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과학과 놀자바이러스는 왜 변종이 발생해 치료제 개발을 어렵게할까?
2020년 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19)이 전 세계를 강타하고 있다. 온라인 개학, 비대면 회의 등 바이러스 전파를 막기 위한 전례 없는 조치들이 취해지고 있다. 코로나19 외에도 감기, 독감, 홍역, 볼거리, 에이즈(후천성면역결핍증) 등 인류를 괴롭혀온 수많은 질병을 바이러스가 일으킨다.무생물과 생물의 중간 단계인 바이러스그렇다면 바이러스란 무엇일까? 바이러스는 자신을 늘리는 목적밖에 없는 단순한 형태의 복제 기계다. 바이러스 입자는 전자현미경으로만 관찰 가능한 크기며, 단백질 등으로 구성된 껍질(캡시드)과 그 안에 있는 핵산(DNA 또는 RNA)으로 구성돼 있다. 캡시드는 핵산을 보호하고 바이러스가 침투할 숙주세포를 인식해 핵산을 세포에 주입한다. 핵산은 바이러스 증식과 관련된 여러 유전자 정보를 담고 있다. 숙주세포를 만나기 전까지 바이러스는 아무런 생명 활동을 하지 않아 무생물과 다름없다. 그래서 바이러스는 무생물과 생물의 중간 단계에 있는 것으로 간주된다.바이러스의 캡시드가 숙주세포와 접촉하면 바이러스는 핵산을 숙주세포 안으로 주입한다. 주입된 DNA는 바이러스 증식을 위한 프로그램을 가동한다. 단 자신이 바이러스를 구성하는 캡시드와 핵산을 생산하지 못하기 때문에 숙주세포의 생산공장을 이용한다. 숙주가 지닌 핵산복제효소를 이용해 자신의 핵산을 복제하고, 바이러스 유전자 정보에 담긴 단백질 성분을 만들기 위해 숙주의 단백질 생산기구를 이용한다. 단지 공장만 이용하는 것이 아니라 숙주가 갖고 있던 자원도 아낌없이 쓴다. 감염 후 어느 정도 시간이 흐르면 새롭게 만들어진 바이러스들로 숙주세포 내부가 가득해지고, 곧이어 바이러스
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과학과 놀자외계인이 지구를 찾아와 인류와 문명을 파괴할 수 있을까? 우리 은하에만 지구와 비슷한 외계행성 10여개
<코스모스>로 우리에게 빅뱅 우주를 소개한 칼 세이건 박사는 1977년 태양계 행성 탐사를 위해 우주로 떠난 보이저호에 실린 금으로 만든 레코드판을 제작했다. 이 레코드판에는 외계 문명에 지구를 소개하기 위한 118장의 사진, 한국어를 포함한 55가지 언어로 된 인사말 등이 실려 있다. 외계 문명이 보이저호를 발견할 경우를 대비해 지구의 위치도 레코드판에 새겨 놓았다. 이 레코드판은 외계 문명의 존재 가능성에 대한 우리의 물음을 대변하고 있다.그런데 레코드판에 표시된 지구의 위치 때문에 많은 반대에 부딪혔다고 한다. 외계 문명이 지구를 찾아와 인류와 문명을 파괴할 것을 염려한 탓이다. 많은 SF(공상과학) 영화에 등장하는 파괴적인 외계인은 이러한 염려를 대변한다. 하지만 칼 세이건의 믿음처럼, 우리가 만날 외계인은 그런 모습이 아니길 기대해 본다.창백한 푸른 점에 불과한 지구칼 세이건 박사의 주도로, 태양계 내부를 여행하는 보이저호는 카메라를 돌려 지구를 촬영하는 데 성공했다. 보이저호에서 찍은 사진 속 지구를 칼 세이건 박사는 ‘창백한 푸른 점’으로 소개했다. 우주에서 먼지같이 미미한 지구의 모습을 처음으로 확인한 순간이었다. 이후 허블망원경을 포함한 많은 관측으로 지구는 태양계의 작은 행성에 불과하고, 태양은 우리 은하 속 작은 별에 불과하며, 우리 은하도 은하단 속의 작은 한 은하에 불과함이 밝혀졌다. 은하단조차도 먼지로 보일 만큼 우주는 넓은 공간이며, 우주의 중심은 없는 것으로 밝혀졌다. 우리가 살고 있는 지구가 우주에서는 특별한 존재가 아닐 수 있다는 뜻이다. 어쩌면 우리 또한 빅뱅 우주에서 특별한 존재가 아닐 수도….그런
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과학과 놀자2000년대 들어 지진 등 전조현상 활발해지는데…지하에 마그마 방 여럿…백두산 폭발 예측 어려워
2019년 10월 우리나라에서 개봉된 영화 ‘백두산’은 국내 800만 관객을 돌파하는 흥행 실적을 올렸다. 이 영화가 이렇게 흥행한 것은 시나리오, 배우, 완성도 등 여러 가지 이유가 있겠지만 자연재해와 재난에 관한 우리의 관심이 증가한 것도 한몫했을 것이다. 영화 줄거리처럼 백두산 폭발은 우리에게 직접적으로 막대한 영향을 미칠 것이기 때문이다.백두산은 1903년 마지막 폭발을 한 높이 2750m의 성층화산이다. 성층화산(strato volcano)이라 함은 하와이와 제주도의 순상화산(shield volcano)을 형성한 현무암질 용암과는 달리 점성이 높은 유문암질 용암과 쇄설물이 교대로 쌓여 만들어진 화산이다. 정상부에는 분화 이후 함몰에 의해 만들어진 직경 5㎞의 칼데라 호수인 ‘천지’가 있다.900년대 중반 이후 16차례 폭발한 백두산백두산은 900년대 중반 대규모 폭발 이후 지금까지 총 16회 폭발한 것으로 추정되는데, 이 중 900년대 중반에 폭발한 대규모 폭발은 화산 폭발 지수(VEI: Volcanic Explosivity Index)로 따졌을 때 7 정도에 해당한다. 이는 서기(AD) 79년 이탈리아 남부 도시 폼페이를 화산재로 덮어 멸망시킨 베수비오 화산(VEI 5)의 100배, 2010년 폭발해 세계 항공기 대란을 일으킨 아이슬란드 화산(VEI 4)의 1000배 정도의 크기라고 한다. 이때 분출된 화산재는 일본 북부 퇴적층에서까지 발견된다고 한다. 분출한 화산재가 편서풍을 타고 일본까지 퍼져나간 것이다. 비슷한 시기에 발해 제국이 멸망한 것도 이때 폭발한 백두산 화산 때문일 것이라는 가설도 제기된다.백두산에 대한 우리의 주된 관심은 폭발 시기와 규모다. 첫째, 폭발 시기와 관련해서 영화에서는 2021년을 폭발 시기로 설정하고 있는데 과연 가능
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과학과 놀자나트륨 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
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과학과 놀자생명체가 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
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과학 기타태양은 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
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과학 기타지구에는 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
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과학 기타생태계
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