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과학과 놀자
나트륨 불꽃이 주황색으로 보이면 잘못된 것일까? 스펙트럼 분석으로 빛의 세기 달라졌음을 찾아냈죠

과학자가 하는 일의 핵심은 자연을 탐구해 새로운 지식을 만드는 일이다. 학생들이 푸는 문제지의 문제는 답지에 정답과 풀이가 있지만, 새로운 지식과 기술을 만드는 일에는 참고할 정답과 풀이가 없다. 그렇기 때문에 새로운 지식의 옳고 그름은 정답을 참고해 판단할 수 없고 문제를 해결하는 과정이 타당한지를 실증적으로 검증해 판단하게 된다.과학자가 문제를 해결하는 과정에서 필요로 하는 역량을 분석하면 다음 네 가지로 나타난다. 해결할 문제를 비판적으로 분석하고(critical thinking), 문제 해결의 실마리를 찾기 위해서 창의적인 시도를 하고(creativity), 구체적인 해결책을 얻기 위해서 관련 전문가와 소통하고(communication), 협업하여(collaboration) 문제를 해결한다. 교육학자들은 이 네 가지 역량을 21세기를 살아갈 학생들이 반드시 갖춰야 할 핵심역량이라고 정의하고 있으며, 이러한 역량을 키우기 위해서는 실질적인 맥락의 문제(authentic problem)를 해결하는 탐구 활동의 경험이 필요하다고 강조한다.문제를 정의하고 가설을 세워보자다음 사례는 학교 실험 수업에서 도출된 문제를 해결하는 과정을 보여주고 있다. 이를 통해서 학생들이 과학적 사고력을 활용해 문제를 해결하는 과정을 볼 수 있다. 금속 원소의 불꽃색은 물질의 고유한 성질 중 하나로, 대표적인 물질인 나트륨(Na) 불꽃색을 관찰했는데 다음과 같은 두 가지 경우가 관찰됐다. 그림 1에서는 불꽃색이 예상대로 노란색으로 관찰되는데, 그림 2에서는 주황색으로 관찰된다.문제: 주황색으로 관찰된 불꽃색은 나트륨 원소의 불꽃색이 아닌가?많은 경우 학생들은 교과서에 제시된 ‘나트륨의 불꽃색은 노란색’이라는 내용을 근거로
과학과 놀자
생명체가 스스로 살아갈 수 있으려면 얼마나 많은 유전자가 필요할까?

생물학을 전공하지 않은 일반인이라고 해도 살아가면서 유전자라는 말을 많이 듣고 쓴다. 원래 유전자라는 용어는 말 그대로 유전되는 요소라는 의미로, 유전자는 부모로부터 자손으로 전달돼 자손이 부모를 닮게 만든다. 유명한 유전학자인 그레고어 멘델(Gregor Mendel·1822~1884)은 완두를 여러 가지 방식으로 교배시켜 유전자가 부모로부터 자손으로 어떻게 전달되는지 최초로 밝혀냈다.20세기 들어 많은 과학자가 유전자의 실체를 연구한 결과 유전자는 생명체의 특성에 관한 정보를 담고 있으며 DNA와 같은 핵산의 형태로 세포 안에 저장돼 있다는 것을 밝혀냈다. 즉 유전자는 생명체로 하여금 생존하며 자신과 닮은 자손을 남기는 생명체 고유의 특성을 갖게 해준다.사람의 32억쌍 뉴클레오타이드 가운데 유전자는 2만개게놈(Genome) 또는 유전체라는 용어를 들어본 사람도 많다. 유전체는 생명체의 특성을 나타내는 유전자의 염기서열과 유전자로 기능하지 않는 핵산 염기서열의 총합이다. 어떤 생명체의 특성을 알기 위해서는 당연히 유전자에 담긴 서열 정보를 알아야 하므로 여러 생물을 대상으로 유전체 서열이 연구돼 왔다. 사람의 유전체를 구성하는 핵산의 염기서열은 미국과 유럽, 일본을 포함하는 국제 컨소시엄의 13년에 걸친 노력 끝에 2003년 완전히 밝혀졌다. 사람의 유전체는 약 32억 개의 뉴클레오타이드(핵산의 구성 단위)로 구성돼 있으며, 추가적인 분석을 통해 약 2만 개의 유전자가 있다는 것이 알려졌다. 사람 외에도 많은 생물의 유전체 서열이 밝혀졌는데 초파리(약 1억4000만 뉴클레오타이드), 벼(약 4억2000만 뉴클레오타이드), 효모(약 1220만 뉴클레오타이드), 대장균(약 460만 뉴클레오타
과학 기타
태양은 핵융합으로 에너지를 만들어요…각국은 핵융합 기술개발 위해 경쟁 중이죠

원자는 핵과 전자로 이뤄졌다. 핵은 양성자와 중성자로 나눌 수 있다. 핵의 질량은 양성자와 중성자 입자를 모두 더한 질량 총합과 같아야 할까? 그렇지는 않다. 원자핵은 양성자와 중성자가 결합해 형성된 질량 사이에는 차이가 존재한다. 이를 질량 결손(Mass defect)이라고 한다.질량 변화가 에너지로예를 들면 양성자 2개와 중성자 2개로 이뤄진 헬륨(4He) 원자핵의 질량은 4.0015u이다. 그런데 양성자와 중성자 2개씩 꺼내서 더해 보면 질량은 4.0320u이다. 즉 양성자 2개와 중성자 2개가 결합해 헬륨(4He) 원자핵이 되면서 0.0305u만큼의 질량이 감소했다는 것을 알 수 있다.일반적으로 다른 원자들도 원자핵의 질량은 원자핵을 구성하는 양성자와 중성자들이 각각 따로 떨어져 있을 때의 총합보다 작다. 양성자와 중성자가 결합하면서 감소하는 질량만큼 에너지로 방출되기 때문에 원자핵의 질량이 작아지는 것이다. 1905년 아인슈타인(1879~1955)은 질량의 변화가 에너지 양으로 변환될 수 있다는 내용의 ‘질량-에너지 등가(Mass-Energy equivalence)’의 관계를 ‘E＝mc2’이라고 설명했다.태양과 플라스마플라스마 상태에서 수소 원자핵들이 융합해 헬륨 원자핵을 만들 듯이 가벼운 원자핵들이 융합해 무거운 원자핵으로 변하는 화학 반응을 핵융합 반응이라고 한다. 태양의 중심에서 수소(1H)의 원자핵들이 충돌해 헬륨(2He) 원자핵으로 바뀌는 핵융합 반응이 일어난다. 이때 발생하는 빛과 열에너지가 지구에 전달되고, 이 에너지를 받아 동식물이 살아간다. 지금처럼 앞으로도 태양은 핵융합 반응을 지속할 것이다. 지구에 사는 동식물은 앞으로 상당히 오랜 시간 동안 태양 에너지를 공급받을 수 있다는 것을 의미
과학 기타
지구에는 극동풍, 편서풍, 무역풍이 불죠…대기와 해수 순환도 바람에 달려 있지요

지난주 100m 높이의 모래 폭풍이 중국 간쑤성의 아파트를 덮치는 사진을 보 았습니다. 이것을 보면서 1999년 상영된 영화 ‘미이라’에서 이모텝의 주술로 거 대한 높이의 모래폭풍이 만들어지고 주인공들을 공격하는 영화의 한 장면이 떠올랐습니다.모래폭풍이 이는 이유간쑤성을 덮친 100m 높이의 모래 폭풍은 몽골에 있는 고비(Gobi) 사막의 모래 때문에 발생하였습니다. 특히 중국과 몽골 내륙에서 모래 먼지가 편서풍을 타고 우리나라로 유입되는데, 이를 황사(黃砂)라고 합니다.황사가 발생하는 가장 큰 원인은 사막 주변의 토지가 황폐해져 서서히 사막으로 변하는 사막(砂漠)화 때문입니다. 기후의 변화 등이 사막화의 주요 원인이며, 기후의 변화는 지구 온난화 등으로 인한 대기 대순환의 변화를 의미합니다.지구는 위도에 따라 복사에너지의 양이 다르며, 이로 인해 고위도와 저위도 사이에 에너지의 불균형이 나타나게 됩니다. 저위도에서는 지구 복사에너지보다 태양 복사에너지가 많기 때문에 저위도 지역에서는 에너지가 과잉 상태가 유지됩니다. 반면 고위도에서는 태양 복사에너지보다 지구 복사에너지가 더 많기 때문에 고위도 지역에서는 에너지가 부족한 상태가 됩니다.복사에너지도 달라요지구에 “세 개의 순환 세포로 이루어진 대기의 흐름”을 대기 대순환이라고 부릅니다. 위도 60도와 극지방 사이에서는 극동풍, 위도 60도와 30도 사이에는 편서풍, 위도 30도와 적도 사이에는 무역풍이 불고 있습니다.지표면 근처에서 부는 바람에 의해 표층 해수는 이동하게 됩니다. 고위도에 부는 극동풍과 위도 30도와 적도 사이에서 부는 무역풍은 표층 해수를 동쪽에서 서쪽으로 이동시

과학 기타
생태계

통합과학은 물질과 규칙성, 시스템과 상호 작용, 변화의 다양성, 환경과 에너지 등 4개 영역으로 구성되었으며 지난 시간까지는 '3단원 변화와 다양성'에 대하여 이야기하였습니다. 이제 마지막 영역인 '환경과 에너지'에 도달하였으며, 제목에서 언급되었듯이 4단원은 환경과 에너지를 중심으로 이야기를 전개할 것입니다.영화 마션 이야기‘환경과 에너지’ 영역에서 제시된 핵심 질문인 “인류는 환경과 에너지 문제를 어떻게 대처하고 있는가?”를 해결하기 위한 일반화된 지식은 첫째로 “생태계의 구성 요소는 서로 밀접한 관계를 맺고 있으며, 지구 환경 변화는 인간 생활에 다양한 영향을 미친다”와 둘째로 “환경 문제를 해결하기 위해서는 에너지의 효율적 활용이 필요하다” 등이 있습니다. 이번 시간에는 생태계의 구성 요소와 보전의 필요성에 대한 이야기를 할 것입니다.NASA 아레스3 탐사대는 화성을 탐사하던 중 모래 폭풍을 만나게 되면서 팀원인 ‘마크 와트니(맷 데이먼)’가 실종되고 나머지 탐사 대원들은 위기의 순간에 와트니가 사망했다고 판단하여 그를 남기고 지구로 되돌아가면서 영화가 시작됩니다. 그러나 생존한 와트니는 기지에 남은 식량 등을 이용하면서 살아남을 방법을 강구하며, 통신 수단을 동원하여 지구에 자신의 생존을 알리기 위해 노력하게 됩니다. 2015년 상영된 영화 ‘마션(The Martian)’의 줄거리입니다. 영화를 처음 보았을 때 창의적인 영화 소재에 신선한 충격을 받았던 기억이 납니다.식물학자인 와트니는 자신의 전공을 살려 화성 토양을 기지 안으로 옮긴 뒤 이리듐(77Ir) 촉매를 이용하여 로켓연료인 하이드라
과학 기타
생물다양성 보전의 중요성(하)

도도새 배설물과 도도나무이후 파나마병에 잘 견디는 ‘캐번디시(Cavendish)’ 바나나를 재배하게 되었다. 그러나 ‘변종 파나마병’이 유행하게 되면서 ‘캐번디시’는 ‘그로 미셀’과 같은 운명을 맞이하게 될 운명이다. 이는 생물의 다양성이 감소되었을 경우 벌어질 일들을 미리 알려주고 있다.아프리카의 동쪽에 있는 모리셔스(Mauritius) 섬(島)은 1505년 최초로 포르투갈 선원에 의해 발견되었다. 발견될 당시 사람이 살지 않은 무인도였다. 도도(Dod)는 포르투갈어로 ‘바보’라는 뜻도 있는 것으로 보아 이 섬에 살던 도도새(Dodo bird)는 영리하지는 않은 새처럼 느껴진다. 모리셔스 섬이 알려진 이후 배들이 지나다니는 중간 경유지로 활용되면서 도도새는 다음 항해를 준비하는 선원들에게 식량으로 무분별하게 포획되었다.선원들의 무분별한 포획과 섬에 사람, 원숭이, 쥐 등이 계속 유입되면서 섬의 환경 변화가 나타났으며 이로 인해 도도새의 개체 수는 계속 줄게 되었고, 결국 1681년 도도새는 멸절(Extinction)하게 된다. 도도새의 멸절은 인간에 의해 생물 종이 사라진 대표적인 사례로 알려져 있다.또한 도도새의 멸절과 비슷한 시기에 ‘도도나무’도 번식을 멈추면서 지금은 사라질 위기에 있다. 이유는 도도새 배설물에 의해 도도나무 씨앗의 발아가 가능하기 때문에, 도도새 멸절로 도도나무 씨앗이 발아될 환경이 사라졌기 때문이다. 이는 생물 간의 상호작용에 의해 도도새의 멸절이 도도나무의 번식에 영향을 주는 과정을 설명하고 있다. 다시 말하면 생물의 다양성이 감소하면 생물 간 상호작용에 의해 결국은 그 영향이 인간에게도 올 수 있다는 것을 말하고
과학 기타
생물다양성 보전의 중요성(상)

‘그로 미셀’ 바나나바나나가 미국과 유럽 등지에 소개된 이후 공급업자들은 대량 생산과 공급을 위해 400여 종의 바나나 중에서 단일 품종으로 ‘그로미셀(Gros Michel)’ 바나나만 재배해 공급했다. 그러다 치명적인 바나나 전염병인 ‘파나마병’이 1903년 발견됐다. 지금도 치료법이 없을 정도로 무서운 파나마병이 점점 확산되면서 그로미셀 바나나는 멸종 위기에 처했고 이로 인해 바나나 재배가 중단됐다.그로미셀 바나나의 재배 중단 이후 파나마병에 잘 견디는 ‘캐번디시(Cavendish)’ 바나나를 재배해 전 세계로 공급했다. 지금 우리가 먹는 바나나는 모두 캐번디시 품종이다. 그러나 ‘변종 파나마병’이 유행하면서 캐번디시는 그로미셀과 같은 운명을 맞이해 곧 사라질 위기에 처해 있다.파나마병 확산으로 인한 그로미셀 바나나의 재배 중단은 우리에게 “다양한 품종이 아닌, 단일 종의 대량 생산 체제는 유전적 다양성이 없어 환경 변화에 적응이 어렵기 때문에 멸종 가능성이 크다”는 중요한 교훈을 주고 있다.교배할 수 있는 생물‘생물 종(Species) 다양성’ ‘생태계(Ecosystem) 다양성’ ‘유전자(Gene) 다양성’을 모두 포함하며, 일정한 지역에서 생태계에 존재하는 생물의 다양한 정도를 나타내는 것을 ‘생물의 다양성’이라 한다. 생물다양성협약(1992년)에서 ‘생물 다양성이란 육상, 해상, 그 밖의 수생 생태계 및 생태학적 복합체(ecological complexes)를 포함하는 모든 자원으로부터의 생물 간 변이성을 말하며 종 간 또는 종과 그 생태계 사이의 다양성을 포함한다’고 정의하고 있다.종(Species)이란 ‘자연적으로 교배하여 생
과학 기타
세균과 항생제

고혈압, 당뇨병 등의 질병은 생활 방식이나 유전 등이 원인이 되어 나타나지만 다른 사람에게 전염되지 않는 비감염성 질병이다. 반면 감염성 질병은 외부에서 침입한 병원체(Pathogen)에 의해 나타나고 다른 사람에게 전염될 수 있다. 감기, 결핵 등이 감염성 질병이다. 감염과 비감염성 질병을 구별하는 포커스(focus)는 병원체의 유무로 볼 수도 있는 것이다. 병원체는 “병의 원인이 되는 본체”로 바이러스, 세균, 원생동물, 곰팡이, 프라이온 등이 있다.페니실린은 최초 항생제바이러스는 숙주(Host)에 의존해 살아가는 병원체이며, 핵산과 단백질로 구성되어 있다. 바이러스의 크기는 세균보다 작다. 바이러스가 숙주 세포 안에서 증식하여 세포가 정상적인 기능을 하지 못하게 하며, 세포 밖으로 나올 때 숙주 세포를 파괴하여 질병을 유발한다. 바이러스에 의한 질병으로 감기, 독감, 천연두, AIDS 등이 있다. 바이러스 감염에 의한 질병은 치료가 어렵고 치료 효과도 낮다. 이 때문에 바이러스에 의한 질병은 예방이 가장 중요하다.세균은 단세포 원핵생물로 세균에 의한 질병은 파상풍, 식중독, 결핵 등이 있다. 원핵생물은 세포벽을 이루는 주성분인 ‘펩티도글리칸(Peptidoglycan)’을 갖고 있다. 또한 효소가 있어 스스로 물질 대사를 하며 하나의 독립된 세포로 숙주 없이 살아갈 수 있다.주로 결핵, 식중독 등 세균 감염이 생긴 경우 의사의 처방을 받아 약을 섭취하게 되는데 이를 ‘항생제(Antibiotics)’라 한다. 우리가 자주 먹는 마늘, 생강 등은 천연 항생제이다.항생제 내성은 국제 문제1928년 영국의 과학자 플레밍(Alexander Fleming)에 의해 발견된 ‘페니실린(Penicillin)’은 최초의 항생제

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