과학 기타 | 생글생글

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변이와 다양성 (상)

대멸종과 새로운 시작예를 들면 5차 대멸종으로 공룡 등 거대 파충류는 사라졌지만 작은 몸집의 포유류가 빈자리를 차지하게 됐다. 이처럼 대멸종 이후 생태계가 회복되는 과정에서 새로운 환경에 적응한 생물들이 빠르게 번성해 멸종한 생물들의 빈자리를 채우고, 환경 변화에 적응하고 다양하게 분화해 새로운 종으로 ‘진화(進化)’했고, 생명의 다양성이 증가하게 됐다.다윈의 탐험‘진화론(進化論)’을 이야기할 때 절대로 빼놓아선 안 될 사람이 바로 찰스 로버트 다윈(Charles Robert Darwin, 1809~1882)이다. 그는 1831년 해군측량선 비글호에 박물학자로서 승선해 남아메리카, 오세아니아, 아프리카의 세 대륙과, 태평양, 인도양, 대서양의 세 대양, 그리고 많은 섬을 탐사했고 항해 중에 본 동식물의 상이나 지질(地質) 등을 조사했다. 에콰도르의 해안에서 약 1000㎞ 떨어진 갈라파고스 군도에서는 서로 다른 종류의 동물상과 식물상이 섬마다 다르게 분포하고 있음을 관찰하게 된다. 특히 다윈의 흥미를 끈 것은 핀치(finch)라는 새의 부리 모양이 섬에 따라 모양이 조금씩 달랐다는 점이다.1839년 다윈은 《비글호 항해기(Journal of the Voyage of the Beagle)》라는 책에서 다른 환경의 섬과 갈라파고스 군도에서 생활하는 같은 계통의 생물에서 볼 수 있는 사소한 변이(變異)의 관찰 결과를 정리해 발표하였다.1859년 《자연선택에 의한 종의 기원(On the Origin of Species by Means of Natural Selection or the Preservation of Favoured Race in the Struggle for Life)》이라는 책을 다윈이 출판할 당시 초판이 당일 매진됐을 정도로 사회에 엄청난 파문을 불러일으켰다. 진화론에 본격적으로 불이 붙었다. 영국 런던에서 발간된 한 학술지에 실
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마이크로바이옴

사람의 입은 외부 물질이 유입되는 통로이기에 유해물질로부터 몸을 지키기 위해 여러 가지안전장치를 가지고 있다. 요즘 입 건강, 치아 관리 등이 중요하다는 이야기를 많이 한다. 얼마 전 ‘엄지의 제왕’이라는 TV 프로그램에서 한 전문가는 “잇몸 질환을 일으키는 대표적 박테리아인 ‘푸조박테리아(fusobacteria)’가 대장암을 일으키는 원인이 되기 때문에 양치와 치아 관리가 중요하다”고 말했다.미생물 전체는 마이크로바이옴우리 몸속에는 비피더스 등 약 100조 개의 미생물이 살고 있다. 이처럼 우리 몸속에 살고 있는 미생물과 이들의 유전정보 전체를 ‘마이크로바이옴(microbiome)’이라 부른다. 마이크로바이옴은 우리 손가락의 지문처럼 고유하며, 사람에 따라 그 구성이 각양각색이다. 일란성 쌍둥이라 해도 마이크로바이옴 구성이 일치하지 않아 ‘제2의 게놈’이라 불리기도 한다.하지만 마이크로바이옴은 게놈과는 달리 여러 요인에 의해 변화할 수 있다. 태아는 산도를 통과하며 처음 미생물과 접촉하고 모유 수유를 통해 몸속에 미생물들의 생태계가 형성된다. 이후 식습관, 약물 혹은 유산균 제품 섭취, 스트레스 등 다양한 요인에 따라 구성이 달라진다.미생물(microorganism)은 0.1㎜ 이하 크기인 생물로 조류(algae), 세균류(bacteria), 원생동물류(protozoa), 사상균류(fungi), 효모류(yeast) 등이 있으며, 몸속 미생물들은 입, 코, 피부, 장 등 우리 몸 곳곳에 살고 있지만 95% 이상이 장에 살고 있다. 수많은 미생물 중 인간에게 나쁜 질병을 일으키는 종은 100개 미만에 불과하다. 장에 살고 있는 박테리아들이 우리가 먹은 음식물을 섭취하고 노폐물을 배설하면 장 내벽의 세포
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생물 다양성(하)

선캄브리아 시대, 고생대, 중생대, 신생대를 거치면서 바다와 육지에서 다양한 생물이 나타났다 사라졌다. 특히 많은 생물이 갑자기 사라지는 사건을 ‘대멸종(mass extinction)’이라 한다. 대멸종으로 사라진 동물들의 빈자리는 새로운 동물들이 채운다. 즉 대멸종은 끝이 아니라 새로운 시작을 의미한다. 예를 들면 5차 대멸종으로 공룡 등 거대 파충류는 사라졌지만 거대 파충류의 빈자리를 포유류가 채우며 생명다양성이 더욱 증가했다.대멸종의 역사‘1차 대멸종’은 고생대 오르도비스기와 실루리아기의 경계인 약 4억4300만 년 전에 일어났으며, ‘2차 대멸종’은 고생대 데본기와 석탄기의 경계인 약 3억7000만 년 전에 일어났다. ‘2차 대멸종’은 척추동물이 육상으로 진출하는 계기가 됐다. ‘4차 대멸종’은 중생대 트라이아스기와 쥐라기의 경계인 약 2억1500만 년 전에 일어났다.생물종의 95%가 멸종된 지구 역사상 가장 큰 규모의 대멸종은 ‘3차 대멸종’이다. 고생대의 페름기(Permian)와 중생대의 트라이아스기(Triassic) 사이에 일어났고, 앞 글자를 따서 ‘P/T 대멸종’이라고 한다.‘K(백악기)/T(제3기) 경계’는 세계 각지에서 흔히 발견되는 가느다란 지층 경계다. 공룡 화석은 ‘K/T 경계’ 아래에서만 발견된다. 이는 중생대에서 공룡이 살았으나 신생대에서는 공룡이 존재하지 않았다는 것을 말하고 있는 것이다. 이를 근거로 백악기(Kreide)와 신생대 제3기(Tertiary) 사이에 공룡이 멸종했다고 보고 있으며, 이를 ‘5차 대멸종’이라 한다.소행성 충돌 등이 이유대멸종은 왜 일어났으며 그 원인은 무엇일까? 해양 생물 서식지 감소와 해류 변화로
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생물 다양성(중)

남세균의 한 종류인 ‘스트로마톨라이트(Stromatolite)’가 선캄브리아 시대에 최초의 광합성을 시작하였다. 이로 인해 대기 중 산소 농도가 서서히 증가하여 육지에 동생물들이 살아갈 수 있는 여건이 만들어지기 시작하였다. 지금도 호주 서부 해안가에서는 스트로마톨라이트의 광합성을 관찰할 수 있다.스트로마톨라이트와 광합성고생대(Paleozoic era) 표준화석 중 하나는 우리가 많이 들어 본 ‘삼엽충’이다. 고생대에는 해양생물이 급격히 증가하였다. 중생대(Mesozoic era)는 트라이아스기, 쥐라기, 백악기 등 세 개의 ‘기(紀·period)’로 나누어진다. 중생대에서는 초대륙 ‘판게아(Pangaia)’가 여러 대륙으로 나뉘면서 해안선이 길어졌다. 또한 왕성한 화산 활동으로 인해 마그마와 화산 기체가 대량으로 분출되어 대기에는 온실 기체인 이산화탄소() 농도가 증가해 따뜻하고 기후가 지속되었을 것이다.공룡 등은 중생대에 등장영화 ‘쥬라기공원’에서 보았던 공룡 등 거대한 파충류가 육지를 지배했으며, 겉씨식물과 몸집이 작은 포유류도 출현하였다. 바다에서는 오징어, 문어와 같은 두족류인 ‘암모나이트’가 번성하였으며, 암모나이트는 중생대를 대표하는 표준 화석이다.중생대 백악기(Kreide period)와 신생대 제3기(Tertiary period) 사이에 ‘5차 대멸종’이’ 일어났다. ‘기’의 앞글자를 붙여 ‘K/T(또는 K/Pa) 대멸종’으로 부르기도 한다. 현재는 지질시대와 암석 단위에서 제3기(Tertiary period)를 사용하지 않고 팔레오기(Paleogene period)로 바꿔 부르기 때문에 ‘K/Pa 대멸종’이라 한다.약 6500만 년 전부터 현재에 이르는 신생대(Cenozoic era)는

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생물 다양성(상)

‘지질시대(Geological time)’는 지구상에서 가장 오래된 암석의 시기부터 현재까지를 말한다. ‘지질시대’는 화석과 지층을 근거로 상대연대로 구분되었으나, 최근 방사성 동위원소로 밝혀낸 암석의 절대연대를 근거로 지질시대를 나눈다.수십억년을 다루는 지질시대지질시대는 누대(累代, eon), 대(代, era), 기(紀, period)의 단위로 구분된다. ‘누대(累代)’를 영어로는 ‘eon’으로 나타내는데 ‘100억 년’의 뜻을 갖고 있다. 따라서 누대는 상상하기 어려운 긴 시간을 나타내는 용어이다. 누대는 ‘시생누대’, ‘원생누대’, ‘현생누대’ 세 가지로 나눈다. 또한 생물의 출현과 번성, 멸종을 기준으로 ‘선캄브리아 시대’ ‘고생대’ ‘중생대’ ‘신생대’로 구분한다.‘원생누대’와 ‘시생누대’를 합쳐 ‘선캄브리아 시대(Precambrian eon)’라고 한다. 전체 지질시대 중 가장 오랜 기간(약 34억 년) 지속되었다. 초기에는 대기 중에 산소(O2) 기체와 오존층(O3)이 없어 육지에 생물이 살 수 없는 환경이었다. 바다에서는 ‘남세균’이 출현하여 광합성을 시작하였다. 층 모양의 줄무늬가 있는 ‘스트로마톨라이트(Stromatolite)’ 화석은 ‘남세균’의 광합성을 설명해주고 있으며 선캄브리아 시대의 대표 화석으로 자리잡았다.‘남세균’의 광합성으로 ‘선캄브리아 시대’ 이후 지구 환경 변화를 유추할 수 있다. 대기 중의 산소 기체 농도는 증가할 것이고, 이로 인해 점차 오존층(O3)이 형성되었을 것이다. 오존층의 형성은 우주로부터 유입되는 강한 자외선을 차단해 육지에서도 생물들이
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산(acid)은 레몬에 많고 염기는 비누에 많죠

아레니우스, 브뢴스테드-로우리, 루이스 등의 산(acid) 염기(base)의 정의가 있지만, 초등학교부터 고등학교 1학년까지는 아레니우스 정의로 산과 염기를 배웠고, 브뢴스테드-로우리와 루이스의 정의는 화학Ⅰ에서 배운다. 암모니아(NH3)를 아레니우스 염기라고 말할 수 없다. 하지만 물에 녹아 양성자(H+)를 받아들이고, 비공유 전자쌍을 제공할 수 있기 때문에 암모니아는 브뢴스테드-로우리 염기와 루이스 염기라 할 수 있다.산(acid)은 본래는 시큼하다는 의미가 있는 ‘acidus’라는 라틴어에 뿌리를 두고 있다. 우리 주변에 있는 대표적인 산은 사과나 레몬과 같이 과일에 포함된 것으로, 산이 많이 포함된 과일은 시큼한 맛이 난다. 또한 수용액 상태에서 전류가 흐르고, 마그네슘(Mg)과 같은 금속과 반응하면 수소 기체(H2)가 발생한다. 탄산칼슘(CaCO3) 등과 같은 염기성 물질과는 중화 반응을 한다.이산화탄소(CO2), 질소산화물(NOx), 황산화물(SO2) 등은 비금속 원소와 산소 원소의 결합으로 돼 있으며, 이들을 비금속 산화물이라 하며, 물에 용해돼 산의 성질을 갖는 물질이다. 예를 들면 구름에서 비(雨)가 지상으로 떨어지는 동안에 공기 중 이산화탄소(CO2) 기체의 영향으로 pH는 5.7까지 낮아질 수 있다. 여기에 질소산화물(NOx), 황산화물(SO2) 기체 등의 영향에 의해 pH는 5.6 이하로 낮아지며 이를 산성비라 한다. 산성비 기준은 국가마다 다르지만 우리나라는 pH5.6 미만 비를 산성비로 정의한다.지시약으로 산과 염기 구분산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO) 등은 금속 원소와 산소 원소의 결합으로 이뤄져 있으며 이들을 금속 산화물이라 한다. 이들은 염기의 성질을 갖는다. 비누(RCOONa), 베이킹파우더 등은 주변에서
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산·염기(상)

통합과학 3단원 “변화와 다양성”은 화학 변화와 생물의 다양성과 유지를 중심으로한 학습 내용을 담고 있다. 우리 주변에서 일어나는 산과 염기의 다양한 변화를 이야기하려 한다. 화학 교과서는 산화, 환원 반응과 산 염기의 중화반응을 중심으로 학습내용이 전개된다.아레니우스의 구분법우리는 초등학교 때부터 아레니우스의 정의를 기준으로 산과 염기를 구분해왔다. 산과 염기를 본격적으로 이야기하기 전에 반드시 짚고 가야 할 사람이 바로 아레니우스다. 스반테 아레니우스(Svante Arrhenius, 1859∼1927)는 스웨덴 과학자로 “전해질의 이온화설”에 관한 논문으로 1903년 노벨화학상을 받았다. 그는 야코부스 반트호프(Jacobus van’t Hoff, 1852∼1911), 빌헬름 오스트발트(Wilhelm Ostwald, 1853∼1932)와 함께 19세기 후반 물리화학 영역을 형성한 천재로 통한다.이들은 한 가지 학문으로 규명하기 어려운 현상을 설명하였다. 반트호프의 삼투압 법칙, 아레니우스의 전리설은 전해질 속의 이온에 대해 설명하려 노력했다. 아레니우스의 또 다른 성과는 반응을 일으키기 위해 필요한 최소한의 에너지인 ‘활성화 에너지(Ea)의 개념’을 도입했다. 반응 속도는 온도에 지수 함수적으로 비례한다는 ‘아레니우스 식(Arrhenius equation)’을 내기도 했다. 다시 말하면 산과 염기의 정의 외에도 전해질과 화학 반응속도 등에서 아레니우스가 주장한 이론이나 식(式) 등을 배우게 된다는 것이다.염산(HCl), 황산(H2SO4), 질산(HNO3) 등과 같이 수용액 상태에서 수소이온(H+)을 내놓는 물질을 아레니우스는 산이라 하였다. 반면 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2) 등과 같이 수용액 상태에서 수산화이온(OH-
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지구온난화 논란(하): 인간활동설과 자연주기설

기후 변화의 원인을 설명하는 가설은 많다. 지구의 연평균 기온이 상승하는 지구 온난화 원인은 크게 두 가지, 인간 의 활동이 원인이라고 보는 설과 자연 순환설이 있다. 자연 순환설은 지구온난화가 자연 주기 중 하나에 포함되는 현 상이라고 주장한다. 따라서 자연 순환설은 태양활동 주기나 지구의 공전궤도 주기 등에서 기후 변동의 원인을 설명 하고 있다.인간활동설 vs 자연주기설밀란코비치(1879~1958)는 과거 빙하기가 지구 궤도의 여러 요소의 변화 때문이었다는 것을 설명하였다. 밀란코비치 이론은 기본적으로 지구 자체의 운동효과로 발생하는 기후 변화를 설명한 것으로, 지구 공전 궤도의 형태, 자전축의 변화, 세차운동 등 3가지 요소는 지구에 도달하는 태양복사에너지의 양과 도달 위치를 변화시키며, 이로 인해 기후변화가 초래되었다는 이론 등 많은 가설이 있다.현재 교과서는 이런 설명과 달리 대기 중에 있는 이산화탄소 기체를 중심으로 지구온난화를 설명하고 있다. 수증기(H2O), 이산화탄소(CO2), 메테인(CH4), 오존(O3), 프레온 등의 기체는 지표면에서 복사되는 에너지를 밖으로 방출하지 않고 그대로 흡수하는 성질을 갖고 있다. 이런 기체를 온실기체(Greenhouse gases)라 하며, 온실기체 증가가 지구온난화의 원인이 된다. 왜냐하면 온실기체의 증가는 지표면 등에서 복사된 에너지를 밖으로 배출하지 못하고 가둬두는 에너지의 양이 증가한다는 의미이며, 이로 인해 지표면과 대기의 평균온도는 점점 상승하게 되기 때문이다.미래의 지구기온인간의 활동이 기후 변화에 미치는 영향을 평가하고 국제적인 대책을 마련하기 위해 구성한 정부 간 기후 변화 협의체인 IPCC(Intergovernmental Panel on Clima

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