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과학과 놀자인류 위협 소아마비 퇴치 위해 백신 무료 공급
흔히 소아마비라고 불리는 '폴리오(Polio)'는 폴리오바이러스(Poliovirus)로 인해 발병한다. 이 바이러스에 감염되면 뇌 신경조직이 손상돼 수시간에서 수일 사이 하지마비가 급속도로 진행되며 고열과 흉통, 구토, 관절통 등의 고통을 겪다 사망에 이른다. 치유돼도 평생 하지마비로 인해 불구가 되거나 금속으로 된 인공호흡기를 달고 살아야 하는 무서운 병이다. 소아마비라는 병명도 5세 이하의 아동이 많이 걸려 붙은 이름이지만 성인도 걸리는 경우가 다수 있었다. 소아마비는 유행과 정체를 반복하다 1950년께 세계적 대유행(팬데믹)을 기록한다. 1952년에는 미국에서만 5만8000명이 폴리오바이러스에 감염돼 3145명이 사망했다. 그러다 1955년 미국의 의학자 조너스 소크 박사가 백신을 개발하면서 소아마비는 대부분의 나라에서 사라지게 된다. 미국 역사상 유일한 4선 대통령인 프랭클린 루스벨트도 소아마비 피해자 중 한 명이다. 대통령이 되기 12년 전인 39세 때 소아마비 합병증으로 하반신이 마비된 루스벨트는 재임 중인 1938년 소아마비극복국립재단(NFIP)을 발족시켰다. 이 재단은 10센트 은화 모금 운동으로 기금을 모아 소아마비 연구를 추진했는데, 그 연구비의 혜택을 집중적으로 받은 이가 피츠버그대의 젊은 의학자 조너스 소크였다. 소크는 1948년부터 소아마비(폴리오) 연구 프로젝트에 참여해 휴일도 없이 하루 16시간씩 연구에 몰입한 끝에 1952년 소아마비 백신 개발에 성공한다. 소크가 만든 백신은 사백신으로 원숭이의 신장 세포에서 세 종류의 폴리오바이러스를 배양한 다음 포름 알데하이드로 불활성화해 만든 것이다. 그는 먼저 소아마비에 걸렸다 회복된 아이들을 대상으로, 그다음으로는
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과학과 놀자금속 원소마다 연소 때 색깔이 달라요
불꽃놀이에 사용되는 폭죽에는 흑색 화약과 다양한 금속 원소가 혼합된 물질이 들어 있다. 동그란 공 모양의 덩어리 폭죽을 ‘연화(왼쪽 그림)’라고 하는데, 연화는 불꽃의 모양과 색을 결정하는 스타(성·星)와 화약을 감싸는 종이인 옥피, 스타를 연소시키고 발사하는 데 사용되는 화약인 활약, 도화선, 추진제 등으로 구성된다. 연화의 크기가 클수록 불꽃의 크기가 크다. 흑색 화약은 질산칼륨( KNO3 )과 숯( C ), 유황( S )을 섞어 만든다. 세 종류의 고체 물질을 섞고 열이나 충격을 가하면 반응물이 빠르게 반응해 황화칼륨과 질소 기체, 이산화탄소 기체가 생긴다. 이때 고체가 기체로 변하며 순식간에 부피가 엄청나게 증가하고 폭발이 일어난다. 동시에 질산칼륨은 탄소에 지속적으로 산소를 공급하는 산화제 역할을 한다. 폭발과 일반적인 연소를 구분하는 기준은 반응 속도다. 폭발은 반응 시 기체가 급격히 발생하고 연소 속도가 매우 빨라 기체의 압력으로 인한 충격파를 일으킨다. 불꽃 축제에 사용되는 화약이 폭발할 때 충격파의 속도는 음속과 비슷하거나 음속보다 작아서 폭탄이 터질 때처럼 큰 굉음이 발생하진 않는다. 그러나 극적인 연출을 위해 화약이 폭발할 때 다양한 효과음이 나도록 설계한다. 폭죽에 구멍을 내 연소 반응 시 생성된 기체가 빠른 속도로 빠져나가며 ‘휘리릭’ 같은 소리를 내거나, 알루미늄 조각을 넣어 연소할 때 ‘지지직’ 소리를 내도록 한다. 스타는 연화 속 작은 화약 덩어리로 그 안에는 불꽃 반응을 통해 고유의 색을 나타내는 금속 원소가 들어 있다. 원소의 구별 방법으로도 사용되는 불꽃 반응은 금속 시료를 불꽃에 넣었을 때, 금속 원소의 종류에 따라 다양
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과학과 놀자낙뢰는 구름과 땅 사이에서 발생하는 방전 현상
지난 6월 10일 강원 양양군에서 낙뢰 사고가 발생했다. 서핑을 즐기던 6명이 낙뢰를 맞아 1명이 사망하고 5명이 다쳤다. 이토록 위험한 낙뢰는 왜 발생하는 것일까? 낙뢰의 과학적 원리와 사고 예방법에 대해 알아보자. 낙뢰는 구름과 땅 사이에서 발생하는 방전 현상이다. 방전이란 전기가 방출돼 흐르는 현상이다. 일상생활에서 흔히 겪는 방전 현상으로 정전기가 있다. 정전기는 마찰 등을 통해 전기가 쌓인 것을 말한다. 쌓인 양이 많아져 전위차(전기적 위치 에너지 차이)가 일정 수준을 넘으면 근처에 있는 물체로 방전된다. 따끔함을 느낄 정도의 정전기는 3000V 이상의 전위차를 가진다. 하지만 이런 정전기는 전류(일정 시간 동안 흐르는 전하의 양)가 작아 위험하지 않다. 번개는 구름에 의해 발생한 대규모 정전기가 방전되는 현상이다. 구름은 하늘에 있는 수증기가 모여 작은 물방울이나 얼음 알갱이로 구성된다. 이 얼음 알갱이들이 서로 부딪히며 마찰 전기가 발생한다. 가벼운 알갱이는 주로 양전하를 띠며 구름 윗부분으로 올라가고, 무거운 알갱이는 음전하를 띠며 구름 아랫부분으로 내려간다. 구름이 성장하면서 전하가 쌓이다가 전위차가 커지면 순간적으로 전류가 흐르는 방전 현상, 즉 번개가 치게 된다. 공기에는 보통 전류가 흐르지 않는데, 전위차가 커서 순간적으로 전류가 흐르게 되는 것이다. 그래서 90% 이상의 번개는 구름 속에서 친다. 그런데 번개가 구름과 땅 사이에서 발생하기도 한다. 구름 안에서 전하의 분리가 일어나면 구름 아랫부분과 지면 사이에도 전위차가 커지면서 방전이 일어나기 때문이다. 이것이 바로 낙뢰다. 정전기의 대규모 버전인 번개가 치려면 전위차가 수백
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과학과 놀자초승달에도 전체윤곽 보이는건 지구 반사빛 때문
"변한 그를 욕하진 말아줘 네 얼굴도 조금씩 변하니까 … You're still my No. 1 보름이 지나면 작아지는 슬픈 빛 날 대신해서 그의 길을 배웅해줄래" 2002년, 가수 보아의 2집 타이틀로 발매된 곡 No. 1의 노랫말 중 일부다. 이 노랫말은 의인화한 달에 말하는 투로 지어졌는데, 인상적인 것은 말하는 대상인 달의 얼굴이 ‘조금씩 변한다’는 표현이다. 우리가 알고 있는 것처럼 밤하늘에서 밝게 빛나는 달의 모양은 매일 조금씩 달라진다. 지구에서 보이는 달의 모양을 ‘위상’이라 하는데, 달의 위상이 변하는 까닭은 달이 지구 주위를 공전하면서 태양과 지구, 달의 위치 관계가 달라지기 때문이다. 태양계 구성원 중 스스로 빛을 낼 수 있는 천체는 태양이 유일하다. 금성이나 화성 같은 행성이나 달과 같은 위성은 스스로 빛을 내지 못하지만, 표면에 태양빛이 반사돼 지구에 도달하기 때문에 어두운 밤에 볼 수 있다. 달은 지구 주위를 공전하고 있으므로 태양빛을 받아 밝게 빛나는 면을 우리에게 얼마나 보여주는가에 따라 초승달이 상현달, 보름달, 하현달, 그믐달의 순서로 바뀌는 것을 볼 수 있다. 그런데 태양빛을 반사하는 영역 중 일부만 볼 수 있는 초승달과 그믐달일 때 자세히 관찰해보면, 왼쪽 사진처럼 달의 어두운 부분이 희미하게 빛나는 것을 확인할 수 있다. 태양빛은 달이 태양을 향한 쪽에만 도달하므로, 태양빛이 닿지 못하는 반대쪽이 보이면 안 될 것 같은데 말이다. 이것은 달의 어두운 영역에 태양으로부터 나오는 빛 이외의 다른 빛이 반사되었기 때문이다. 이 어두운 영역을 희미하게 밝혀주는 빛은 지구로부터 출발한 것이다. 태양빛은 달뿐만 아니라 지구에서도 반사된다. 달에는 대기
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과학과 놀자해조류·해초류 심는 '바다식목일' 아시나요?
우리나라 사람들은 해조류를 즐겨 먹는다. 육수를 낼 때 빼놓지 않고 넣는 다시마, 생일이면 꼭 먹는 미역국, 어린이부터 어른까지 모두 좋아하는 구운 김, 호호 불면서 먹는 재미가 있는 매생잇국, 톳나물 무침, 파래 초무침, 꼬시래기 무침 등 다양한 요리에 활용돼 밥상에 자주 올라온다. 해조류는 광합성을 하는 생물로 광합성 색소에 따라 녹조류, 갈조류, 홍조류로 구분된다. 특히 파래 매생이는 녹조류, 미역 다시마 톳은 갈조류, 김 꼬시래기는 홍조류에 속한다. 광합성을 한다고 하면 흔히 육상 식물의 모습을 떠올리지만, 해조류는 뿌리, 줄기, 잎의 구분이 분명하지 않으며 꽃을 피우지도 않고 포자에 의해 번식한다. 즉 뿌리, 줄기, 잎이 명확하게 구분되고 꽃을 피우며 씨앗을 통해 번식하는 잘피 같은 해초류(sea grass)와는 분류학적으로 전혀 다른 생물이다. 이 해조류와 해초류가 숲처럼 무성하게 서식하는 공간을 ‘바다숲’이라 부른다. 바다숲의 중요성이 대두되는 가운데 우리나라에는 해조류와 해초류를 심는 날이 있다. 몇 월 며칠인지 알고 있는가? 바로 5월 10일 ‘바다식목일’이다! 우리나라는 2013년 세계 최초로 국가기념일로 지정했고, 지난 5월 10일에는 제11회 바다식목일 기념식이 제주에서 열렸다. 해양이 오염되고 해수 온도가 상승해 바다숲이 사막화되는 현실을 극복하고자 매년 바다숲을 만들고 있다. 바다숲은 해삼, 전복 등 해양 초식동물의 먹이원이며 서식지와 피난처가 되고, 오염물질을 제거할 수 있으며, 해양 생태계의 pH를 조절해 해양의 산성을 완화하는 등 생물 다양성 유지에 중요한 역할을 하고 있다. 게다가 광합성으로 이산화탄소를 흡수하니, 탄소중립(실질적인
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과학과 놀자터지지 않게 하려면 식초·소금 화학반응 활용을
기차 여행, 부활절, 냉면엔 어떤 공통점이 있을까? 답은 삶은 달걀이다. 우유와 더불어 완전식품으로 불려온 달걀은 우리 주변에서 쉽게 구해 먹을 수 있는 단백질 공급원으로 오랜 세월 사랑받아왔다. 계란을 삶을 때 소금 간을 적당히 하거나 노른자가 살짝 덜 익게 만들어서 굽는 등 다양한 방법으로 만든 삶은 계란이 ‘구운 계란’이란 항목으로 분류돼 팔리고 있다. 우리가 원하는 취향에 맞도록 달걀을 삶는 것은 단순해 보이지만 꽤 많은 과학을 필요로 하는 정밀 작업이다. 달걀을 잘 삶는 방법을 검색하면 수많은 자료가 나오는데, 과학적으로 각 방법을 설명하기 위해서는 달걀의 구조를 아는 것이 좋다. 달걀의 맨 바깥쪽은 탄산칼슘(CaCO3) 성분으로 이뤄져 있는 껍질로, 난각이라 부른다. 난각은 상대적으로 단단해 달걀 내부를 보호하는 역할을 하는데, 염기성 염의 일종이라 산성을 띠는 식초에 녹는다. 부엌에서 해볼 수 있는 간단한 화학 실험 중 하나인 ‘달걀 껍데기 녹이기’는 그릇에 식초와 달걀을 넣기만 하면 된다. 이때 식초와 닿은 달걀 껍데기에서 기포가 발생하는 것을 볼 수 있는데, 이는 껍질의 탄산칼슘과 식초 속 아세트산(CH3COOH)이 반응해 발생하는 이산화탄소(CO2) 기체다. 며칠이 지나 난각이 모두 녹으면 난각막만 남은 말랑말랑한 달걀을 얻을 수 있다. 난각막은 대표적인 반투막으로, 물을 통과시키기 때문에 난각막 달걀을 물에 담가두면 물이 안쪽으로 들어가 왕달걀을 만들 수 있다. 달걀을 잘 삶기 위해서는 달걀이 터져서는 안 된다. 달걀이 터지지 않게 삶는 방법을 검색하면 소금이나 식초를 넣으라는 내용이 나오는데, 두 물질 모두 달걀이 터져 내용물이 흘러나오는
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과학과 놀자지구에 산소 공급하지만 녹조현상 일으키기도
지구 초기 대기는 대부분 이산화탄소였다. 그러다 바닷속에서 광합성을 하는 원시 생명체가 등장했고, 에너지를 얻기 위해 광합성하고 남은 찌꺼기인 산소가 늘었다. 30억 년 전쯤 지구에 출현한 것으로 추정되는 남세균은 약 25억 년 전부터 지구를 뒤덮었고, 엄청난 양의 산소를 내뿜었다. 이 세균이 만든 산소는 바닷속에서 철과 만나 철이 대량 함유된 호상철광층을 형성했고, 엄청나게 많은 양의 산소가 소비되고도 남아 대기로 방출됐다. 그렇게 지구 대기에 산소가 많아졌고, 성층권에 오존층이 형성돼 육상으로 생명체가 올라올 수 있었다. 남조류(blue-green algae)로 알려졌던 남세균은 광합성으로 햇빛에서 에너지를 얻고, 유기 화합물과 산소를 생산하는 최초 유기체다. 주로 연녹색을 띠며 세포들이 모여 커다란 군체를 형성하기 때문에 맨눈으로 작은 알갱이들을 볼 수 있다. 세포가 죽어서 터지면 세포 속 청색 색소가 퍼져나와 남색을 띤다는 의미로 남조류라 부르게 됐다. 남세균은 지금도 지구에 살면서 왕성하게 산소를 만들고 있다. 바다와 강, 호수에서 단세포 미생물로 광합성하고, 육지에서는 식물 속 엽록체로 존재하며 광합성을 한다. 인공 광합성을 연구하는 과학자들은 인공 남세균을 만들어 온실기체인 이산화탄소를 제거하고, 사람들에게 유용한 물질을 생산하는 기술을 개발하고 있다. 미 항공우주국(NASA)에서는 남세균이 화성에 산소를 만들어낼 수 있는지를 연구한다. 남세균은 화성의 물처럼 먼지만 포함된 물이어도 성장할 수 있고, 화성처럼 압력이 낮은 대기에서 활용할 수 있는 기체들을 스스로의 탄소와 질소 공급원으로 사용할 수 있음을 확인했다. 현재 알려진 남세균은 150
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과학과 놀자SF영화처럼 현실과 가상세계 접목해서 볼 수 있어
투명한 자동차 유리에 가야 할 방향이나 속도를 보여주는 헤드업 디스플레이(HUD), 안경에 다른 나라 말이나 글을 번역해 보여주는 것 등이 AR 기술을 활용한 것이다. AR 기술이 적용되는 다양한 분야 중 활용도가 매우 기대되는 것으로 ‘AR 안경’이 있다. AR 안경은 눈에 착용하는 디스플레이 장치로, 주변 환경을 인식해 필요한 정보나 콘텐츠를 표시해 줄 수 있다. 시각적으로 현실과 가상을 접목한다는 점에서 AR 안경의 활용은 무궁무진하다. 특히 스마트폰을 대체할 차세대 개인용 모바일 장치로 기대돼 많은 정보기술(IT) 기업이 AR 안경을 개발하고 있다. 애플은 2024년 안경 형태의 AR 헤드셋 출시를 목표로 연구개발을 진행 중이다. 구글은 외국어를 번역해 자막처럼 띄워주는 스마트 글라스를 선보였다. 메타(옛 페이스북)는 메타버스와 연결된 가상현실과 증강현실을 통합한 장치를 개발하겠다고 발표한 바 있다. 최초의 AR 안경은 1960년대에 등장했다. 당시 컴퓨터 공학자인 이반 서덜랜드가 머리에 걸 수 있는 디스플레이를 만들었다. 이 장치는 헬멧에 가까운 형태였는데, 서덜랜드는 눈 가까이 있는 작은 디스플레이를 이용해 연구실 풍경 위로 간단한 가상 이미지를 띄우는 데 성공했다. 사용자의 움직임과 시선을 감지해 이미지를 조절할 수도 있었다. 그는 업적을 인정받아 AR의 아버지로 불린다. 1990년대 들어 AR 안경의 개발이 활발해졌으며, 보잉 연구원이었던 톰 코델이 비행기 조립 과정에서 사용할 수 있는 부품을 바라보면 가상의 설명을 겹쳐서 보여주는 안경을 개발하면서 ‘AR’이라는 용어를 만들었다. AR 안경은 어떤 원리로 제작하고 작동하는 것일까. AR 기기에서 광학 기술은 디스플레