과학과 놀자 | 생글생글

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핵심은 정자 단백질 묶음의 역할 ··AI가 풀었다

지구상 거의 모든 동물의 생명은 정자가 난자에 이동하는 것으로 시작된다. 그리고 이 두 세포는 서로를 인식하고 결합한다. 굉장히 단순해 보이고, 우리에겐 아주 익숙한 과학적 사실이지만 조금만 들여다보면 미스터리 투성이다. 일단 우리는 정자와 난자의 만남 과정에서 ‘무엇이’ ‘어떻게’ 관여하는지 제대로 알지 못한다. 그런데 최근 이 미스터리를 한 꺼풀 벗겨내는 연구가 발표됐다. 정자 세포와 난자 세포가 서로를 인식하고 결합하는 메커니즘이 밝혀진 것이다.빅토리아 데네케 오스트리아 빈대학교 분자병리연구소 연구원이 이끄는 연구팀은 정자 세포와 난자 세포가 결합할 때 관여하는 단백질에 주목했다. 그동안 두 세포가 결합할 때 관여하는 단백질은 크게 세 종류로 알려져 있었다. 2005년 정자에 있는 단백질인 ‘이즈모(IZUMO) 1’이 가장 먼저 발견됐다. 당시 일본 도쿄대 연구팀은 쥐에게서 이즈모 단백질을 만드는 유전자를 삭제하는 실험을 진행했고, 그 결과 다른 기능은 멀쩡했지만, 오직 난자 세포와 융합하는 기능만 상실됐다. 그 이후 영국 웰컴 트러스 생어 연구소에서 정자 세포와의 결합에 관여하는 난자 표면 단백질 ‘주노(JUNO)’를 발견했고, 이즈모와 유사하게 정자에서 난자 결합 과정에 관여하는 ‘스파카(SPACA) 6’도 확인됐다. 이로써 정자와 난자 세포가 결합할 때 관여하는 단백질의 존재는 모두 밝혀진 듯했다. 하지만 그 이후로 이들이 결합하는 메커니즘이 도무지 밝혀지지 않아 정자와 난자와의 만남은 여전히 미스터리로 남아 있었다.오스트리아 연구팀은 정자와 난자의 결합에 관여하는 새로운 단백질이 있을 것이라 가정하고, 구
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표면장력 원리로 계단 오르고…프로펠러 휠도

음식점 입구 앞 문턱, 지하철 역사 계단, 인도 위의 돌. 평범해 보이는 일상의 모습이지만, 휠체어를 타는 장애인에겐 에베레스트산만큼이나 큰 난관이다. 이럴 때 휠체어 바퀴가 계단을 오르고, 돌을 딛고 넘을 수 있다면 얼마나 좋을까! 그런데 머지않은 미래에는 이런 상상이 현실이 될 것으로 보인다. 장애물의 모양에 따라 형태가 바뀌는 바퀴가 개발됐기 때문이다. 힘차게 구르던 휠체어가 계단 모형 앞에서 잠시 멈추어 선다. 다시 천천히 움직이던 휠체어는 계단에 닿는 순간 모양을 바꾸기 시작한다. 마치 계단의 모양을 읽어낸 듯 바퀴와 계단이 닿는 면이 완벽하게 밀착된다. 덕분에 휠체어는 계단을 넘는 데 성공한다.이 휠체어는 한국기계연구원 AI로봇연구소 연구팀이 새롭게 개발한 바퀴를 장착했다. 이 바퀴의 핵심은 도로를 달릴 때는 단단하고 동그란 모양의 바퀴로 작동하다가, 장애물을 넘을 때는 말랑해지며 장애물의 모양에 따라 바퀴 모양도 바꾼다는 것이다.과학자들은 그동안 기존의 한계를 뛰어넘는 새로운 바퀴를 개발하기 위해 아이디어를 모았다. 대표적 바퀴가 ‘비공기압 타이어’다. 비공기압 타이어는 이름 그대로 공기가 없는 타이어다. 그 대신 바퀴 안쪽에 벌집 모양으로 생긴 고무 기둥으로 채워져 있다. 고무 기둥은 말랑말랑하기 때문에 장애물을 넘기에 수월하다. 장애물을 넘는 순간 고무 기둥과 함께 바퀴의 표면도 구부러지면서 장애물을 통과하는 방식이다.이러한 특징은 한편으로 단점이기도 하다. 말랑한 만큼 바퀴가 바닥과 닿는 면이 넓어져 마찰력이 커지면서 빨리 구르는 데 한계를 지닌다. 회전할 땐 중심을 잃기도 쉽다. 회전운동의 중심인 회전축
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억만장자 아이작먼, 인류 최초로 민간 우주 유영

스페이스X(SpaceX)가 민간 우주 시대의 가능성을 또 한번 확장했다. 9월 12일, 전문 우주비행사가 아닌 민간인 두 명이 우주 유영에 성공한 것이다. 그동안 우주 유영을 포함한 다양한 우주 임무는 미국항공우주국(NASA) 등 정부기관의 영역으로만 여겨져왔다.스페이스X(SpaceX)가 민간 우주 시대의 가능성을 또 한번 확장했다. 9월 12일, 전문 우주비행사가 아닌 민간인 2명이 우주 유영에 성공한 것이다. 그동안 우주 유영을 포함한 다양한 우주 임무는 미국항공우주국(NASA) 등 정부 기관의 영역으로만 여겨져왔다.‘폴라리스 돈(Polaris Dawn)’으로 명명된 이번 임무는 억만장자 재러드 아이작먼이 이끄는 민간 우주여행 프로젝트다. 재러드 아이작먼과 퇴역군인, 스페이스X 엔지니어 2명이 참여했으며, 9월 10일 우주선 ‘크루 드래건(Crew Dragon)’을 타고 우주로 향했다. 이들은 지상을 떠난 지 약 16시간 후에 1400km(870마일) 상공에 도달했는데, 이는 1972년 미국의 마지막 달탐사선인 아폴로 17호 이후 인간이 우주에서 여행한 가장 먼 거리다.이후 이들은 지구 상공 730km까지 고도를 낮춘 다음, 시속 2만5000km로 움직이는 우주선에서 나와 우주 유영을 시도했다. 재러드 아이작먼이 먼저 크루 드래건 꼭대기의 해치를 열고 나와 난간을 한 손으로 잡고 몸을 내밀었다. 아이작먼은 그 상태로 10분가량 우주에 머물렀다. 아이작먼은 우주 유영을 하며 “지구에서는 우리 모두 할 일이 많지만, 여기서 보는 지구는 확실히 완벽한 세상처럼 보인다”고 소감을 남겼다. 아이작먼의 우주 유영이 끝난 뒤, 스페이스X의 엔지니어 중 한 명인 세라 길리스도 나와 10분가량 우주 유영을 수행했다.이번 우주 유영의 목적은
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"에취~~" 소리는 비슷해도 신경 경로 달라요

기침과 재채기는 몸이 나가라는 신호를 보내는 반응이다. 호흡기나 코에 침투한 미세먼지, 병원균과 같은 불청객을 몰아내기 위해 우리 몸은 반사적으로 기침이나 재채기 반응을 일으킨다. 소리마저 비슷하게 들리지만, 두 반응은 각기 다른 방식으로 발생한다. 최근에는 둘이 완전히 다른 신경 경로로 발생한다는 사실까지 밝혀졌다.우리 몸은 종종 의지와 무관하게 특정 반응을 일으킨다. 기침과 재채기가 대표적인 예다. 기침과 재채기는 비슷해 보이지만, 반응이 나타나는 과정에 차이가 있다.기침은 호흡기에 들어온 이물질을 배출하기 위한 반사작용이다. 외부에서 들어온 먼지, 연기 혹은 바이러스 등이 기도의 감각수용체를 자극하면 뇌는 이를 즉각적으로 인지하고, 기관지를 수축시켜 강한 공기를 내뿜도록 신호를 보낸다. 이 과정에서 기도가 일시적으로 닫힌 상태에서 빠르게 열리며, 강한 바람이 이물질을 밀어낸다. 이때 공기의 빠른 분출로 기침 소리가 난다.반면 재채기는 비강을 통한 자극에 반응하는 방어기제다. 꽃가루, 먼지, 곰팡이 포자 또는 기타 미세한 입자가 코 안쪽의 점막을 자극하면 비강에 위치한 감각수용체가 이를 감지해 뇌로 신호를 보낸다. 뇌는 코와 입을 통해 강한 공기 흐름을 만들어 자극 물질을 제거하려는 반사작용을 유도한다. 이처럼 기침과 재채기는 각각 호흡기와 비강을 보호하는 방어기제로 작용한다.기침과 재채기는 반응 시 침방울이 퍼지는 거리에도 차이가 있다. 2016년 미국 MIT 물리학과 리디아 보로이바 교수는 침방울의 확산 거리를 연구해 국제 학술지 ‘네이처’에 발표했다. 보로이바 교수는 초고속 비디오카메라를 사용해 기침과 재채기 중 침

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'배터리 열 폭주' 땐 연쇄 폭발, 대형 화재 위험 커

최근 전기차 보급이 증가하면서 화재 사고가 늘어나고 있다. 지난 8월 청라아파트 지하 주차장 화재 등 잇따른 피해에 안정성에 대한 우려의 목소리도 함께 커지고 있다.전기차가 내연기관차보다 화재가 더 잘 일어나는 것은 아니지만 문제가 되는 것은 내연기관차와 달리 화재 발생 시 진압이 어렵다는 것이다. 전기차는 내연기관차보다 화재 진압에 8배 더 많은 시간이 걸리고, 소요 인력도 2.5배나 더 필요하다. 또 화재 진압 시 사용되는 물의 양도 내연기관차는 1톤인 데 비해, 전기차는 110톤이나 든다.그 이유는 전기차의 리튬이온 배터리에 있다. 리튬이온이 양극에서 음극으로 이동하면 충전되고, 반대로 음극에서 양극으로 이동하면 전기가 만들어진다. 그런데 제조 과정상 결함, 과충전이나 과방전, 외부 충격 등으로 배터리 내부 온도가 상승하면 분리막이 손상되며 화재가 일어날 수 있다. 원래 분리막은 양극과 음극의 접촉을 차단하고 리튬이온만 통과시키는 역할을 하는데, 분리막이 손상되면 양극과 음극이 직접 만나 다량의 리튬이온이 한꺼번에 이동하며 격렬한 반응이 일어나는 쇼트 현상이 발생한다. 이때 양극재로 금속산화물이 사용되는데, 열에 의해 양극재가 분해되면 금속산화물의 부반응으로 산소 기체가 발생해 발열을 더 가속한다. 이온의 이동을 돕는 전해액 또한 기화되면서 가연성물질이 나오고, 순식간에 1000℃ 이상으로 온도가 상승한다. 이렇게 배터리 내부의 온도가 제어할 수 없을 정도로 올라 폭발하는 것을 ‘열 폭주 현상’이라고 한다. 바로 이 열 폭주 현상 때문에 전기차는 불이 났을 때 진압하기가 어렵다.게다가 전기차에 들어가 있는 배터리는 수백 개의 배터
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연인보다 '자식 사랑'이 더 강렬…뇌과학이 밝혔다

사랑은 인간이 느끼는 근원적 감정 중 하나로, 사전적 뜻은 '타인을 사랑하거나 특정 대상을 몹시 아끼고 귀중히 여기는 마음'이다. 대상에 따라 사랑을 가족 간 사랑, 연인 간 사랑, 친구나 동료와의 우정, 동물이나 자연을 향한 사랑 등으로 분류하기도 하는데 종류야 어찌 됐든 사람들 사이의 관계를 형성하고 유지하는 데 사랑이 큰 영향을 미치는 건 똑같다.이렇게 숭고한 감정인 사랑에 감히 순위를 매길 수는 없겠지만, 적어도 강도의 차이는 있어 보인다. 예컨대 친구와의 우정은 만남이 소원해지거나 더 친한 친구가 생기면 사그라들지만, 자식을 위해 평생을 헌신하는 부모는 자주 볼 수 있기 때문이다. 그렇다면 실제로 유형에 따라 강도도 다를까? 오랜 시간 사람의 감정과 신체 반응의 관계를 연구해온 핀란드 알토대 연구팀이 최근 사랑의 유형에 따른 뇌 활동 강도와 영역을 분석해 이 질문에 대한 답을 내놨다. 국제학술지 <대뇌피질(Cerebral Cortex)> 8월호에 실린 연구다.연구팀은 먼저 1명 이상의 자녀가 있는 28~53세 사이의 성인 남녀 55명을 모집했다. 이들은 모두 평균 연애 기간이 11.9년인 연인이 있었으며, 27명은 반려동물을 키우고 있었다. 뇌 활동은 기능성 자기공명영상(fMRI)으로 촬영했다. fMRI는 활성화된 뇌 부위에 혈류의 양이 증가하는 원리를 이용해 뇌의 어느 부위가 활성화됐는지 측정하는 기술로 혈류량이 적을수록 파랗게, 많을수록 붉게 나타난다.연구에서 살펴본 사랑의 유형(대상)은 연인, 자녀, 친구, 낯선 사람, 반려동물, 자연 등 총 여섯 종류다. 연구팀은 피실험자에게 각 유형에 관한 짧은 이야기와 사랑과 전혀 관련 없는 이야기를 오디오를 통해 들려주며 뇌의 활동
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온난화의 주범 '비행운' AI로 지운다

푸른 하늘을 가르며 비행기는 때때로 하얀 구름 같은 흔적을 남긴다. 그런데 이 비행운은 지구온난화의 원인 중 하나다. 최근 연구자들은 인공지능을 활용해 비행운을 피할 수 있는 방법을 찾고 있다. 연구에 따르면, 비행경로를 조금 수정하는 것만으로도 하늘을 더 맑고 깨끗하게 유지할 수 있다.항공기가 비행하면서 이산화탄소(CO₂)와 같은 온실가스를 배출한다는 사실은 잘 알려져 있다. 그러나 최근 연구에 따르면, 비행기가 특정 대기에서 형성하는 비행운이 지구온난화에 미치는 영향이 더 클 수 있다.2011년 독일 과학자들은 비행운이 비행기 엔진에서 배출되는 온실가스보다 더 강력한 온난화를 발생시킨다는 연구 결과를 국제학술지 <네이처 기후변화>에 게재했다. 이는 항공산업이 기후변화에 미치는 숨겨진 영향을 세상에 알리는 중요한 전환점이었다. 2020년에 발표된 영국 서식스 대학의 연구 역시 비행운이 항공산업의 전체 환경 영향 중 약 60%를 차지할 수 있다고 밝혔다.비행운은 주로 비행기가 대기 상층부를 비행할 때, 엔진에서 나온 미세입자가 대기 중 수증기와 결합해 만들어진다. 이러한 비행운은 차갑고 습한 기후에서 더 쉽게 형성되며, 북반구 고위도 지역에서 빈번히 발생하는 경향이 있다. 대기 온도가 영하 40℃ 이하, 상대 습도가 60% 이상인 고도 8000~1만2000m에서 주로 형성된다.비행운은 ‘권운(새털구름)’과 유사한 특성을 지닌다. 낮은 고도에서 권운은 태양광을 반사해 지구를 식히는 역할을 한다. 하지만 이 효과는 일시적이며, 주로 낮에만 나타난다. 반면 밤에는 복사열을 가둬 지구 온도를 상승시키는 결과를 초래한다. 이 때문에 비행운은 온실가스와 비슷한 방
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나비, 아프리카서 남미까지 쉬지 않고 날아

곤충은 얼마나 오래, 그리고 얼마나 멀리 날 수 있을까. 새들의 장거리 비행에 대해서는 비행거리는 물론 출발지, 목적지, 경로까지 정확히 밝혀진 데 반해 곤충은 비교적 알려진 바가 적었다. 새들은 몸에 GPS 추적기를 부착할 수 있지만 곤충은 무게가 너무 가벼워 불가능했기 때문이다. 그런데 최근 여러 기술을 종합해 곤충의 장거리 비행에 관한 미스터리가 밝혀졌다.2013년 10월, 스페인 바르셀로나식물학연구소 제라르 탈라베라 연구원은 남아메리카 대륙의 기아나(프랑스령)에서 작은멋쟁이나비(Vanessa cardui) 무리를 발견했다. 이 나비들은 날개가 찢겨 있었으며, 모래 위에서 휴식을 취하는 듯한 행동을 하고 있었다. 제라르 탈라베라 연구원은 이 나비가 오랜 비행을 한 직후일 것으로 추측했다. 작은멋쟁이나비는 대륙 간 이동을 하는 곤충으로 알려져 있고, 남아메리카에서는 개체군을 안정적으로 형성하지 못했기 때문에 다른 대륙에서 날아온 나비라는 가설을 세운 것이다. 제라르 탈라베라 연구원이 이끄는 스페인, 폴란드, 캐나다 국제 공동연구팀은 가설을 검증하기 위해 무리 중 세 마리를 포획해 여러 가지 분석을 진행했다.먼저 연구팀은 북아메리카, 유럽, 아프리카 등 세계 각지에서 포획한 작은멋쟁이나비의 유전자와 이번에 포획한 나비의 유전자를 모두 분석·비교했다. 그 결과 북아메리카와 유럽-아프리카에 서식하는 나비는 집단 간 유의미한 유전자 차이가 있었고, 이번에 포획한 나비는 둘 중 유럽-아프리카에 서식하는 개체였다. 이로써 포획한 나비가 대서양을 건너왔을 가능성이 높다는 것이 확인됐다.연구팀은 나비의 비행 출발지를 보다 명확하게 파악하기 위해, 포획한 작

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