#과학 이야기 | 생글생글

과학과 놀자
영화 '마션'처럼 우주기지에서 감자를 기를 수 있을까

우리는 우주시대에 살고 있다고 해도 과언이 아니다. 인공위성이 보내주는 GPS(위치추적기)를 통해 자동차 네비게이션에서 목적지를 쉽게 찾아갈 수 있다. 인공위성을 넘어 가까운 시일에 일반인도 우주여행을 할 수 있을 것으로 기대된다. 짧은 기간의 우주여행을 위해 필요한 식량은 우주식품으로 가능하지만 수개월 이상 장기간 우주비행사가 우주기지에 체류할 때는 현지에서 식량을 조달해야 한다. 필요한 많은 양의 식량을 우주선에 싣고 가기는 어려움이 많기 때문에 우주에서 식물을 재배해서 식량을 조달해야 하는데, 과연 우주기지에서 식물을 재배할수 있을까.식물이 자라기 위해서는 빛, 이산화탄소, 물을 이용해서 광합성을 해야 한다. 광합성을 위해서 적정한 온도도 중요하다. 달, 화성 등 위성과 행성은 일교차가 심하고 온도가 영상 50도 이상이나 영하 100도 이하로 내려갈 수 있다. 아직까지 우주 행성에 물이 존재한다는 확실한 증거는 없다. 여러 가지 우주환경을 고려할 때 행성에서 직접 식물을 재배하는 것은 불가능하다고 생각한다. 영화 ‘마션(The Martian)’처럼 우주기지 내에서는 식물을 재배할 수 있겠지만 물이 가장 문제가 될 것이다. 선진 우주연구소에서는 우주기지에 어떤 식물이 가장 적합한지 연구하고 있다. 여기서는 우주기지에서 식물 재배와 관련한 우주과학 공상 영화 ‘마션’과 인공 생태계 ‘바이오스피어2(Biospehere2)’에 대해서 알아본다. 영화 ‘마션’ 감독이 고구마를 알았더라면영화 ‘마션’은 화성 탐사에 참여한 우주비행사가 홀로 우주기지에 낙오했다가 생존하는 내용이다. 주인공은 구조대가 도착할 때까지 식량을 확보
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'나비효과' 활용한 코로나19 확산 시뮬레이션 모델…사회적 거리두기 등 방역정책의 효과 과학적으로 증명

신종 코로나바이러스 감염증(코로나19)이 세계를 강타했다. 감염자 수는 한 해가 지난 지금도 줄어들지 않고 여전하다. 감염성 질병은 어떻게 전파되는가? 질병이 감염되고 확산되어 가는 것은 사람들 사이에 소문이 전파되는 것이나 뉴런 사이에서 정보가 퍼져나가는 것과 본질적으로 같은 현상이다. 이들 현상을 하나의 모형으로 만드는 데는 2020년 현재 (1)미분방정식 방법을 사용하거나 (2)복잡계에 기반해서 대용량 슈퍼컴퓨터를 이용하는 방법이 있다. 둘 다 응용수학의 한 갈래인데, 시뮬레이션(시늉내기, 전산모사)을 진행할 때 어디에 초점을 두는가 하는 점이 다르다. 미분방정식을 활용한 질병전파 모델미분방정식 방법을 이용하는 경우는 사회 구성원을 하나의 큰 떼(무리, 덩어리)로 본다. 주로 ‘S-(E)-I-R 모형’을 활용하는데, SEIR는 (정상인)감염 대상군(Suspectible), 질병 노출(Exposed), 감염(Infectious), 회복(Removed)의 영어 단어 앞 글자를 따온 말이다. 미분방정식을 쓴다는 것은 욕조에 물을 채우는 상황에 비유될 수 있다. 감염인구 무리를 하나의 욕조라고 한다면, 여기에 물을 채우는 수도꼭지는 감염률이 된다. 이들 수도꼭지를 열고 닫는 것은 질병의 특징으로서 전염 강도 및 감염인구와 비감염인구의 접촉 수에 의해 결정된다. 그리고 물을 빼는 배수꼭지는 회복률로 비유된다. 이 S-I-R 모형은 1927년 영국 생화학자 W O 커맥과 병리학자 A G 매켄드릭이 질병 유행의 초기 조건과 확산 정도를 예측하기 위해 사용하면서 처음 제안됐다.S-E-I-R 모형은 S와 I 사이에 접촉군 단계 (E)를 추가한 모형이다. 즉 잠복기가 고려되어 있다. 인구 떼(무리)의 상태를 늘림으로써 다양한 모형을 만들거나
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치킨 '양념 개발'이 화학이면 '조리실 건설·운영'이 화학공학

영화나 드라마에서 두 사람의 조화가 잘 이루어질 때 '케미가 맞는다'라는 표현을 자주 사용한다. 케미라는 말은 '화학적 성질', '화학반응'이라는 뜻을 가진 chemistry에서 유래되었다. 어떤 사람 혹은 어느 분야와 케미가 잘 맞는지 알기 위해서는 관심을 두고 대상을 자세히 살펴볼 필요가 있다. 비슷할 것 같지만 전혀 다른 화학과와 화학공학과 중에 어느 분야와 케미가 잘 맞을지 살펴보자. 어떤 과목을 배울까화학과에서는 물질의 작은 단위에서 일어나는 화학 변화 및 새로운 물질을 합성하는 데 필요한 기초학문을 배운다. 반면 화학공학과는 화학뿐만 아니라 수학, 물리, 생명과학 등 다양한 학문을 배우고 응용하는 것에 초점을 맞춘다.화학과에서는 유기화학, 무기화학, 생화학, 고분자화학, 물리화학, 분석화학, 계산화학 등 다양한 화학과목을 배운다. 유기물, 무기물, 고분자와 같이 다양한 물질이 존재하다 보니 그 물질을 다루는 화학과목도 다양하다. 화학공학과에서도 화학 혹은 화학적인 현상에 대해 많이 배울 것 같지만, 실제로 화학적 내용은 극히 일부분이다. 화학공학과에서는 열역학, 유체역학, 반응공학, 열전달, 물질전달과 같은 학문을 배우며, 화학적인 현상보다 물리적인 현상을 더 많이 다루게 된다. 고등학교 때 화학을 좋아해서 화학공학과에 입학한 학생 중 일부는 화학보다 물리와 수학을 더 많이 접하게 되어 일명 ‘멘탈붕괴’에 빠지기도 한다. 오해와 진실화학공학이라는 단어는 화학(chemical)과 공학(engineering)이라는 단어가 합쳐져 만들어졌다. 종속합성어인 ‘황소개구리’에서 황소보다 개구리가 주요한 의미를 담고 있듯이 화학공학
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멸종위기종 복원이나 식물 대량생산에 유용한 식물조직배양기술

우리는 식물의 고마움 덕분으로 살고 있다고 해도 지나치지 않다. 식물은 온실가스의 주범인 이산화탄소를 흡수해 탄소동화작용(광합성)으로 산소, 식량, 의약품 그리고 종이, 의류 등 각종 산업소재를 생산한다. 그래서 식물을 최고의 공장(plant)이라고 한다. 산업혁명 이후 과다한 화석에너지 사용으로 식물을 비롯한 생물종이 위협받고 있어, 유엔(UN)은 1993년 '생물다양성협약'을 체결해 생물종 보존을 위해 노력하고 있다.그럼에도 불구하고 많은 생물종은 계속 감소하거나 멸종하고 있다. 식물조직배양기술은 기후위기 시대 멸종위기식물을 복원하거나 농작물을 대량 번식할 뿐 아니라 식물이 생산하는 유용 소재를 배양기에서 안정적으로 생산할 수 있어 주목받고 있다.식물조직세포는 적정 배양 환경에서 완전한 모(원래)식물체로 재생될 수 있는 잠재력인 ‘분화전능성 또는 전체형성능력(totipotency)’을 가지고 있다. 식물의 분화전능을 활용한 식물세포·조직배양기술로 생산되는 제품은 우리 생활 속에서 쉽게 접할 수 있다. 조직(세포)배양에 의한 유용식물의 대량 번식과 유용물질의 대량 생산 사례와 조직배양기술의 전망을 소개한다. 조직배양으로 식물체 대량 복제우리는 무균 조건의 적절한 배양 환경에서 유용한 식물체를 짧은 시간에 대량으로 생산할 수 있다. 식물체를 생산하는 방법에는 식물의 생장점에서 ‘체세포배(somatic embryo)’를 유도해 재분화하는 ‘체세포배발생(embryogenesis)’과 식물 줄기, 잎, 뿌리 등 절편을 이용하는 ‘기관형성(organogenesis)’이 있다.아름다운 심비디움(양난의 일종), 백합, 거베라 등 많은 화훼류가 조직배양기술로 양산

엔트로피가 증가하는 방향으로 시간이 흐르지만…웜홀 등으로 시간을 거슬러 갈 가능성은 열려 있어

미래로만 흘러가는 시간의 화살은 우주를 이해하는데 가장 기본적이면서도 아직까지 해결되지 않은 문제이다. 사진작가 김아타의 작품 <마오의 초상>은 얼음 조각상이 녹는 과정을 통하여 '존재하는 모든 것은 사라진다'는 자연의 엔트로피 법칙을 보여주고 있다. 이 작품은 미래로 흘러가는 시간의 화살 속에서 현재를 살고 있는 우리 존재의 의미를 다시 한 번 생각하게 한다. 빅뱅 우주 속에 살고 있는 우리에게 시간은 어떤 의미인가. 현대물리학에서 시간은 무엇일까. 분자의 무질서도가 엔트로피엔트로피는 ‘열은 뜨거운 물체에서 차가운 물체로만 이동한다’는 자연의 법칙을 설명하기 위해 도입된 양이다. 고립된 상황에서 열이 한 방향으로만 이동하는 것을 ‘엔트로피는 절대 감소하지 않는다’는 법칙으로 정량화한 것이다. 즉, 엔트로피가 증가하는 방향이 시간의 화살표가 된다. 김아타의 작품 <마오의 초상>에서도 따뜻한 대기에서 차가운 조각상으로 열이 이동하여 얼음이 녹는 과정이 시간의 화살표를 결정한다.물질이 원자로 구성됐다는 것을 몰랐을 때 과학자들은 ‘열에테르’를 도입하여 열을 설명하였다. 그런데 볼츠만(1844~1906)은 열의 원인이 원자의 요동일 수 있다는 제안을 했다. 볼츠만에 의해, 열에테르의 존재는 필요 없고, 엔트로피는 원자들의 무질서도를 나타내는 물리량임이 밝혀진 것이다. 하지만 볼츠만은 원자의 존재를 믿지 않았던 많은 과학자의 공격에 괴로워하다가 1906년 자살로 생을 마감하였다. 원자의 존재는 1905년 아인슈타인의 브라운 운동 논문으로 증명되었고, 이후 볼츠만 이론은 현대물리학의 기초가 된다.<마오의 초
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해수의 3.5%는 염분…무게로 환산하면 5조t

약 42억 년 전에 지구에 형성된 것으로 추정되는 바다는 육지와 해저에서 이온들이 지속적으로 공급되어 현재와 같은 염분을 지닌 바닷물을 가지게 되었다. 바닷물은 평균 3.5%의 염분을 가지고 있는데, 이것을 무게로 환산하면 약 5000조㎏(5조t)으로 바닷물이 모두 말라 붙어버린다면 지구는 약 45m 두께의 소금으로 덮이게 될 정도의 엄청난 양이다.해수의 염분은 고대 그리스의 철학자 엠페도클레스(Empedocles, 490-430BC)와 아리스토텔레스(Aristotle, 384-322BC)를 거쳐 로마의 세네카(Lucius Seneca, 3BC-65AD)에 이르기까지 끊임없는 호기심의 대상이었다. 염분비 일정의 법칙 확립해수의 염분에 대한 최초의 과학적 연구는 1674년 영국의 저명한 화학자 보일(Boyle, 1627~1691)에 의해 수행되었는데, 그는 자신의 수행 결과를 《바다의 염분에 대한 관찰과 실험》이라는 책으로 출판하였다. 보일은 영국 해협 표층 해수의 염분 변화에 대한 상당한 데이터를 측정하고 이를 축적하였다. 또한 직접 증발을 통해 남은 고체 성분으로 염분을 추정했지만 결과에 만족하지 못하고, 밀도를 염분의 지표로 사용하기도 하였다. 이후 한 세기 동안 염분에 대한 체계적인 연구가 이루어지지 못하다가 18세기 후반에 들어와서야 라부와지에(Lavoisier, 1743~1794)와 게이-뤼삭(Gay-Lussac, 1778~1850) 등에 의해 다시 증발과 적정법 등의 방법으로 염분 측정이 활발하게 수행되기 시작하였다.염분(salinity)이라는 개념은 1865년 덴마크의 화학자 포츠해머(Forchhammer, 1794~1865)에 의해 최초로 도입되었다. 포츠해머는 해수에 녹아 있는 모든 원소를 정량적으로 측정하려고 시도하지 않고 염소, 황산, 마그네시아, 석회, 칼륨 및 소다와 같은 주요 염류를 정밀하게
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레이저 프린터, 레이저 수술, 레이저 무기 등 널리 쓰이는 레이저…빛을 증폭시켜 얻은 직진성과 높은 에너지를 활용

'레이저'라는 용어를 이제는 일상생활 속에서 자주 접하게 된다. 레이저 포인터, 레이저 프린터, 레이저 마우스 등 간단 생활 도구에서 시작해 계산대에서 사용하는 바코드 스캐너, 안과·피부과 등 의료용으로 사용하는 레이저 치료 도구, 대형 공연장에서 사용하는 현란한 레이저 쇼, 사무실에서 종이류를 절단하는 레이저 커터, 철을 정교하게 자르는 공업용 레이저 절단기, 날아다니는 드론도 떨어뜨리는 레지날아다니는 드론도 떨어뜨리는 레이저 무기 등 우리 주변에서 너무나 많은 곳에서 레이저를 사용하고 있다.레이저가 무엇이기에, 어떤 특성을 가지고 있기에 이렇게 다양하게 활용되고 있을까. 레이저 원리는 빛의 유도 방출레이저 원리를 이해하기 위해선 먼저 모든 물질은 특정한 에너지 준위를 갖고 있다는 것을 알아야 한다. 물질은 어느 에너지 상태에서 다른 에너지 상태로 이동이 가능한데, 두 상태의 에너지 차이만큼 에너지를 외부로부터 흡수하거나 외부로 방출하게 된다. 외부로부터 에너지를 흡수하거나 방출하는 방법 중 하나가 빛이다. 빛은 파동이면서 입자로서 광자(빛 입자라는 뜻)라고 불리는데, 광자 하나는 빛의 진동수에 비례하는 에너지를 갖는다(E=hf). 외부에서 쪼여지는 빛의 에너지가 물질의 에너지 상태 차이와 같으면, 물질은 바닥 상태에서 들뜬 상태로 이동이 일어나며 빛을 흡수하게 된다(그림 1(가)). 반대로 들뜬 상태에 있는 물질은 저절로 바닥 상태로 이동하는 경향이 있는데, 이때 두 상태의 에너지 차이만큼의 빛을 방출하게 된다(그림 1(나)).아주 특별한 경우로 물질이 들뜬 상태에 있을 때 외부의 빛이 물질에 쪼여지면, 물질은 바닥 상태로 이동
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콩팥 덕분에 물 구하기 어려운 육상환경 서식 가능해

우리 몸의 기관 중 중요하지 않은 기관은 하나도 없을 것이다. 심장은 혈액을 분출해 우리 몸 곳곳에 필요한 영양소와 산소를 공급해 주며, 간은 소장을 통해 흡수한 영양소를 화학적으로 처리하는 곳이다. 신장(콩팥)하면 배설기관, 다시 말해 신체의 대사 부산물로 생기는 노폐물을 배출하는 기관으로 잘 알려져 있다. 그런데 이보다 더 중요할지도 모르는 신체의 염분과 수분의 균형을 유지하는 기능을 가지고 있다.신장은 우리 몸의 골반 위 등쪽 좌우에 자리 잡고 있다. 신장은 혈액을 여과하고 이 여과액을 오줌으로 처리해 수뇨관을 통해 방광으로 보낸다. 오줌이 방광에 어느 정도 차면 몸 바깥과 통한 요도를 통해 배출된다. 포유류는 매우 잘 발달한 신장을 가지는데 신장은 무슨 기능을 할까. 신체 세포가 견딜 수 있는 삼투압 범위가 좁아사람이 속한 포유류는 높은 체온을 갖고 있고 활동적이어서 대사율이 매우 높다. 또한, 수중 환경과 비교하면 수분을 얻기 어렵고 밖으로 뺏기기 쉬운 육상 환경에 서식한다. 높은 대사율을 유지하기 위해서는 많은 에너지가 필요하며, 이런 에너지를 얻기 위해 체내에서는 엄청난 가수분해 반응이 일어난다. 가수분해 반응에는 물이 투입돼야 하므로 이때 체내 수분이 급격히 손실된다. 그뿐만 아니라, 이런 대사 과정의 부산물인 노폐물이 빠르게 체내에 축적된다. 포유류의 신장은 이들이 건조한 육상 환경에서 살아가기 위해 부족한 물을 보존하고 노폐물을 배출하는 기능을 가진다.신장의 두 번째 기능인 신체의 염분과 수분의 균형 유지는 왜 필요할까. 신장을 통해 신체 염분과 수분의 균형이 필요한 이유는 신체를 구성하는 세포 대다수가 견딜 수 있는

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