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과학 기타

DNA

박테리아들은 오래전부터 생존 확률을 높이기 위해 어떤 전략을 선택했다. 그것은 외 부에서 다른 DNA(디옥시리보핵산)를 받아들여 유전적 성질을 변화시키는 형질전환 (transformation) 전략이었다. 이를 처음 발견한 사람은 영국의 과학자 프레드 그리피스다. 그는 1928년 폐렴쌍구균(Pneumococcus)을 이용한 실험으로 형질전환을 발견했다.형질전환은 왜 일어나지?폐렴쌍구균은 폐렴을 일으키는 유독한 균주인 S형과 폐렴을 초래하지 않는 무독한 균주인 R형이 있다. 그는 실험을 통해 열을 가해 죽은 S형 폐렴쌍구균을 생쥐에 주입하면 쥐가 폐렴에 감염되지 않으나, 살아 있는 R형과 열을 가해 죽인 S형 폐렴쌍구균을 섞어서 주입하면 쥐가 폐렴에 감염된다는 것을 발견했다. 그리피스는 살아 있는 폐렴쌍구균 R형이 S형으로 형질전환이 일어나 폐렴에 감염됐다는 결론을 얻었다.1944년 분자생물학과 면역학의 선구자인 오즈월드 에이버리는 DNA가 유전 정보의 매개체로 작용하는지를 실험했다. 동료들과 함께 진행한 실험에서 그는 형질전환을 일으키는 물질은 DNA이며 DNA가 유전 물질임을 발견했다. 앨프리드 허시와 그의 제자인 마사 체이스는 DNA와 단백질로 이뤄진 가장 단순한 생명체인 박테리오파지(bacteriophage)를 이용한 실험을 통해 DNA가 유전 물질임을 밝혀내기도 했다.DNA의 화학적 구조에 대한 고민도 해결됐다. 이런 노력은 동물, 식물, 미생물 할 것 없이 모든 생물체에 적용되는 ‘샤가프의 규칙’에서 출발했다. 에드윈 샤가프는 DNA의 염기를 정량적으로 분석해 아데닌(A)과 티민(T), 구아닌(G)과 사이토신(C)이 항상 1 대 1의 비율로 들어 있다는 사실을 발견했고, 이를 샤가프의 규칙이라고 명명했다.DNA

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신소재

우리는 아주 오래전부터 철(Fe)이나 구리(Cu)와 같은 금속을 농기구나 교통기관의 소재로 사용해 왔다. 플라스틱은 가볍고 유리는 투명해 이런 소재를 주변에서 널리 사용하고 있다. 산업과 첨단과 학 재료를 연구개발하는 분야를 공부하는 학과 중에 신소재공학과가 있다. 신소재공학과에서는 재료를 효과적으로 이용하기 위해 물질의 구조와 성질을 배우고, 이를 통해 일상생활이나 산업 분 야에 활용할 수 있는 성질을 지닌 물질을 찾거나 설계한다. 대학들은 오래전부터 신소재공학과를 개설해 4차 산업혁명에 대비하고 있다.대학에 있는 신소재공학과신소재에는 크게 전기적 성질 또는 자기적 성질을 이용한 것이 있다. 최근에는 그래핀, 탄소 나노튜브와 같이 원자의 결합 구조나 배열을 변화시킨 신소재가 많은 관심을 받고 있다.전기적 소재를 이용한 신소재는 거실에 설치된 TV다. 독일의 칼 브라운 박사가 브라운(음극선)관을 발명한 이래로 디스플레이는 발전을 거듭해 현재 OLED(유기발광다이오드)까지 진화했다. OLED를 이용한 디스플레이는 자체에서 빛을 내기 때문에 별도의 광원이 필요한 LCD보다 얇고 가볍게 만들 수 있다. 휘어지는 디스플레이를 개발할 수도 있다. 요즘 광고에 등장하는 QLED(양자점발광다이오드)는 퀀텀닷 입자 하나하나가 스스로 빛과 색을 내도록 해 큰 폭의 화질 개선 효과를 낼 수 있는 기술이다.물질이 지닌 성질을 살펴보자자기적 성질을 이용한 신소재로는 초전도체가 있다. 1911년 네덜란드의 물리학자인 헤이커 카메를링 오너스가 액체 헬륨을 통해 약 4K(-269도)에서 수은의 전기 저항이 0이 되는 현상을 발견했다. 이 현상을 초전도 현상이라 한다. 초전도체는 일정한 온

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규산염 광물과 탄소화합물

지난 시간에는 규산염 광물은 Si-O 사면체를 기본구조로 1줄로 길게 이어진 단일사슬 구조, 2줄로 이어진 2중 사슬 구조, 평면으로 넓게 이어진 판상구조 등 네 가지 구조에 대해 언급했다. 지구상의 생명체는 모두 탄소 화합물을 갖고 있기에 우주에서 탄소 화합물의 흔적 발견은 생명체의 존재 확 률이 높다는 의미로 해석할 수 있다. 재미있는 사실은 식물은 광합성 작용으로 물(H2O)과 이산화 탄소(CO2)를 사용하여 포도당(C6H12O6)과 같은 탄소 화합물을 스스로 만들어 낼 수 있다.음식으로 섭취하는 탄소화합물반면에 사람은 탄소 화합물을 스스로 생성하지 못하고 음식 등을 통해 섭취해야 한다. 그럼에도 탄소 화합물은 인체를 구성하는 물질들 중 중요한 한 가지다.탄화수소는 탄소와 수소로만 이루어진 화합물이고, 여기에 다른 원소를 포함하고 있다면 탄소 화합물이라 한다. 탄소 화합물들도 규산염 광물과 같이 일정한 규칙에 의해 결합한다.최외각 전자를 원소 기호 주위에 점으로 찍은 것을 루이스 전자점식이라 한다. 전자점식에서 비공유 전자쌍을 뺀 나머지를 사람의 팔로 생각하면 탄소원소(C)는 14족이라 4개의 팔을 갖고 있다. 비금속 원소와 비금속 원소 사이의 결합을 공유 결합이며, 공유결합은 사람과 사람이 악수하는 모습과 비슷한 결합이다.탄소 원자(C) 1개가 수소 원자(H)와 결합해 안전한 물질이 되기 위해서는 탄소 원자 1개가 4개의 수소 원자와 각각 악수하는 모양을 갖추어야 한다. 이런 모양을 정사면체(결합각 109.5도)라고 부른다. 규산염 광물은 Si-O 사면체를 기본구조로 하듯이 탄소화합물은 C-H 사면체를 기본으로 한다.단일결합·이중결합·삼중결합탄소 원자의 수에 따른

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지각의 90% 이상이 규산염 광물이죠

거대한 성운으로부터 지구가 만들어지고, 지구를 구성하는 지각 대기 해수 등은 현재까지 끊임없이 변화 해 왔다. 안드리자 모호로비치치(1857~1936)는 서울에서 약 8648㎞ 떨어진 크로아티아의 수도 자그레브 (Zagreb) 관측소에서 근무하면서 쿨파 계곡에서 발생한 지진을 기록 장치로 기록하였고, 측정된 자료를 비교해 일부 지진파는 다른 지진파에 비해 빨리 도달한다는 사실을 발견했다. 빠르게 도착한 일부 지진파 는 지구 내부 층을 통과할 때 속도가 빨라진다고 추론했다.지각의 존재를 알다상당한 시간이 지난 후 더 정밀한 기구에 의한 관측으로 불연속면이 확인됐고, 이를 지각과 맨틀 사이의 경계면으로 ‘모호로비치치의 불연속면(모호면)’이라 부른다. 이렇게 발견된 모호로비치치의 불연속면부터 지표면까지의 고체를 우리는 지각(earth crust)이라고 부른다. 피자(pizza)의 한 종류인 ‘치즈 크러스트’와 지각의 크러스트가 비슷한 의미를 갖고 있다. 크러스트(crust)는 ‘지각, 표면, 껍질, 딱딱한 표면’ 등의 뜻을 갖고 있는 단어다.지각은 토양과 암석으로 돼 있으며, 암석은 ‘한 가지 이상의 광물로 구성된 집합체’이다. 지각을 구성하는 암석에는 장석, 석영, 휘석, 각섬석, 흑운모, 감람석 등이 있다. 지각을 구성하는 8대 원소는 산소(O), 규소(Si), 알루미늄(Al), 철(Fe), 칼슘(Ca), 나트륨(Na), 칼륨(K), 마그네슘(Mg) 등이 있다. 규소(Si)와 산소(O) 그리고 약간의 금속 원소로 이뤄진 규산염 광물은 지각의 대부분을 차지하고 있다.광물은 2500여 종에 달해약 2500종이 존재하는 광물은 여러 가지 원소가 모여서 만들어졌으며, 암석을 이루는 기본 단위다. 지각의 90% 이상을 차지하고 있

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미세먼지·초미세먼지

목련꽃 그늘 아래서 / 베르테르의 편질 읽노라 / 구름꽃 피는 언덕에서 / 피리를 부노라/ 아 멀리 떠나와 / 이름 없는 항구에서 배를 타노라 / 돌아온 4월은 생명의 등불을 밝혀 든다 / 빛나는 꿈의 계절아 / 눈물어린 무지개 계절아 목련꽃 그늘 아래서 / 베르테르의 편지를 읽노라. (‘4월의 시’, 박목월)목련꽃이 피건만 하늘은···4월의 아름다움은 목련이다. 파랗게 맑은 하늘과 하얀 목련꽃의 어울림은 겨울이 물러가는 색깔이기도 하다. 학교 운동장의 목련꽃이 활짝 피기 시작했다.그러나 4월 하늘은 파랗기보다 황사와 미세먼지로 뿌옇다. 어쩌다 우리의 건강을 위협하는 시기가 되어버린 것인지. 지난달 26일 한때 서울의 세계대기질 지수(AQI)가 170을 기록했다. 이는 ‘대기가 매우 나쁜 도시’ 10위 안에 드는 수치였다. 이번 지면에선 우리의 건강을 위협하는, 요즘 언론에 자주 오르는 미세먼지와 초미세먼지에 대해 알아보자.미세먼지(PM10)가 위험한 이유는 입자가 미세해 코 점막을 통해 걸러지지 않고 흡입 시 폐포까지 직접 침투해 천식과 폐질환 유병률 및 조기 사망률을 높이기 때문이다. 2009년 국립환경과학원과 인하대학이 공동으로 발표한 사망률 관련 연구 결과를 살펴보면 서울에서 PM2.5 농도가 평상시보다 10㎍/㎥ 증가하면 일별 조기사망률이 0.18% 증가하며 65세 이상 노인(민감 집단)의 사망률은 1.1% 증가한다. 2013년 세계보건기구 산하 국제암연구소(IARC: International Agency for Research on Cancer)는 미세먼지를 1군 발암물질(Group 1)로 지정했다. 세계 각국에서는 10㎛ 이하의 먼지 기준을 정해 엄격하게 규제하고 있다. 한국에서도 1995년부터 이들의 농도를 미세먼지 기준으로

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이온·공유결합

이온결합은 정전기적 인력원자들의 결합에는 이온, 공유, 금속 등의 결합이 있으며, 이들을 구별하고 설명하기 위해서는 지난 시간에 언급한 금속 원소와 비금속 원소를 구별하는 것이 매우 중요하다. 금속 원소는 전자를 잃어버리는 성향인 금속성이 강하고, 주기율표의 왼쪽 영역에 위치한다. 일반적으로 전형 원소에서 수소를 제외한 1족, 2족과 13족까지를 금속 원소로 분류하고 있고, 나머지 족들은 비금속 원소로 분류한다.전자를 받아들이는 경향을 나타내는 비금속성이 큰 원소들을 비금속 원소라 하며, 주기율표의 오른쪽 영역에 위치한 14족부터 18쪽까지는 비금속이다.NaCl(염화나트륨)은 금속 원자(Na)가 전자를 잃으면 비금속 원자(Cl)가 전자를 받아 결합이 형성되는데 이처럼 금속 원자와 비금속 원자가 결합해 물질이 형성되는 결합을 이온 결합이라 한다. 이온 결합의 세기는 이온 사이의 거리에 반비례해 두 이온의 전하량 곱에 비례하는 쿨롱의 법칙을 따른다. 이온 결합 물질들은 녹는점, 끓는점이 높아 대부분 상온에서 고체로 존재하며 단단하지만 힘을 가하면 부서지는 성질들을 갖고 있다.금속 양이온들과 자유전자 사이의 정전기적 인력에 의해 금속 원자들도 결합을 형성하는데 이를 금속 결합이라 한다. 인류가 널리 사용하는 철(Fe), 구리(Cu) 등과 같은 물질은 금속결합에 의해 생성된다. 금속 결합에서 중요한 단어는 자유 전자다. 같은 주기인 나트륨(Na), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al)에서 녹는점, 끓는점의 세기는 Al＞Mg＞Na의 순이다. 이는 자유전자의 수가 많을수록 금속 결합이 강해지기 때문이다.리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K)은 같은 족이며 모두 같은 수의 자유 전자를 갖게 되지만 녹는

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주기율표

통일된 기호가 필요하다매년 3월은 학교에서 새로운 만남과 친구들과의 소통이 시작되는 시기다. 지금은 학급당 인원 수가 많이 줄었지만 예전에는 60명 이상 학생이 한 학급에서 생활했다. 담임 선생님은 입학식이나 시업식이 끝나면 교실에서 60여 명의 학생을 어떤 해는 키 크기로 혹은 이름 순서로 정렬해 학생들에게 번호를 부여하던 기억이 난다. 사람들은 무엇이든 개수가 많아지면 고유번호를 부여하는 과정에서 체계적인 관리 및 규칙성을 찾고자 하는 습성이 있는 것 같다.시간이 지남에 따라 발견되는 원소 수가 많아지면서 과학자들은 이들의 체계적인 관리 및 표현 방법이 필요했을 것으로 생각된다. 1860년대 초반 돌턴의 원자설에서 원자량 개념을 제시한 뒤 원자량을 중심으로 규칙적인 성질을 발견하려는 과학자들의 노력이 있었다. 원자량은 ‘탄소원자를 12.00으로 정하고 상대적으로 비교한 값’이다. 원자량 개념의 도입은 눈에 보이지 않는 작은 입자들에게 질량을 부여하는 의미있는 과정이었던 것이다.같은 족이며 연속되는 원소들 사이에 있는 “두 번째 원소의 물리량은 첫 번째와 세 번째 원소들의 평균값과 같다”는 독일의 과학자 되베라이너의 ‘세 쌍 원소설’, “원자량이 증가하는 순서로 배열하면 8번째마다 규칙적인 성질이 나타난다”는 뉼렌즈의 ‘옥타브설’ 등 여러 가설이 있었으나 현재는 여러 가지 이유로 인정하지 않는다. 또한 독일의 과학자 마이어는 개별적으로 주기율표를 완성하기도 했으나 이를 출판하지 못했다.멘델레예프는 원자량, 모즐리는 양성자의 수1869년 멘델레예프는 63개의 원소의 원자량을 기반으로 한 주기율표를

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빛의 굴절과 파장

“소나기 한줄기 지나가더니 / 먼 하늘에 무지개가 떴네. / 초등학교 때 열심히 외었던 / 빨 주 노 초 파 남 보… / 색동옷 꼬까옷만큼이나 고운 / 유년의 꿈 보여 주려고 / 서쪽 하늘에서 비춰 주네./ 세월이 훌쩍 흘러간 지금도 / 이상과 현실이 굴절되어 / 선명하게 활을 그리며 다가오네.” (‘문인회 작품집’ 김길순)프리즘은 빛을 굴절시킨다1447년 5월에 간행된 ‘용비어천가’를 비롯해 시와 노래에 자주 등장하는 일곱 빛깔의 무지개는 태양의 반대쪽에 비가 내리면 나타난다. 비가 내린 뒤 햇빛이 공기 속에 떠다니는 수많은 물방울들을 통과하면서 빛이 굴절되어 만들어지는 것이다.불꽃 반응 실험에서 노란색이 방출되면 이것은 나트륨(Na) 원소 때문이다. 비슷한 종류의 노란색 계열 불꽃색이 섞여 있어도 그 속에 어떤 원소가 들어 있는지를 ‘선 스펙트럼’ 분석을 통해 정확하게 구분할 수 있다. 각각의 원소들은 서로 다른 특유의 선 스펙트럼을 갖는다. 사람과 비유하면 선 스펙트럼은 손바닥 지문과 같은 역할을 한다. 그래서 우주와 물질을 구성하는 원소들을 명확하게 구별하기 위해서는 스펙트럼의 이해가 중요하다. 빅뱅이론을 이해할 때도 스펙트럼 분석이 중요하다.프리즘은 빛을 굴절시킨다. 굴절된 빛이 파장에 의해 배열된 것을 스펙트럼이라고 한다. 프리즘은 원인이고 스펙트럼은 결과라고 말할 수 있다. 스펙트럼을 올바로 분석하고 이해하기 위해서는 프리즘을 알아야 한다. 일반적으로 프리즘은 유리로 만든다. 모양은 삼각기둥 형태다. 빛이 프리즘을 통과하면 프리즘으로 들어갈 때와 프리즘에서 나올 때 두 번 굴절하게 된다. 프리즘을 통과한 후 빛은