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과학과 놀자멜라토닌 분비되고 아데노신 쌓이면 잠에 빠져들어
여름이다. 장마와 폭염, 열대야 등으로 잠 못 이루는 밤이 찾아올 것으로 예상된다. 열대야를 극복하기 위해 대다수의 사람은 시원한 생맥주나 청량음료를 찾지만, 이는 잠시 더위를 쫓을 뿐 오히려 깊은 잠을 방해하는 요인이 된다. 건강한 수면을 취하려면 어떻게 해야 할까.우리 몸에는 언제 잠을 자야 하는지, 언제 깨야 하는지를 결정하는 주된 요인이 두 가지 있다.첫 번째는 멜라토닌이라는 호르몬이다. 멜라토닌은 척추동물의 경우 뇌 속에 위치한 솔방울샘(pineal gland)에서 분비된다. 사람의 경우 멜라토닌은 생후 2~3개월부터 분비하기 시작해 점차 증가한다. 다만 영아기에는 충분한 멜라토닌을 생성하지 못하기 때문에 모자라는 부분은 모유 수유를 통해 공급받는다.일반적으로 불면증을 앓는 환자의 70%가 50대 이상인 것으로 알려져 있다. 뇌가 노화됨에 따라 멜라토닌 분비가 감소하기 때문이다. 대한의학협회의 조사에 따르며 50대엔 멜라토닌 분비량이 청소년기의 절반에 불과하며, 65세 이상이 되면 3분의 1로 감소하는 것으로 나타났다. 어두워지면 멜라토닌 분비량도 늘어어둑해지면 솔방울샘에서 혈액으로 분비되는 멜라토닌의 양이 늘어나기 시작한다. 이 호르몬은 혈액을 타고 몸속을 돌아다니며 밤이 왔으니 잠자리에 들 때라는 생물학적 명령을 전달한다. 이런 식으로 멜라토닌은 우리 몸에 어둠의 신호를 체계적으로 전달함으로써 잠잘 시간을 조절하는 데 기여한다.멜라토닌은 해가 진 뒤 몇 시간 안에 분비되기 시작한다. 그런 뒤 농도가 빠르게 높아져 오전 4시 무렵 최고에 달한다. 그 뒤로 새벽에 햇빛이 눈을 통해 뇌로 들어오면, 솔방울샘에서 멜라토닌 분비가 차단돼 이른 아침
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과학과 놀자한국 최초 달 탐사에 나서는 '다누리'
국립중앙과학관과 함께하는 과학 이야기 (8)지난 6월 21일 독자 기술로 개발한 한국형 발사체 누리호가 성공적으로 발사돼 국민에게 큰 감동을 줬다. 누리호에 이어 우주를 향한 또 한 번의 큰 발걸음이 예정돼 있다. 한국 최초의 달 탐사선인 ‘다누리’가 오는 8월 3일 발사를 기다리고 있다.우주탐사 경쟁이 치열했던 냉전시대에 미국은 패권을 잡기 위해 우주 개발에 몰두했다. 그 결과 아폴로11호를 세계 처음으로 달에 착륙시켰다. 그 후로도 몇 번 더 달에 가서 실험 장비를 설치하고 월석을 지구로 가져와 분석하는 등의 연구를 진행했다. 하지만 냉전이 끝난 뒤 아폴로 프로젝트는 중단됐으며, 이후 달에는 그 누구도 가지 않았다.그러다가 최근 들어 다시 달에 대한 관심이 증가하고 있다. 달에는 첨단 산업에 꼭 필요하지만 지구에 매장량이 많지 않은 희토류가 풍부하다. 달은 화성 탐사를 위한 중간 기지 역할도 할 수 있다. 그래서 많은 나라가 달에 가기 위한 준비를 하고 있다. 우리나라도 차근차근 달 탐사 프로젝트를 준비해 왔다.다누리는 미국 플로리다주에 있는 미 우주군 기지에서 우주 탐사 기업 스페이스X가 개발한 발사체 팰컨9에 실려 우주로 나간다. 다누리는 ‘부메랑 방법’이라고 불리는 탄도 달 전이(BLT·Bal
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과학과 놀자자율주행 자동차는 어떻게 스스로 움직일까?
국립중앙과학관과 함께하는 과학 이야기 (7)수많은 자동차가 도로를 빽빽하게 채운 채 쏜살같이 달려간다. 아슬아슬 부딪칠 듯하지만 서로 약속한 것처럼 양보하기도 하면서 미끄러지듯이 앞으로 나아간다. 그런데 자동차 속 운전자는 운전대는 잡지도 않은 채 다른 일을 하고 있다. 공상과학 영화에 등장하는 자율주행 자동차의 모습이다. 사람이 운전하지 않아도 알아서 움직이는 자동차. 먼 미래의 일로 여겨졌던 자율주행차는 어느덧 우리 생활에 성큼 다가와 있다.자율주행차는 어떻게 스스로 움직이는 것일까. 사람이 운전할 때를 생각해 보자. 눈으로 주변을 살피고, 어느 방향으로 갈지 머리로 생각하면서 손으로는 운전대를, 발로는 페달을 조종한다. 자율주행차에도 이런 기능이 필요하다. 자율주행차는 사람의 몸과 머리 대신 각종 전자 기기를 통해 이런 기능을 수행한다.먼저 여러 가지 센서로 자동차 앞과 주변 환경을 살펴본다. 카메라 센서는 사람의 눈으로 보듯이 영상 이미지를 얻는다. 레이더 센서는 주변 물체의 형태를 인식하고 거리를 정교하게 측정한다. 위성 위치확인 시스템(GPS)과 관성 측정 장치(IMU)는 자율주행차가 어느 위치에서 어느 정도 속도로 가고 있는지를 측정한다.이렇게 얻은 정보를 고성능 차량용 컴퓨터가 분석해 어느 방향으로 얼마나 빠르게 달릴 것인지를 계산하고 결정한다. 여기에 맞춰 자동차의 방향을 바꾸는 조향 장치와 속력을 조절하는 구동 장치를 스스로 움직여 가며 운전한다.보다 완벽한 자율주행을 위해 사물인터넷 기술이 이용될 수도 있다. 자율주행차가 교통 시스템, 다른 자동차들과 인터넷으로 연결돼 도로 상황에 관한 정보를 실시간으로 주고받
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과학과 놀자세포에서 단백질의 발현·이동·분해 보여주는 표지자 역할
백문이 불여일견, 보아야 믿지, 보고 나서 이야기하자. 우리가 일상생활에서 빈번하게 사용하는 말이다. 눈으로 보고 확인하는 것이 사실관계 확인에서 얼마나 중요한지를 알려주는 말이다. 많은 생명과학적 연구와 발견이 17세기 네덜란드 과학자 안톤 판 레이우엔훅이 현미경을 발명한 이후 시작됐다.맨눈으론 볼 수 없는 미생물, 우리 몸속 다양한 기관을 구성하는 세포 등을 눈으로 관찰하게 된 뒤에야 과학자들과 의학자들은 질병의 원인체를 규명하고, 그것이 우리 몸속에서 어떤 과정을 거쳐 질병을 일으키는지를 연구해 치료제를 개발하게 됐다. 현재는 전자현미경 등 다양한 기기를 통해 우리 몸속 세포뿐 아니라 세포 내 소기관, 소기관을 구성하는 단백질과 유전물질인 DNA까지도 눈으로 관찰할 수 있는 경지에 이르렀다.그렇다면 눈에 보이면 모든 게 해결될까. 구슬이 서 말이어도 꿰어야 보배라는 말이 있듯이 세포 속의 핵이며 미토콘드리아 등을 눈으로 들여다볼 수 있다 해도 그것이 어떤 기능을 하는지, 어떤 상호작용을 해 우리가 숨 쉬고 살아갈 수 있는지를 이해하려면 보다 세부적인 연구가 필요하다. 생명과학에서는 생명체를 구성하는 많은 요소 가운데 특히 단백질에 주목하고 있다. 이는 단백질이 생명체의 기본 체조직을 구성하는 주요 성분일 뿐 아니라 호르몬과 효소, 항체 등 주요 생체 기능을 수행하는 물질이기 때문이다. 유전적, 환경적 요인에 의해 일어나는 대부분의 질병이 유전자 변형에 따라 발생하는 단백질의 구조와 기능적 이상이라는 것을 고려할 때, 생체 내 주요 단백질에 대한 연구는 생명과학 및 의학 발전을 위해 필수불가결하다고 할 수 있다.지구상의 생명체가
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과학과 놀자미꾸릿과 어류의 천국 한반도
국립중앙과학관과 함께하는 과학 이야기 (6) 지난달 울릉도를 방문해 생태 환경을 조사하다가 민물고기인 미꾸리를 발견했다. 화산암 지형인 울릉도는 물이 땅속으로 잘 스며들어 민물고기가 살기 어려운 환경이다. 그런 곳에서 미꾸리를 발견하니 참 반가웠다. 예전에 육지에 살던 미꾸리를 가져다 울릉도 하천에 풀어 놓은 일이 있는데, 이번에 보고 온 미꾸리는 그들의 후손일 것이다.미꾸리는 미꾸라지와 같은 ‘미꾸릿과’에 속하는 물고기다. 미꾸릿과 어류는 약 2200만 년 전 나타난 것으로 추정된다. 인류보다 훨씬 오래전부터 지구에 살고 있었던 것이다.우리나라에는 미꾸리와 미꾸라지를 포함해 총 17종의 미꾸릿과 어류가 살고 있다. 이들의 조상은 오랜 옛날 중국 황허와 러시아 아무르강 유역에 살았던 물고기다. 이들은 과거 어느 시점에 강의 지류(큰 강에서 갈라진 작은 물줄기)를 따라 한반도에 들어왔을 것이다. 그러다 해수면 상승, 지진 등으로 지형이 바뀌면서 서로 떨어져 살게 됐을 것이다. 그렇게 떨어져 살게 된 민물고기는 다시 한데서 만나기 어렵다. 자신이 살고 있는 강의 물줄기를 벗어나지 못하기 때문이다. 일정한 수계(큰 강의 물줄기)에 갇혀 살면서 환경에 맞춰 각기 다른 모습으로 진화한다.따라서 원래는 같은 종이었던 물고기도 오랜 시간이 지나면 완전히 다른 종이 되곤 한다. 우리나라에 사는 미꾸릿과 어류도 서식하는 지역에 따라 각기 다른 모습을 하고 있다.우리나라에서 볼 수 있는 다양한 미꾸릿과 어류는 지리적으로 분리돼 살아가는 생물이 서로 다른 종으로 나뉘는 ‘종 분화’의 구체적인 사례다. 별로 눈여겨보지 않았던 작은 물고기에도
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과학과 놀자물체의 원형복원 속성에 따라 탄성·점탄성·소성 분류
우리는 다양한 소재로 구성된 물체와 접촉하면서 살고 있습니다. 일상에서는 다양한 물체의 움직임과 변형에 관한 경험을 체득하고, 이를 통해 대화에서 소재가 된 물체의 움직임을 머릿속으로 그려볼 수 있습니다. 예를 들어 ‘테니스공처럼 튀어 올랐다’는 표현이나 ‘알루미늄 캔처럼 찌그러졌다’는 표현을 통해 듣는 사람은 대화 속 물체가 어떻게 변형되고 움직이는지 상상할 수 있습니다.반면 온라인 게임에서부터 메타버스나 디지털트윈 등 다양한 이름을 갖는 디지털 공간에서 물체의 운동이나 변형을 현실감 있게 표현하려면 사람 사이의 언어가 아니라 수식으로 표현된 물리학적 개념이 컴퓨터 언어로 코딩돼야 합니다. 디지털 공간에서 현실 세계와 같은 다양하고 세밀한 물리적 현상을 표현할 수 있다면 외부에서 작용하는 힘에 대해 제품 또는 구조물의 운동이나 변형을 미리 예상해볼 수 있습니다. 관심 있는 환경 조건에서 물체의 운동이나 변형을 소프트웨어로 구체화해 놓고 검토하는 방법을 공학 분야에서는 CAE(computer-aided engineering)라고 합니다.일반적으로 외력이 작용해 물체에 발생한 변형이 원래 형태로 회복 가능한지 여부나 변형이 점차 크거나 작아지는가에 따라 탄성(elasticity) 점탄성(viscoelasticity) 소성(plasticity) 개념을 활용할 수 있습니다.탄성은 단단한 스프링같이 외부에서 작용한 힘(외력)에 의해 조금이라도 즉각적으로 변화하면서 원래의 형태로 복원하려는 성질이라고 정의할 수 있는데, 물체가 변형하는 정도가 작용한 힘에 정비례하는 것으로 가정합니다. 튀어오르거나 복원되는 느낌을 나타내는 ‘탄성이 좋다’는 표현과 크게 다르지 않지만, 물리
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과학과 놀자토양 성분 따라 파랑·분홍·보라색 꽃으로 피어나
초여름인 6월이면 피어나 아름다운 색깔과 자태로 사람들의 눈길을 끄는 꽃이 있다. 변심, 변덕, 소녀의 꿈, 냉정 같은 다양한 꽃말을 가진 수국(水菊·hydrangea)이다. 물을 좋아해 이름에 물(水)이 들어 있는 이 아름다운 꽃에 변심, 변덕 같은 꽃말이 지어진 이유는 무엇일까.파란색, 분홍색, 보라색, 연두색까지 수국은 다양한 색을 가지고 있다. 피어날 때는 연두색이다가 파란색 또는 분홍색으로 변해버리기도 한다. 심지어 작년에는 파란색이었다가 이듬해엔 분홍색 꽃이 피기도 한다. 파란색이 예뻐서 사들인 뒤 애지중지 가꾼 수국이 다음 해엔 분홍색으로 피어나면 좋아하던 사람의 마음이 변해버린 것 같은 배신감을 느낄 수도 있다. 그래서 변심이라는 꽃말이 생겼을 것이다. 수국은 왜 이렇게 색이 달라지는 것일까.수국의 색은 꽃 안에 들어 있는 색소에 의해 결정된다. 델피니딘(delphinidin)이라는 이름의 이 색소는 흙에서 흡수된 알루미늄 이온과 결합하면 파란색, 그대로 있으면 분홍색이 된다. 흙 속 알루미늄 이온의 양은 무엇에 따라 달라질까. 바로 흙의 산성도, pH다. 흙이 산성이면 알루미늄 이온이 뿌리로 흡수돼 파란 꽃이 피고, 염기성이면 알루미늄 이온이 흙 속 수산화 이온(OH -)과 결합해 물에 녹지 않는 앙금이 돼버리기 때문에 흡수되지 못해 분홍색이 된다. 그러니 산성 토양에서는 파란색, 염기성 땅에서는 분홍색으로 핀다는 말은 절반만 맞는 셈이다. 식초를 부어 땅을 산성으로 만든다고 해도 알루미늄 이온이 없다면 파란색 꽃을 볼 수 없기 때문이다.이 원리를 이용하면 수국의 꽃 색깔을 바꿀 수 있다. 예를 들어 파란 꽃을 원한다면 땅을 산성으로 만들어주면서도 알루미늄 이온
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과학과 놀자우리 조상들의 냉장고, 석빙고에 담긴 과학
국립중앙과학관과 함께하는 과학 이야기 (5)음식을 신선하고 시원하게 보관할 수 있는 냉장고는 특히 여름철에 없어선 안 될 생활필수품이다. 우리 조상들에겐 냉장고는 없었지만 더운 여름에도 얼음을 보관할 수 있는 특수한 시설이 있었다. 바로 ‘석빙고(石氷庫)’다. 돌로 지은 얼음 창고라는 뜻이다.경주 석빙고(보물 제66호)는 1471년 만들어졌으며, 내부는 길이 14ｍ, 폭 6ｍ, 높이 5.4ｍ 크기다. 땅을 깊게 파고 들어간 반지하의 화강암 건축물로 외부 공기가 들어오는 것을 최소화하고, 내부를 서늘하게 유지할 수 있는 구조를 갖췄다. 석빙고 지붕은 2중 구조인데 바깥쪽은 단열(열의 이동을 막음) 효과가 높은 진흙으로, 안쪽은 열전달이 잘되는 화강암으로 만들었다. 지붕 바깥쪽에는 잔디를 심어 태양열이 석빙고 내부로 직접 들어오는 것을 차단했다.내부 천장에는 아래쪽 구멍은 넓고 위쪽 구멍은 좁은 직사각형 기둥 모양의 환기구가 세 개 있다. 더운 공기는 위로, 차가운 공기는 아래로 향하는 성질이 있는데, 석빙고 내부 온도가 올라갈 경우 위쪽 더운 공기는 천장 환기구로 나가고 아래쪽 찬 공기는 계속 머물도록 한 것이다.또 얼음 사이에는 열을 차단하는 효과가 있는 왕겨와 짚을 넣어 얼음이 녹지 않도록 했다. 얼음이 약간 녹았을 때는 융해열로 주변 열을 흡수해 왕겨와 짚의 안쪽 온도가 낮아지면서 얼음을 더 잘 보관할 수 있었다. 이렇게 해서 석빙고는 여름철에도 냉기를 유지했다.<삼국사기>에는 신라 지증왕 6년(505년)에 왕이 얼음을 보관하라는 명을 내렸다는 기록이 있다. 현재 남아 있는 석빙고는 경주 안동 창녕 청도 현풍 영산 해주(북한) 등 일곱 개로, 모두 조선 시대에