부 후쿠오카에 의해 발전된 농사법으로 자연의 천이 기술과 토양 보호 기술을 모방한 것이다. 10월 초 벼가 자라고 있는 곳에 토끼풀 씨를 손으로 뿌린다. 곧이어 귀리와 보리씨를 벼 속에 뿌린다. 추수할 때는 벼를 베어 타작하고 남은 짚단을 그 밭에 다시 버린다. 이때쯤이면 토끼풀이 잘 자리 잡아서 잡초를 억제하고 토양 내 질소를 고정한다. 토끼풀과 짚단이 뒤엉킨 속에서 이번에는 호밀과 보리가 싹을 틔우고 나와 태양을 향해 자라난다. 호밀과 보리를 수확하기 직전에 그 순환과정을 다시 시작한다. 즉 볍씨를 뿌려 보호받으며 성장하게 된다. 그런 주기는 스스로 비료를 주고 스스로 경작되면서 계속 돌아간다. 이런 식으로 여러 해 동안 호밀과 겨울 곡물이, 같은 밭에서 토양 생산력을 감소시키지도 않고 자랄 수 있다. 이 시스템의 매력은 한 땅을 소모시키지 않고 계속 사용할 수 있고, 수확량도 계속 유지할 수 있다는 것이다. 석유를 기초로 하여 만들어진 비료와 살충제의 형태로 돈과 에너지를 농장에 쏟아 붓는 대신 투자는 초기에, 농장 설계에 대부분 들어간다.

• 호주의 영속농법

호주의 생태학자 빌 몰리슨은 자연의 슬기를 본받아 설계한다는 것이 영속적 농업이라는 의미에서 영속 농업이라 불리는 농업 철학의 핵심이다. 땅이 제공해주는 것을 이용하는 것이 영속 농업이다. 영속 농법의 핵심은 서로 상승효과를 내는 식물을 선택해 심는 것이다. 서로를 보완하는 식물들을 선택하여 재배함으로서 성공적인 농장을 조성할 수 있다. 성공적인 농장의 완성을 위해 영속 농업 자들은 생물끼리의 상호작용이 유난히 활발한 두 서식지 사이에 경계 지역을 많이 만든다. 많은 에너지나 기계를 투입하는 대신 동물간의 상호작용을 이용한다.

• 케이프코드에 세운 신 연금술 농장

미국에서 가장 혁신적인 생물학적 개척자인 존 토드와 낸시 토드는 1969년 자연을 모델로 삼아 생활공간과 식량 생산 체계를 디자인하는 신연금술연구소를 세웠다. 그들은 천이되어가는 숲을 완벽하게 자족적인 농장의 개념적 지침으로 삼았다. 몰리슨의 영속 농업과 마찬가지로 신연금술 농장도 모든 살아 있는 구성원이 복수 기능을 하도록 설계되어 있다.

• 코스타리카의 자연계 농법

코스타리카 식 자연계 농법의 핵심 역시 천이이다. 원시 숲을 완전히 벌목하거나 불로 태우고 나면 처음 몇 년 동안은 농작물 수확이 좋으나 그 다음부터 수확량이 가파르게 떨어지기 시작한다. 이와 반대로 자연 생태계에서는 하나의 종이 없어진다 하여도 영양분을 회복시켜 주는 종들이 하나씩 차례로 뒤를 이어 나타나 다시 무성해진다. 시스템 내의 영양분은 자라나는 초록의 생체량과 함께 보존된다. 토양을 비옥하게 유지하는 비결은 잎과 뿌리가 무성한 다년생 농작물을 선택하여 비가 많이 와도 토양을 보호하고 생체에 영양분을 저장하며 잎이 질때에는 토양으로 유기물을 돌려줄 수 있다. 또한 토양의 낮고 깊은 층 구석구석에서 영양분을 빨아올리는 뿌리가 깊은 식물뿐 아니라 공생 연합을 형성하는 식물을 사용하는 것이 중요하다.

• 로데일의 재생 농법

로데일의 재생농법는 몰리슨의 영속 농법과 마찬가지로 효율과 에너지 흐름을 증대시키는 생물학적 구조과 천이를 이용한다. 예를 들어, 다음 작물에 문제를 야기하지 않는 잡초 군집으로 바꿔주는 작물을 일부러 심을 수도 있다. 또는 윤작 주기의 한 시기에 질소와 토양 탄소가 축적되게 하여 다음 농작물의 생산성을 높일 수도 있다.

수렁을 벗어나기 위해

• 보전휴경프로그램

미국의 보전휴경프로그램은 농지에 대한 대안으로 자연 체계 농법을 제안하였다. 1985년에 시작된 보전휴경프로그램은 침식 위험이 있는 땅을 휴식시키고 그 땅에 다년생 풀을 심는 대가로, 4,000 제곱미터당 평균 48달러를 받는다. 똑같은 땅에서 다년생을 다품종 재배하면 토양을 유지할 수 있을 뿐 아니라 비료나 살충제의 투자 비용이 줄어들게 된다. 식량 생산하면서 토양을 치유하는 새로운 방법이다.

• 미래의 농업 연구

여태까지 이루어진 대다수의 농업 연구는 토양 생산력의 저하를 대신할 수 있는 대안과 농작물의 병충해를 막을 수 있는 새로운 해충제를 찾기 위해 이루어 졌다. 산업형 농업의 문제를 해결하기 위해 작물을 개량하고 거액의 돈을 투자하는 것이다. 즉, 여태까지 사용해온 경작지를 경작 가능하게 유지하는 것이 목표이다. 하지만 미래를 위해서는 생태모방에 근거한 자연 체계 농법을 연구하고 실제로 적용해야 한다.

에너지

광합성이란 ‘빛으로 합성한다’는 뜻으로 녹색식물, 일부 조류와 박테리아가 이산화탄소, 물, 빛을 취해서 에너지가 풍부한 당류와 산소로 변환하는 과정이다. 식물은 태양 에너지를 모아 광합성을 하여 다른 생물들에게 에너지를 전달해준다. 광합성을 통해 저장된 에너지를 사용하기 위해서는 세포 안에서나 밖에서 광합성 산물의 연소가 이루어져야 한다. 연소는 에너지를 방출해 내는 가장 기본적인 방법이다. 하지만 오일, 가솔린, 석탄 등의 연료의 연소가 과하게 이뤄지면서 대기의 이산화탄소를 증가시키고 남극의 빙산을 붕괴시키고 대양의 수위를 높였으며 최근 10년 동안 가장 높은 기온을 기록하게 했다. 지구와 같이 닫힌 닫힌 시스템에서 극단적인 에너지 방출, 즉 연소는 10만 년이 걸린 유기성장을 1년 안에 소비해버리는 셈이다. 광합성은 이에 대한 해답을 제시해 준다. 햇빛 에너지를 이용하여 필요한 에너지를 저장하고, 높은 효율로 전달해 줌으로서 많은 학자들은 광합성 생물이라는 햇빛 에너지 장치를 모방하려 하고 있다.

햇빛 에너지 장치
인간은 광합성을 하는 식물을 모방하여 필요한 연료를 합성하기 위해 노력하고 있다. 현재 광전지가 발명되어 에너지를 만들어 낼 수 있게 되었지만, 식물이 만들어 내는 에너지만큼 간편하거나 효율적이지 못하다. 광합성 생물은 1년에 3,000억 톤의 상당한 양의 당을 생산해 내고 있다. 광합성 생물을 모방하여 에너지 효율을 높이려는 학자들은 보기에는 전혀 다르지만 작동은 자연과 똑같이 하는 장치를 만들려고 노력중이다. 하지만 광합성에서 이루어지는 전자의 이동과 에너지의 이동은 빛의 속도에 맞추어 이루어지기 때문에 모방하기엔 매우 어려움이 있으며, 생물 내에 존재하는 복합적 반응까지 고려하여 장치를 개발해야하는 번거로움이 존재한다.

광합성
햇빛으로부터 민감하게 빛을 흡수하는 광합성 센터로부터 전자의 일부가 흥분하여 다른 분자로 이동하면서 연쇄반응을 촉발한다. 물 분자가 쪼개지고 산소가 방출되고 이산화탄소가 당으로 전환된다. 광계Ⅱ와 광계Ⅰ을 지나 전자 수용체로 이동된 전자는 막 전위를 형성하여 농도 구배를 만들게 된다. 틸라코이드 막 외부에는 음전하가, 내부에는 양전하가 형성되는 것이다. NADP는 전자 전달자로 작용하여 수소 이온과 결합하여 농도 구배 형성을 돕는다. 막 전위가 형성되어 붙잡힌 수소 이온들은 틸라코이드 주머니 밖으로 나오기 위해 결합인자라 부르는 효소 통로를 이용한다. 이 효소 통로를 이용할 때에는 ADP 라는 화합물에 세 번째 인산기를 붙여서 ATP로 전환시킨다. ATP에는 고에너지 결합이 형성되면서 태양 에너지가 저장된다. 광합성의 기작은 공여자-공여자-공여자-수용체-수용체의 형태로 5개조로 나뉘었다. 학자들은 광합성의 5개조 기작을 실리콘 전지에 적용시켜 보다 높은 에너지 효율의 전지를 만들려 한다. 아래의 그림은 광합성의 기작을 5개조 기작으로 나뉘어 나타낸 그림이다. (공여자(①)-공여자(②)-공여자(③)-수용체(④)-수용체(⑤))파일:광합성.jpg

수소 연료
녹색식물이 지구에서 거둔 대성공을 모방하기 위해서는 햇빛 에너지를 이용하는 방법을 찾아서, 그 에너지로 저장할 수 있는 고에너지 연료를 만들어내는 화학반응을 할 수 있어야 한다. 인간은 녹색식물의 모방을 통해 당과 녹말만이 아니라 수소 가스를 얻으려는 노력을 하고 있다. 수소는 세상에서 가장 깨끗한 연료로 물에서 만들어 낼 수 있고, 태우면 다시 순수한 물을 방출한다. 물의 분해를 통해 수소를 얻어내는 것은 어렵지 않다. 그러한 물의 분해는 광합성 과정 내에도 존재한다. 물에서 발생된 수소이온은 전자와 함께 전기전달자인 NADP⁺에게로 옮겨져 NADPH를 만든다. NADPH의 형태로 수소이온과 전자들이 같이 있을 때 수소화효소만 있다면 수소 가스를 얻는 것은 어렵지 않다. 그러나 불행히도 수소화효소는 산소가 있으면 안정하지 않아서 몇 시간 동안 생산물을 쏟아내고 나면 산소에 의해 반응이 서서히 멈춘다.

산업 생태학

수십억 년에 걸쳐 자연선택은 복잡하고 성숙한 생태계로부터 적소에서 생존하는 성공전략을 찾아냈다. 성숙한 생태계 속에서 유기체는 다음과 같은 특징을 갖는다.

1. 폐기물을 자원으로 활용한다.
2. 서식지를 최대한 활용하기 위해 다양화하고 협동한다.
3. 에너지를 효율적으로 모으고 사용한다.
4. 최대화하기 보다 최적화한다.
5. 물자를 절약한다.
6. 보금자리를 오염시키지 않는다
7. 자원을 삭감시키지 않는다.
8. 생물권과 균형을 맞춘다.
9. 정보를 활용한다
10. 향토 산물을 구매한다.

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우리의 경제도 복잡한 체계이므로 자연의 이러한 특징과 같이 협력하고 생존할 수 있다. 먼저, 덴마크의 칼룬보르시에는 세계에서 가장 모범적이라는 평가를 받는 생태공원이 있다. 이 공원 가까이에는 먹이사슬로 연결되는 회사 몇 개가 모여있는데 이들의 자원이나 에너지는 서로 의존하거나 연관되어있다. 한 회사에서 나오는 폐 증기의 일부는 다른 두 회사의 엔진을 돌리게끔 되어있고 남은 증기는 다른 배관을 통해 그 도시의 가정들로 보내 난방용으로 사용하게끔 설계하여 가정의 기름 보일러를 대체하였다. 이처럼 우리가 만들어 내는 폐기물들을 몇몇 기업집단의 범위 안에서 재활용 되고 있다. 실제로 이러한 재활용에 한동안 참여해온 사업체들은 녹색화가 수익에 도움이 된다는 결과를 얻었다. 또한 생명체의 협동하는 방법을 통해서도 사업의 해결책을 찾아 볼 수 있는데, 인간의 산업 생태계에서는 서로를 먹여 살릴 수 있는 경로가 많을수록 더 안정화 된다. 그렇기 때문에 미국의 자동차 제조 회사인 크라이슬러, 포드, 제너럴 모터스 등은 자동차 재활용 조합을 통해 경쟁 전 협동의 개념을 실천하고 있다. 이들은 경쟁은 일단 제쳐두고, 서로 부품을 재사용하는 데 필요한 공동 부품명 및 자재 표준을 만들기 위해 거래연합이나 특별제휴를 통해 활동하고 있다. 이렇게 기업은 협동을 통해 의식적으로 자원 사용과 재활용에서 허술한 부분을 보완할 수 있게 되며 성숙한 군집과 같이 완전한 연결망을 만들게 된다. 이와 같은 자연이 주는 교훈을 통해 우리는 좀 더 성숙하고 안정적인 생태계를 이룰 수 있으며 기업도 좋은 효과를 얻을 수 있다. 이와 같이 산업과 생태학적 관점이 융합된 산업 생태학은 자연의 특성을 본받아 물건을 만드는 방법뿐 아니라 세계의 산업이 작동하는 방식까지도 자연친화적으로 변화시킬 수 있는 능력을 지니고 있다.

의약

이전의 식물 약학

과거에 우리는 새로운 약을 찾기 위해서 주로 동식물 및 미생물을 전적으로 연구하였다. 그래서 우리가 치료에 사용하는 약의 약 40%는 그러한 생물로부터 나온 것이었다. 그 중에서도 식물약학이 가장 각광을 받았었는데, 식물에서 얻은 약품을 나열해 보면 다음과 같다.

식물	얻은 화합물	치료가능한 질병
태평양 주목(Taxus brevifolia)	택솔	난소암 및 유방암
야생 고구마(Dioscorea composita)	디오스게닌	경구피임약
일일초(Catharanthus roseus)	빈크리스틴, 빈블라스틴	호지킨병, 유아 백혈병
메이애플(Podophyllum peltatum)	반합성 유도체	정소암, 소세포성 폐암
보라색여우장갑(Digitalis purpurea)	양지황	울휼성 심부전, 기타 심장 질병
라우월피아(Rauwolfia)	레세르핀	신경안정제, 고혈압

하지만 1970년 말부터 식물 약학이 쇠퇴하고, 토양 박테리아와 곰팡이로부터의 새로운 항생제 개발이나 신약의 화학적 합성 등 분자생물학과 합성 화학이 신약 개발에 있어서 유망주로 각광받게 되었다. 그러나 박테리아나 미생물의 종류에 제한이 있고, 약을 처음부터 합성하는 것은 들인 자본이나 시간에 비해 효율성이 현저히 낮아 다시 식물 약학이 주목 받게 되었다.

식물 약학에 있어서의 동물 행동 모방의 필요성과 그 예

현화 식물이 26만 5000여 종이고, 한 식물의 잎사귀 하나에 조차 500~600여 종의 화합물이 존재하며 그 각각의 화합물 하나당 50~60가지의 생물학적 활성을 보이므로 가망성 있는 식물의 범위를 좁혀, 약으로 쓰일만한 화합물을 찾는다는 것은 무척 어려운 일이다.
그러므로 우리는 생물, 특히 동물로부터의 모방이 필요하다. 동물들은 살아남기 위해서 자신의 예민한 감각기관을 동원하거나, 자신의 사회로부터 습득한 지식을 토대로 스스로 자신을 치료할 약을 찾아 섭취한다. 그 예로, 마이클 허프만은 침팬지가 기생충에 감염되었을 경우 아믹달리나(Vernonia amygdalina)의 유조직 섭취를 통해 장내 기생충을 사멸시킨다는 것을 발견했다. 또, 워싱턴 대학교의 제인 필립스콘로이는 에티오피아의 아와시 폭포 근처의 비비(Papio hamadryas)가 주혈흡충(Schistosoma cercariae)에 감염될 경우 여리고 발삼(Balanites aegyptiaca)를 섭취해 흡충 감염을 치료하였다. 실제로 여리고 발삼의 잎과 열매에는 흡충 감염 치료에 효과적인 디오스게닌과 사포닌이 포함되어 있다는 사실이 발견되었다. 그리고 망토고함원숭이들은 충치나 잇몸질환이 걸리지 않는데, 그 것은 원숭이들이 먹는 캐슈나무(Anacardium occidentale)에 있는 아나카르드산과 카르돌이 고농도로 포함되어 있어 충치의 주범인 스트렙토코커스 뮤탄스(Streptococcus mutans) 같은 세균을 죽이는 것으로 밝혀졌다. 그렇기 때문에 우리는 동물들이 어떤 질병에 걸렸을 때 어떤 식물을 섭취하는가를 모방하여 신약개발에 적용시킬 필요가 있다.

곤충 모방

곤충에서 약제를 찾는 방법도 있다. 즉, 독처럼 사냥감을 마비, 중독, 심지어는 분해까지 시키는 막강한 물질이라면 분명 다른 강력한 생화학적 특성을 갖고 있을 것이라고 생각하고 연구를 하는 것이다. 그 예로 대형 제약회사인 파이저로부터 후원 받고 있는 내추럴 프러덕트 사이언스는 거미, 전갈 등의 신경화학 표적들을 공격하는 독소를 연구하여 불안, 우울증, 뇌졸중, 퇴행성 신경학적 질병을 치료하는 약들을 개발하고 있다고 한다.

바다 생물의 모방

산호초연구재단의 찰스 아네슨은 스페인댄서(Hexabranchus sanguineus)라고 불리는 바다 민달팽이가 천적들로부터 거의 공격을 받지 않는다는 것에서부터 현재 항염증성 약제의 기초가 되는 화합물을 발견했다고 한다.
이 외에도 해면동물인 디스코더미아 디소루타(Discodermia dissoluta)로부터 추출된 약제인 디스코더몰라이드는 이식수술시 일어나는 장기거부현상을 방지할 수 있는 면역억제제이고, 큰다발이끼벌레(Bugula neritina)로부터 추출한 브리오스태틴과 카리브멍게에서 추출한 디뎀닌 B는 암치료제로 임상실험 중에 있다. 또한 카리브 고르고니언 산호(Pseudopterogorgia elisabethae)에서 추출한 슈오프테로신 E와 각질 해면동물에서 추출한 스칼라레이디얼은 항염증제로 연구 중이다.
그리고 마이클 재스로프는 곱상어(Squalus acanthias)가 종종 서로 싸우는 바람에 상처를 입지만 그 상처가 감염된 적은 없다는 점에서 착안하여, 그 상어로부터 스쿠알라민이라는 새 항생제를 분리해낼 수 있었다. 이후로 재스로프는 이 아이디어를 기반으로 마가이닌이라는 회사를 설립, 생체모방학자로 전향하여 더 많은 연구를 하였다고 한다.

그 외 생물에 대한 모방의 가능성

식물, 곤충, 바다생물 말고도 생체 모방을 이용하여 약제를 발견할 수 있는 분야로는 붐비는 환경에서 감염을 피할 수 있는 바다표범 같은 개체들을 연구하는 것이나 극단적인 환경에서 살아가는 극한 생물을 연구하는 것 역시 가능성 있는 분야라 할 수 있다. 이렇듯 생물들이 생존을 위해 이용하는 독특한 메커니즘들을 충분히 잘 이용한다면 생물로부터 필요한 많은 약제를 얻을 수 있을 것이라 기대되는 바이다.

컴퓨터 공학

마이클 콘래드가 말하기를 "탄소와 실리콘 사이에는 모래 위에 그은 선처럼 분명한 차이가 있다"라고 하였다. 이 말은 사람의 뇌와 컴퓨터 사이에 많은 차이가 있다는 사실을 시사한다. 뇌는 패턴인식, 동시처리, 학습이 가능하고, 정보가 입력만 되면 다른 프로그래밍 과정 필요 없이 물질을 통해 저절로 정보를 처리하며, 신경세포의 네트워크를 이용하여 대량으로 병렬계산을 한다. 하지만 이에 반해 구조적으로 프로그래밍 되는 컴퓨터는 근본적으로 진화나 적응이 불가능하여 그 기능이 뇌에 비해 현저히 떨어진다. 그러므로 컴퓨터의 기능과 융통성을 증진시키기 위해서는 생물로부터의 모방이 필요하다.

수용체의 모방
콘래드는 신경세포에서 cAMP가 세로토닌이 도착한 것을 인식하여, 통로단백질을 열고 닫기 까지 하는 기작처럼 생체 내에서 분자는 특정 모양을 가지며 다른 분자의 모양을 감지할 수 있는 패턴 인지자라는 것을 알았다. 그리고 그 사실로부터 감촉성 프로세서를 고안해냈다. 이러한 감촉성 프로세서는 현재 컴퓨터가 0과 1로 이루어진 정보를 처리하는데 비하여 여러 장점이 있다. 그 중 가장 대표적인 것이 양자 병렬성과 퍼지 계산법에 대한 재능이다. 분자가 갖는 양자 병렬성이라는 양자 현상 때문에 분자들은 에너지 지형에서 한 번에 동시에 여러 곳을 탐색할 수 있다. 그렇기 때문에 디지털적으로 가능한 모든 경우의 수를 한 번에 하나씩 밖에 조사하지 못하는 컴퓨터에 비해 빠른 탐색이 가능할 것이다. 또한 효소와 같은 수용체들은 본래 융통성이 있기 때문에 입력이 불분명하거나 오류를 포함하더라도 컴퓨터와는 다르게 답을 찾을 수 있다. 감촉성 프로세서의 한 예로는, 광-수용체 프로세서가 있는데 이 프로세서는 광신호가 입력정보로 작용하고 수용체가 그 정보를 인식하여 작동되는 것이다. 현재 이 광-수용체 프로세서에 대해서는 펠릭스 홍이 광수용체 단백질의 한 종류인 박테리오로돕신을 가지고 연구 중에 있다. 이 단백질은 특정 파장의 빛에 대해 비틀리고 다른 특정 파장의 빛에 의해 다시 펴지기 때문에 이것을 컴퓨터가 1과 0을 기록하는 것에 대응시키면 두 빛을 이용해 정보 저장에 용이하게 쓰일 수 있다.

미세소관의 모방
스튜어트 하메로프는 우리 몸 세포의 거의 모든 곳에서 미세소관이 관찰되고, 마취에 의해 의식이 없는 상황에서 미세소관이 무력화 된 것을 보고 미세소관으로 부터의 계산법을 고안해내었다. 그는 이 내용을 '궁극의 계산법(Ultimate Computing)'이라는 송시에서 밝히고 있는데, 미세소관의 주요성분인 튜불린이 우주에 많이 존재하고 그들이 거의 초당 10⁹번 정도 작동하는 것을 감안하면 미세소관은 뛰어난 계산 수단으로써의 가치가 있다.

DNA의 모방
남가주 대학교의 레너드 아델만은 상보적인 염기쌍에 의해 자동으로 조립되는 DNA의 특성에서 아이디어를 얻어 가장 어렵다고 꼽히는 계산 문제 중 하나인 '지시된 해밀턴 경로 문제'를 풀었다. 이 문제는 여러 도시를 비행기를 타고 돌아다니는데 각 도시를 한 번만 지나야하는 영업사원에 대한 문제로, 방문할 도시가 많아지면 그 경우의 수가 천문학적으로 늘어나서 1초에 1조번 계산이 가능한 컴퓨터로도 10¹³⁵초(우주의 나이보다 많음)나 걸린다. 이 방법으로 그는 단지 7개 도시에만 국한된 해밀턴 경로 문제를 풀었지만 이는 더 많은 도시가 있더라도 이러한 방법으로 문제를 풀 수 있음을 증명한 셈이다. 이에 대한 자세한 내용은 <사이언스>에 논문이 게재되어 있다.

실제 적용 사례

게코 테이프

수직의 벽을 오르는 도마뱀붙이

게코 테이프’는 수직의 벽을 자유자재로 오르내릴 수 있는 도마뱀붙이의 특징으로부터 착안된 신제품이다. 분자간의 약한 인력을 이용하였기 때문에 접착력이 강함에도 불구하고 쉽게 붙였다 떼어냈다 할 수 있다. 이 테이프의 접착성은 도마뱀붙이의 발바닥에 나 있는 강모의 특성을 응용한 것인데 스탠포드 대학에서 게코 테이프를 이용한 로봇 도마뱀 ‘스티키봇’을 제작하기도 하였다.

웨일파워
웨일파워는 고래의 지느러미로부터 아이디어를 낸 새로운 디자인의 풍력 터빈이다. 웨일파워의 연구자들은 고래의 지느러미에 나있는 요철 형태의 돌기인 결절에 대한 공기역학적 연구를 통해 이러한 신체 기관이 양력의 손실과 항력이 결합된 감속 현상을 방지하는 데 결정적인 역할을 한다는 것을 발견하였다. 비행의 경우 감속은 고도의 저하를 가져오는 심각한 문제요소로 작용하는 데 이로 인해 웨일파워가 개발 될 수 있었다. 그 후 웨일파워를 개발한 회사측은 이러한 아이디어를 풍력 터빈에 적용하는 테스트를 실시하였다. 그 결과, 제품의 성능이 시속 17마일로 두 배 정도 향상되었으며, 항력을 절감시키는 보다 효율적인 터빈을 생산할 수 있게 되었다.

신칸센 고속열차

물총새의 모습

일본의 신칸센 고속열차

한 시간에 200마일 이상을 달리는 일본의 신칸센 고속열차는 세계 최고의 속도를 자랑한다. 하지만 원래 신칸센의 첫 모델은 소음이 심하다는 단점을 가지고 있었다. 열차가 터널을 통과할 때마다 기압의 변화로 인해 매우 시끄러운 소음이 발생했던 것이다. 신칸센의 엔지니어들은 소음문제를 해결하기 위하여 자연으로 눈을 돌렸고, 물총새에게서 이와 유사한 상황이 발생된다는 사실을 발견하였다. 물총새의 경우, 대기 중에서 빠른 속도로 물 속으로 다이빙 하는 상황에서도 물을 거의 튀기지 않는다. 결국 엔지니어들은 물총새의 부리 모양을 본떠 열차의 앞면 디자인을 수정하였고 이전보다 조용한 고속열차를 완성할 수 있었다. 뿐만 아니라 이러한 디자인의 변경으로 인해 열차의 속도는 이전에 비해 증가하였고 에너지 사용을 줄어드는 효과를 얻게 되었다.

홍합접착제

홍합이 족사 끝의 접착단백질을 이용하여 바위에 붙어있는 모습

홍합은 접착단백질을 만들어 내고 분비함으로써 바다 속의 바위와 같은 젖은 고체 표면에 강하게 부착하게끔 하여 강한 파도로 인한 충격이나 바다 속의 부력에 저항할 수 있다. 홍합 접착제는 현재 알려진 어떠한 화학 합성 접착제보다도 강력한 자연적인 접착제로 알려져 있으며 큰 인장강도를 지닐 뿐 아니라 휘어질 수 있는 유연성을 가지고 있는 혁신적인 물질로 접착제 산업계에서 큰 관심을 끌고 있다. 홍합접착제는 플라스틱, 금속, 유리 및 생체 물질 등 다양한 종류의 표면에 접착할 수 있는 능력을 가지고 있다. 또 습한 표면이나 물 속에서는 접착력이 떨어지는 기존의 화학접착제와는 달리 홍합접착제는 물에 젖을수록 더욱 강력한 접착력을 갖기 때문에 물 속에서 이루어지는 공사에 획기적인 재료로 이용 가능하다. 생체에 직접 사용해도 세포를 공격하거나 면역반응을 일으키지 않으므로 의료용으로도 매우 용이하다.

생체모방의 미래

재닌 M. 베니어스가 시사하는 바에 따르면, 우리가 생체 모방적인 미래로 가기 위해서는 다음과 같은 네 가지 준비가 필요하다.

고요히 있기: 자연 속에 파묻히기
토마스 베리의 말을 빌자면 자연과의 관계에서 우리는 수 세기 동안 자폐적이었다. 즉, 우리식 지식에만 빠져 자연의 지혜를 돌아보고 그를 받아들일 겨를이 없었다는 것이다. 그렇기 때문에 우리는 우리 조상들이 했었던 것처럼 자연 속에 파묻힐 필요성이 있다. 자연 속에 파묻힌다는 말이 의미하는 바는 책이나 인터넷 같은 것에서 배우는 것에서 벗어나 실제 자연 속으로 들어와 자연에 매료되어 보고, 작은 체험들을 통해 자연과 가까워진다는 것이다. 그러기 위해서는 우리는 자연보다 더 나은 존재도, 더 못한 존재도 아닌 다른 생명과 동등한 위치에서 자연을 바라볼 수 있어야 한다.

경청: 우리 행성의 동식물과의 인터뷰
여기서 인터뷰의 의미는 지구상의 종들을 명명하고, 그 명명된 종들의 재능, 생존비결, 역할 등에 대해서 가능한 자세히 아는 것을 말한다. 물론 이 일은 과학자들이 할 수 있는 일이다. 하지만 종들의 수가 무척 많기 때문에 우리 모두가 지구상의 동식물을 인터뷰할 필요가 있다. 이러한 이유로 재닌 M. 베니어스는 모든 연령들의 성인들이 이 일에 약 2년간 봉사할 수 있도록 '생물학적 평화봉사단'을 만들기를 제안하고, 이들에게 분류에 대한 필요한 지식을 가르칠 전문 인력의 양성을 요구하였다.

모방: 생물학자와 공학자들이 자연을 모델과 척도로 삼아 협동하게 한다
생물은 스스로 생존에 필요한 행위를 하기 위해서 계산하고, 구조를 세우고, 합성하고, 시스템을 설계하고, 제조한다. 하지만 인간은 자연을 관찰하는 생물학자와 계산을 기반으로 구조를 설계하는 공학자들로 나뉘어 서로의 분야에 잘 관여하지 않는다. 그렇기 때문에 미래에 생체모방기술이 발전하려면 생물이 하는 것처럼 생물학자와 공학자들이 상호 교류를 하면서 두 학문의 경계를 허물 필요가 있다.

돌봄: 생물의 다양성 및 천재성 보존하기
현재는 우리가 자연에 대해 발견한 부분보다 발견하지 못한 부분이 많다. 하지만 경제 성장만을 추구하는 사회에서 개간 등의 자연 파괴로 인해 우리가 발견하지 못한 많은 부분이 사라져 가고 있다. 그렇기 때문에 우리는 자연을 최대한 보존하고, 이용할 때도 자연 전체를 그 이용의 근원으로 생각하고 소중히 여기고 아껴야 한다.

바깥고리

• DoYeonAn/생체모방 - 두산세계대백과사전
• 재닌 베니어스: 자연의 디자인(2005) - TED 비디오
• 재닌 베니어스: 생체모방의 실제(2009) TED 비디오
• 생체모방협회