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PCR은 질병진단·과학수사·유전자연구 등에 쓰여

신종 코로나바이러스 감염증(코로나19)으로 인한 팬데믹 시대에 살고 있는 학생과 교사들은 매일 코로나19 진단 방법의 종류를 접하고 있다. 무엇인지 잘 생각나지 않는다면, 지금 바로 '건강상태 자가진단' 앱을 열어보자.1. 학생 본인이 코로나19 감염에 의심되는 아래의 임상증상이 있나요?2. 학생 본인은 오늘(어제저녁 포함) 신속항원검사(자가진단)를 실시했나요?3. 학생 본인이 PCR 등 검사를 받고 그 결과를 기다리고 있나요?위의 질문에서 코로나19의 진단 방법을 찾았는가? 그렇다! 2번 항목의 ‘신속항원검사’와 3번 항목의 ‘PCR 검사’가 코로나19의 진단 방법이다! 신속항원검사와 PCR이 무엇인지 살펴보자.신속항원검사는 채취한 검체에 바이러스 특이 항원이 있는지를 검출하는 방법이다. 신속항원검사 중 면역 크로마토그래피 분석법을 이용하는데, 이는 항원-항체 면역반응과 크로마토그래피 원리를 결합한 기술이다. 일회용 키트로 개발돼 집에서도 자가진단을 할 수 있다. 검체를 희석한 용액을 진단 키트에 떨어뜨리면 모세관 현상에 의해 반대편으로 흘러간다. 이때 검체에 있는 항원(코로나바이러스)은 라벨이 부착된 항체 그리고 Test(T)라인과 Control(C)라인에 있던 항체와 결합한다. T라인과 C라인에 모두 선이 보인다면 양성이다.PCR(Polymerase Chain Reaction, 중합효소 연쇄 반응)은 DNA의 특정 염기서열을 복제해 증폭시키는 기술이다. PCR의 사이클(cycle)은 세 단계로 이뤄진다.첫 번째는 DNA 변성 단계(Denaturation)로 94~96도로 가열해 이중 나선인 DNA를 단일가닥으로 분리한다.두 번째는 프라이머(DNA 합성 시 출발점 역할을 하는 짧은 단일 가닥 조각) 결합 단계(Annealing)로, 온도를 50~65도
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러시아의 화학자 드미트리 멘델레예프…원소를 원자량 순서로 배열해 주기율표 창안

과학은 크게 물리학, 화학, 생명과학, 지구과학으로 나뉜다. 만물의 작동 원리를 다루는 물리학, 물질의 변화를 다루는 화학, 생명체의 특성을 다루는 생명과학, 대기 해양 별 등 자연 현상을 다루는 지구과학. 이처럼 대상이 다르다 보니, 각 과목을 대표하는 이미지도 다르다. 물리학이 F=ma 같은 식으로 대표된다면, 생명과학은 DNA의 이중나선, 지구과학은 별이나 지질 사진으로 대표될 것이다.그렇다면 화학의 대표적 이미지는 뭘까. 아마도 주기율표일 것이다. 가로줄 18개와 세로줄 7개로 구성된 주기율표는 언제, 어떻게 만들어졌을까.주기율표를 처음 만든 과학자는 러시아에서 태어난 드미트리 멘델레예프(사진)로, 대학에서 학생을 가르치다가 60여 종의 원소를 하나하나 알려주는 데 회의를 느끼고 비슷한 성질을 지니는 원소끼리 분류하던 중 영감을 얻었다고 전해진다. 그는 원소를 원자량 순서로 배열했을 때 비슷한 성질을 지니는 원소들이 일정한 주기를 두고 나타나는 현상을 발견하고 주기율표를 창안했다. 당시 발견돼 있던 60여 종의 원소만으로 만들었던 그의 주기율표는 현대 주기율표와는 형태가 다르지만, 원소들의 집을 처음으로 지었다는 점에서 주기율의 아버지로 불리기에 충분하다. 이후 주기율표는 모즐리 등 후배 과학자들에 의해 업그레이드돼 오늘날 우리가 흔하게 보는 형태로 진화했다.멘델레예프는 주기율표를 만들면서 이후 추가로 발견될 원소를 예견하고 표에 빈자리를 남겨뒀다. 주기적인 성질을 고려했을 때 반드시 있어야 할 원소의 존재를 예언하고 그 원소의 물리적, 화학적 성질까지 적어뒀던 걸 보면 자신의 발견이 가진 의미를 정확하게 알았던 자신감이 느껴진다
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시간·길이의 표준단위, 더 정확한 기준 위해 변화

우리가 무언가를 비교하고 분석하려면 기준이 필요하다. 전 세계의 시간 기준을 통일하기 전에도 각 지역마다 시간에 대한 기준을 만들어 소통했다. 시간은 자연에서 규칙성을 찾아 그것을 기준으로 정했다. 해와 별들의 움직임 같은 것 말이다.매일 해가 뜨고 지는 지구의 자전 주기로 하루(날일, 日)를 만들고, 밤과 낮으로 나누었다. 그리고 태양을 중심으로 한 지구의 공전 주기를 기준으로 1년(해년, 年)을 나누고, 태양의 남중고도를 이용해 계절을 만들었다. 더 상세한 단위인 월(달월, 月)은 달의 모양이 바뀌어 다시 돌아오는 주기를 기준으로 만들었다.아이작 뉴턴(1643~1727·물리학자 수학자)은 정의된 시간과 길이를 기준으로 과거에서 미래까지 자연이 어떻게 움직여왔고 앞으로 어떻게 움직일 것인지를 수학적으로 서술했다. 이것이 바로 뉴턴의 운동 법칙(1687년)이며 이 법칙들은 물리학의 근간인 고전 역학의 바탕이 된다. 과학과 기술의 발달에 따라 철도가 개발돼 멀리 갈 수 있게 됐고, 철도역마다 다른 시간 기준 때문에 여행객들이 불편을 느껴 정확한 시간 체계와 기준을 통일할 필요성이 제기됐다. 샌퍼드 플레밍(1827~1915·엔지니어 발명가)은 이를 개선하기 위해 경도와 시간을 연관지어 표준시간대를 만들고 24시간 체계 도입을 주장했다. 이를 계기로 ‘국제 자오선 콘퍼런스’가 열리게 된다. 영국 그리니치천문대를 중심으로 시간의 기준인 ‘본초자오선’을 정했기에 다른 나라들, 특히 프랑스의 반대에 부딪히게 된다. 이때 미국 대표로 참가한 루이스 모리스 러더퍼드(1816~1892·변호사 천문학자)는 그리니치천문대의 건너편이 태평양 한복판이어서 날짜가 바뀌
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적란운 발달하면 뇌우·우박·호우·폭설·강풍 발생

2022년 한반도의 여름은 폭우로 일상생활에 큰 불편과 피해가 있었다. 폭우와 같이 우리의 일상을 위협하는 날씨를 악기상이라고 한다. 우리나라에서 발생하는 주요 악기상에는 뇌우, 우박, 국지성 호우, 폭설, 강풍 등이 있다. 강한 상승 기류에 의해 키가 큰 적란운이 발달하면 뇌우, 우박, 국지성 호우, 폭설, 강풍이 발생할 수 있다.천둥, 번개와 함께 소나기가 내리는 현상이 뇌우다. 뇌우는 강한 햇빛으로 지표면이 가열되거나 찬 공기가 더운 공기를 만나 빠르게 상승할 때, 태풍에 동반된 강한 상승이 있을 때 발생한다. 강한 상승 기류로 적란운 구름 내에서 전하가 분리돼 위쪽은 양전하(+), 아래쪽은 음전하(-)가 생긴다. 이렇게 분리된 양전하와 음전하가 쌓여 구름과 구름 사이, 구름과 지표면 사이에 방전이 일어나 ‘번쩍’ 번개가 발생하고 순식간에 고온이 돼 공기의 부피가 팽창하면 주변 공기와 부딪히면서 ‘우르릉 쾅’ 천둥이 친다.보통 구름 속에서 양전하와 음전하로 분리되는 과정은 다음과 같이 설명한다. 빗방울이나 우박같이 무거운 입자에서는 음전하(-)가 떠나지만, 수증기나 이온처럼 가벼운 입자에는 양전하(+)가 모여들어 전하가 분리된다. 음전하의 무거운 입자는 구름에서 떨어져 낮은 위치로 이동하고, 양전하의 가벼운 입자는 상승 기류를 따라 상층으로 모이게 된다. 구름 내에서 분리된 음전하와 양전하 사이에서 방전이 일어나는 현상을 구름 방전이라고 하고, 구름 아래쪽의 음전하와 지면으로 유도된 양전하 사이에서 방전이 일어나면 낙뢰라고 한다. 일반적으로 적란운에서 발생하는 방전의 90% 이상은 구름 방전이고 낙뢰는 10% 미만이다.눈 결정 주위에 차가운

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가을 오면 잎과 나뭇가지 사이에 떨켜층 만들어져…양분 차단되면 초록색 사라지고 잎 본래 색소 드러나

가을은 천고마비의 계절이기도 하며, 독서의 계절이기도 하지만 가을 하면 떠오르는 것은 '단풍'이 아닐까 한다. 김영란의 시에서처럼 장독대(장광)에 무심코 떨어진 붉게 물든 감잎을 보고 탄성을 자아내게도 한다.오매 단풍 들것네장광에 골불은 감닙 날러오아누이는 놀란 듯이 치어다보며오매 단풍 들것네추석이 내일모레 기둘니리바람이 차지어서 걱정이리누이의 마음아 나를 보아라오매 단풍 들것네- 김영란, 오매 단풍 들것네 -단풍을 가만히 보고 있노라면 단풍 색깔이 저마다 다름을 알 수 있다. 은행나무 아카시나무 호두나무 생강나무 자작나무는 노란색으로, 신나무 옻나무 담쟁이덩굴 화살나무는 붉은색으로 물든다. 단풍색이 나무마다 다른 이유는 무엇일까?가을이 되어 일조량이 줄어들고 날씨가 서늘해지면 나무는 본격적으로 겨울나기 준비를 한다. 낙엽수의 대표적인 월동 준비는 나뭇잎을 떨어뜨리는 것이다. 가을이 오면 낙엽수는 잎과 나뭇가지 사이에 떨켜층을 만든다. 떨켜층이 만들어지면 잎에서 만든 양분이 줄기나 뿌리로 전달되지 않고 반대로 뿌리에서 흡수한 물이 잎으로 전달되지 않는다. 이렇게 되면 여름내 잎을 푸르게 했던 초록색 엽록소는 분해되고 초록색에 가려져 있던 나뭇잎의 본래 색소 성분들이 점차 자신의 색깔을 드러낸다. 예를 들어 아카시나무처럼 단풍색이 노란색을 띠는 것은 엽록소가 파괴된 뒤 남아 있던 카로틴(Carotene)과 잔토필(Xanthophyll) 때문이고, 은행나무 상수리나무 느티나무 따위가 황금빛 노란색을 띠는 것은 카로틴과 잔토필 외에 타닌이란 색소가 더 있기 때문이다.붉은색 단풍은 노란색 단풍과 달리 안토시아닌(Anthocyanin)이라는 색소의
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영수증 글씨가 나타났다 사라지는 건 화학물질의 요술

무더위가 기승을 부리던 지난여름, 오래된 문서를 정리하던 중 문서 내용이 사라진 것을 발견했다. 놀라서 종이를 유심히 들여다봤더니 글씨의 색은 사라졌지만 글씨 자국은 남아 있었다. 어떻게 이런 일이 일어날 수 있었을까. 문서 작성에 사용한 볼펜은 ‘열 감지성 잉크’를 사용해 만든 지워지는 볼펜으로, 볼펜 끝에 달린 지우개로 잉크를 문지르면 잉크 색이 검은색에서 투명하게 변한다.열 감지성 잉크의 재료는 ‘류코(leuco·흰색의, 무색의) 염료’ ‘현색제(顯色劑·developer)’ ‘변색 온도 조정제’로 구성돼 있다. 낮은 온도에서는 류코 염료와 현색제가 결합해 검은색으로 나타난다. 일정 온도 이상이 되면 변색 온도 조정제가 활성화돼 현색제와 류코 염료가 분리되고 변색 온도 조정제와 결합한다. 이때 잉크는 류코 염료의 원래 색인 투명한 색으로 변한다. [그림 1] 참조사실 볼펜 끝에 달린 지우개로 글씨를 지운다기보다 지우개로 문질러 마찰열을 발생시켜 글씨의 색을 변화시킨다는 표현이 정확하다. 공교롭게도 지워지는 볼펜으로 문서를 작성했고, 문서를 보관해둔 곳의 온도가 높아지면서 잉크 색이 흐릿하게 변한 것이었다.지워지는 볼펜의 잉크에 쓰이는 ‘류코 염료’는 우리 생활에 다양하게 이용된다. 영수증 용지나 놀이공원 입장권, 공연 티켓, 팩스 용지 등에 사용되는 ‘감열지’에도 류코 염료를 이용한다. 감열지는 열을 가하면 검은색 잉크가 나타나는 종이다. 감열지 앞면에는 투명한 색의 류코 염료와 현색제, 증감제가 결합하지 않은 채 골고루 섞인 물질이 발라져 있다. 현색제는 류코 염료와 결합하면 색을 나타내게 하며, 증
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데이터 분석해보면 일어날 일 예측할 수 있어

아날로그 온도계 2개로 동시에 온도를 측정해보면 온도계 사이에 미세한 눈금 차이가 존재함을 알 수 있다. 온도계를 아무리 잘 만들어도 소수점 이하의 모든 자릿수까지 일치하는 값을 나타낼 순 없다. 디지털 온도계는 차이가 생기기 시작하는 자릿수 이하의 값을 아예 표시하지 않거나 0으로 표시한다.따라서 여러 개의 디지털 온도계가 모두 37.5℃를 가리키더라도 엄밀히 말해 다 같은 온도는 아니다. 따라서 측정 기계가 가진 한계를 넘어 보다 정밀한 값을 알고 싶다면 여러 번 측정해 얻은 값이나 여러 측정기가 동시에 측정한 값을 논리적으로 분석하는 과정이 필요하다. 사람의 눈으로 직접 관찰하는 경우에도 비슷한 문제가 있기는 매한가지다. 특정 종류의 새가 언제 알을 낳는지는 한 마리를 관찰했다고 자신있게 말할 수 있는 것이 아니다. 그렇다고 모든 새를 관찰하는 것도 현실적으로 불가능하다. 따라서 사람의 감각기관으로 직접 관찰하는 경우에도 여러 개의 관찰 결과로 전체 양상을 추정하는 과정이 필요하다.이미 측정한 몇 개의 데이터로 아직 측정하지 않은 경우의 데이터를 예측하는 데는 확률이 사용된다. 대기권 밖의 단면적 A인 측정장치가 우주 먼 곳에서 폭발한 항성에서 방출된 입자 n개를 검출했다고 하자. 지구 반지름을 R이라고 할 때 지구의 전체 단면적 πR²에 동일한 확률로 입자가 도착할 것이라는 가정하에 지구 전체에 입사된 입자의 개수 N을 계산할 수 있다. 비례식에 의하면 n:N=A: πR²이므로 N=n(πR²/A)이다. 이같이 관찰하지 않은 값을 추정하기 위해 일정 범위 내에서 확률이 일정하다고 가정하는 것을 확률의 균등분포라고 한다. 확률의 균등분포를 사용
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누리호 발사 순간 피어오른 흰 연기의 정체는?

신나는 과학을 만드는 사람들의 과학 이야기 (3)2022년 6월 21일은 우리나라 우주 개발사에 기념비적인 하루였다. 한국형 발사체 누리호 발사에 성공한 것이다. 이로써 한국은 세계에서 11번째로 발사체를 우주 궤도에 올린 나라이자 무게 1t 이상 실용 위성을 일곱 번째로 쏘아 올린 나라가 됐다. 작년 10월 첫 번째 발사 시도가 실패하고, 2차 발사도 날씨 때문에 한 번 연기되는 곡절 끝에 이룬 성과다.누리호 발사를 지켜본 사람이라면 한 가지 신기한 현상에 의문을 품었을 법하다. 발사 순간 누리호 몸체에서 흰색 가루가 후드득 떨어지고, 주변에는 구름 같은 흰 연기가 피어올랐다. 이 흰 가루와 연기는 무엇이었을까. 정답부터 말하자면 흰 가루는 얼음이고, 흰 연기는 수증기다.누리호의 엔진이 작동하려면 연료가 산소와 결합해야 한다. 그런데 누리호는 대기 중에 있는 산소로 연료를 태울 수 없는 구조다. 따라서 연료와 산소를 누리호에 함께 실어야 했다. 이때 산소의 부피를 줄이기 위해 영하 183℃의 액체 형태로 산소를 싣게 된다. 이로 인해 누리호 몸체의 외부까지 차가워져 주변 공기 중에 있던 수증기가 누리호에 달라붙으면서 성에가 낀

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