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과학과 놀자
자는 동안 뇌는 기억·학습능력 높이고 노폐물 배출

사람은 하루 30%의 시간을 잠자는 데 소비한다. 사람이 평균 80년을 산다면 약 24년을 자는 셈이다. 생각해보면 이는 굉장히 긴 시간이다. 과학자들은 사람이 왜 잠을 자게 됐는지 이해하기 위해 노력해왔고, 수많은 이론을 제시했다.옛날에는 밤에 잠을 자는 것이 포식자에게 들키지 않아 생존에 유리했기 때문에 잠을 잘 자는 개체가 살아남아 현재의 우리가 자게 됐다는 진화론적 이론도 있었고, 에너지를 비축하기 위함이라는 이론도 있었다. 최근 들어 뇌과학자들이 잠이 뇌 기능에 많은 역할을 하고 있다는 사실을 밝혀내고 있다.뇌는 뉴런이라 부르는 약 1000억 개의 신경세포로 구성돼 있다. 각각의 신경세포는 가지돌기와 축삭돌기들이 밖으로 뻗어 나와 있고, 이들에 의해 수많은 신경세포가 복잡하게 연결돼 있다. 이런 신경세포 간 연결을 시냅스라고 하는데, 우리 뇌에는 100조 개가 넘는 시냅스가 있다. 감각 기관을 통해 제공된 정보는 전기 신호로 바뀐 뒤 신경세포를 통해 뇌로 전달된다. 시냅스로 연결된 신경세포들이 이 정보를 주고받는데 이런 활동을 통해 우리는 기억하고 학습할 수 있게 된다.뇌는 신체의 정보를 처리하는 중요한 기관으로, 몸무게의 2%밖에 안 되지만 우리 몸이 소비하는 전체 에너지의 약 18%를 소비할 정도로 매우 활발하게 활동한다. 그런데 뇌가 쉬지 않고 계속 일하면 어떤 일이 발생할까.과학자들은 쥐를 상대로 강제로 잠을 재우지 않는 실험을 했다. 쥐가 2주 동안 잠을 자지 못하자 피부에 종양이 생기고 체온이 낮아졌으며, 먹이를 먹어도 몸이 말라갔다. 그리고 4주 동안 잠을 자지 못하자 면역 기능이 낮아져 감염증으로 죽고 말았다.사람을 대상으로 한 실험도 있었
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달고나는 화학과 물리가 융합해 만들어낸 맛이죠

2021년 9월 우리나라 드라마가 한 온라인동영상서비스(OTT) 플랫폼에서 공개돼 세계적으로 큰 인기를 끈다. 상상하기 어려울 정도의 수많은 기록을 만들어내고, 출연한 배우들이 스타 반열에 올랐으며, 이후 선보인 작품들이 외국인에게 좀 더 쉽게 다가갈 수 있도록 물꼬를 터준 드라마 ‘오징어 게임’이다.456억원의 상금을 두고 벌어지는 죽음의 게임 중 하나였던 달고나 뽑기는 드라마의 인기를 타고 세계적으로 퍼져나가 직접 달고나를 만들어보는 외국인들의 유튜브 영상이 쏟아지게 했다. 어린 시절 한 번쯤은 사 먹거나 만들어 먹은 기억이 있는 이 추억의 과자가 유행하는 걸 보며 뿌듯함을 느낀 사람이 많았으리라.설탕과 소다로 만드는 달고나는 설탕의 상태 변화와 소다의 열분해 반응을 이용하는 화학적인 과자다. 특별한 도구를 사용한다는 점에서 물리적이기도 하다. 달고나를 안전하게 만드는 데 안성맞춤인 물리적 도구는 손잡이가 옆쪽으로 길게 달려 있고, 붉은 갈색이 도는 구리 국자다. 주방용으로 많이 사용되는 스테인리스 제품이 아니라 구리 국자여야 하는 이유는 무엇일까? 구리는 스테인리스에 비해 열전도율이 27배나 크다. 열전도율이 높아서 설탕을 녹일 때 열을 조절하기가 쉽다. 손잡이가 위쪽이 아니라 옆으로 나란히 돼 있는 점도 중요하다. 뜨거운 불이 직접 손에 닿지 않도록 손잡이가 충분히 누워 있기 때문이다. 그 덕분에 대류에 의한 열이 위로 올라와 손이 금방 뜨거워지는 것을 막아준다.달고나를 성공적으로 만들기 위해 가장 신중해야 하는 과정은 뭘까? 설탕이 녹아서 액체가 되는 동안이다. 설탕을 가열하면 185도 정도에 이르러 융해가 일어나면서 액체가 된
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우주선이 지구 벗어나기 위한 탈출속도는 비행기의 80배

2022년 4월 7일 개봉한 넷플릭스의 다큐멘터리 영화 ‘리턴 투 스페이스’에서는 일론 머스크와 스페이스X 엔지니어들이 미국 항공우주국(NASA) 우주비행사를 국제우주정거장으로 돌려보내 우주여행에 혁명을 일으키는 이야기를 담고 있다.냉전 시대 이후 미국과 러시아는 치열한 우주경쟁을 했지만 천문학적 비용에 부담을 느낀 NASA는 유인우주선 운영을 중단하고, 2011년 이후부터는 러시아 우주선을 이용하고 있었다. 이렇게 정부 주도 우주산업이 침체기에 접어들자 민간기업인 테슬라의 일론 머스크와 스페이스X 엔지니어들이 힘을 합쳐 NASA와 파트너십을 따내는 데 성공한다. 오랜 기간 수많은 시행착오와 시도 끝에 2020년 5월 민간 우주선 크루드래건(Crew Dragon)에 우주인 2명을 태우고 3개월 동안 국제우주정거장에서 임무를 수행하고 되돌아오는 데 성공한다.우주선을 우주에 보내는 데는 섬세한 과학기술과 천문학적 비용이 발생한다. 그렇다면 우주선을 지구 밖으로 보내기 위해 우주선에 얼마만큼의 에너지가 필요할까. 가장 단순하게 계산하는 방법은 마찰력과 공기저항을 무시하고 역학적 에너지 보존 법칙을 이용하는 것이다. 지구는 우주선에 끊임없이 잡아당기는 인력을 작용한다. 이 힘은 중력으로 질량을 가진 물체 사이에 작용하는 인력이다. 중력은 각 질량의 곱에 비례하고, 거리의 제곱에 반비례한다. 지표면 근처 중력은 지표면 위에서의 높이가 지구 반지름에 비해 매우 작아서 두 물체 사이의 거리를 지구 반지름으로 근사하여 계산하지만, 우주로 쏘아 보내는 우주선은 그럴 수 없다.따라서 우주선이 무한대로 멀어지는 데 필요한 에너지는 무한대에 있는 우주선이 지구까지 오는
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수정·착상 문제 해소 위한 연구과정서 시험관 아기 탄생, 난자 수 적어 임신 실패 증가…한방에서도 해법 연구 중

통계청에 따르면 우리나라의 2020년 합계출산율(가임 여성 1명당 출생아 수)은 0.84명으로, 2018년 처음으로 1명 아래로 떨어진 이후 지속적으로 감소하고 있다. 출산율 감소에는 다양한 원인이 있지만 난임 환자 수 증가도 그중 하나다.건강보험심사평가원 국민관심질병통계에 따르면 난임 환자 수는 2017년 20만8704명, 2018년 22만9460명으로 늘었고, 2019년에는 23만802명으로 매년 증가하고 있다. 실제 건강보험심사평가원 자료를 보면 2021년 신생아 8명 중 1명은 난임시술을 통해 출생했다. 난임 환자가 계속 늘어나는 이유는 무엇일까. 그리고 원인에 따른 치료는 어떻게 해야 하는 걸까.건강한 임신 및 출산을 위해서는 크게 두 가지 단계가 중요하다. 첫 번째는 정자와 난자가 만나서 수정되는 과정이고, 다음은 수정란이 자궁 내막에 착상하는 단계다. 착상 후 임신이 유지되려면 수정란이 건강해야 하고, 그러기 위해선 건강한 정자와 건강한 난자가 만나야 한다는 전제가 필요하다.한 번 사정된 정액에는 1~2억 개의 정자가 있지만 그중 70~90%는 배란된 난자를 만나지 못하고 나팔관으로 가는 도중 죽는다. 이 때문에 정액 1mL에 정자 수가 1억500만 마리는 돼야 하고 그중 운동성을 가진 건강한 정자가 4%는 돼야 자연 임신이 가능하다고 보고 있다. 건강한 정자가 감소하는 이유는 흡연과 술, 기름진 식단과 운동 부족 등이 주원인이다.정자와 난자가 건강해도 서로 만나지 못하면 임신할 수 없다. 1976년 나팔관이 막혀 임신할 수 없었던 한 여성이 케임브리지본홀클리닉에 내원했고, 이 여성은 과배란 유도 후 배란된 난자를 채취해 시험관에서 정자와 수정시킨 뒤 다시 자궁에 이식하는 ‘체외수정 및 배아이식술(IV

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구부러지는 스마트폰 화면 가능케 하는 신기한 플라스틱, 전도성 고분자

과천과학관과 함께 하는 과학 이야기 (11)플라스틱은 일반적으로 전기가 통하지 않는다고 알려져 있다. 각종 전기 제품의 플러그가 플라스틱으로 덮여 있는 것도 전기가 밖으로 흐르는 것을 막아 주기 때문이다. 그런데 이런 상식과 달리 전기가 통하는 플라스틱이 있다. ‘전도성 고분자’라는 물질이다.전도성 고분자에 관한 이야기는 약 50년 전인 1970년대 초반으로 거슬러 올라간다. 일본 도쿄공대의 시라카와 히데키 교수 연구팀은 플라스틱의 일종인 폴리아세틸렌에 대해 연구하고 있었다. 어느 날 한 연구원이 실험 도중 실수로 원래 넣어야 할 양보다 무려 1000배나 많은 화학 약품을 폴리아세틸렌에 넣었다.그렇게 해서 만들어진 물질은 원래 얻었어야 하는 것과는 겉보기부터 완전히 달랐다. 검은색 분말 형태의 고분자 재료가 됐어야 할 물질은 마치 금속처럼 은색 광택을 띠는 얇은 막이 돼 있었다. 시라카와 교수는 이 물질이 금속과 비슷한 성질을 지닐지도 모른다고 생각하고 연구를 계속했다.그 결과 폴리아세틸렌에 특정한 성분을 첨가하면 전기가 흐르도록 할 수 있다는 사실을 알아냈다. 실수로 과량 첨가한 시약이 고분자 사슬의 결합을 끊었다 붙였다 하면서 전기를 흐르게 한 것이다.그의 연구는 외국에도 알려져 미국 펜실베이니아대의 화학자 앨런 그레이엄 맥더미드 교수, UC 버클리의 물리학자 앨런 히거 교수와의 공동 연구로 이어졌다. 이들은 1977년 국제 학술지에 ‘전기가 흐르는 고분자’에 대한 연구 결과를 발표했고, 이에 대한 성과를 인정받아 2000년 노벨 화학상을 수상했다. 시라카와 교수가 발견한 전도성 고분자는 아직 활용 범위가 넓지는 않다. 유기발광다
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내일의 날씨 알아내기 위해 땅·바다·하늘·우주서 레이더·위성 등으로 모은 자료 슈퍼컴으로 분석해

“내일 날씨는 맑겠습니다.” 매일 들어도 궁금한 것이 날씨다. 기상 관측 기술과 기상 예보는 어디까지 발전했을까? 기상 예보를 하려면 기상 관측을 해야 한다. 땅, 바다, 하늘, 지구 밖 등 다양한 곳에서 기온, 기압, 풍향, 풍속, 습도, 구름의 양, 황사나 안개 등의 기상 요소를 관측한다.땅에는 사람이 직접 관리하거나 무인으로 운영되는 기상 관측소가 있고, 바다에는 해양 기상 관측 부이나 해양 관측 기지, 해양 기상 관측선이 있다. 하늘에는 보통 하루에 두 번씩 라디오존데를 띄운다. 큰 고무풍선에 라디오존데를 달면 약 35㎞ 상공까지 올라가면서 기온, 기압, 습도 등을 측정해 지상 관측소로 보낸다.요즘 가장 주목받는 기상 관측 도구는 기상위성과 기상레이더다. 기상위성은 지구 대기권 밖에서 지구 표면과 대기의 가시 영상, 적외 영상 등을 촬영해 지구의 여러 기상 상태를 관측하는 시스템이고, 기상레이더는 전파가 공기 속 물방울에 부딪혀 되돌아오는 반사파를 분석해 비구름을 관측하는 시스템이다. 기상위성은 보통 극궤도 위성과 정지궤도 위성이 있다. 극궤도 위성은 비교적 낮은 550~700㎞ 상공에서 남북극을 오가며 구름 모습, 바닷물의 온도, 빙하, 화산 등을 자세하게 관측한다. 반면 정지궤도 위성은 약 3만6000㎞ 적도 상공에 떠서 지구의 자전과 같은 속도로 움직여 지구에서 보면 마치 정지한 것처럼 보인다. 그래서 한 지역을 연속적으로 관측할 수 있다. 우리나라를 관측하는 정지위성은 적도 상공에서 약간 비스듬하게 중위도를 바라보고 있어 관측한 영상도 그렇게 보이므로 보정이 필요하다. 천리안 2A호 지구를 10분마다 관측천리안위성은 2010년 6월 발사한 정지궤도 위
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달과 화성 거주 위한 인류의 꿈 구체화되고 있지만…지구보다 중력 약해 방사선·먼지 등 해결 과제 많아

민간인이 지구 고도 80㎞ 이상 떨어진 ‘우주’를 재활용 민간 왕복선으로 여행했다거나 화성 탐사차 큐리오시티(Curiosity)와 탐사선 엑소마스(ExoMars)가 화성 지표면과 지표면 아래에서 물의 존재 가능성에 대한 증거를 보내왔다는 뉴스를 접하는 시대에 살고 있다.인류의 극소수가 우주여행을 즐기는 사이 수백t의 탄소가 배출되기도 하고, 우주자원을 특정 국가가 소유할 수 있다는 논리를 접하면 인류가 옳은 방향으로 진보하고 있는가에 대한 의구심이 들기도 한다.2027년에는 지구 중력 6분의 1의 인공중력으로 작동하는 우주정거장에 인류 최초 우주호텔 보이저 스테이션(Voyager Station)을 설치한다거나, 2024년 영화 촬영 스튜디오 모듈(SEE-1)을 국제우주정거장에 설치하겠다는 계획, 다른 행성에서 살기 위한 방법이 관련 전문 학회에서 논의되고 있다는 소식을 들으면 특정 행성에 여행 가거나 거주하겠다는 인류의 꿈이 구체화되고 있다는 게 실감된다.인류가 우주의 다른 행성을 탐험하거나 그곳에 거주하려면 몇 가지 문제점을 먼저 해결해야 한다. 인류가 새로운 행성을 문명화하기 위한 연구는 유인 우주선을 발사하던 1980년대부터 우주토목공학(SCE·Space Civil Engineering)이라고 정의되어 진행돼왔다. SCE는 인류가 우주에 문명을 펼치기 위해 필요한 것을 연구하는 학문 분야다. 토목공학이 지향하는 바와 크게 다르지 않다. SCE와 토목공학의 차이를 만드는 것은 자전주기, 공전주기, 태양과의 거리를 쉽게 떠올릴 수 있지만, 방법에서의 근본적 차이는 거주하고자 하는 달이나 화성의 중력이 지구보다 작은 데서 발생한다. 달과 화성의 중력은 지구 중력에 비해 각각 6분의 1과 3분의 1 수준이다.
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아름다운 봄꽃들은 빛과 온도가 빚은 합작품

낮이 길어지고 기온이 오르면서 여기저기서 봄을 알리는 꽃이 피어나고 있다. 산수유꽃, 진달래꽃, 개나리꽃, 목련꽃, 벚꽃은 봄이 온 것을 어떻게 알고 때맞춰 꽃을 피울까. 식물이 계절이나 특정 시간에 맞춰 꽃을 피우는 개화 메커니즘은 오래전부터 과학자들의 큰 관심거리였다. 식물이 어떻게 계절을 인지하는지에 대한 힌트는 돌연변이 변종 담배인 메릴랜드 매머드에서 나왔다.외부 빛을 차단한 식물의 생육 장치 안에서 조명으로 낮과 밤의 길이를 조절했더니 낮의 길이가 14시간보다 짧아졌을 때 이 식물이 꽃을 피웠다. 과학자들은 이 식물처럼 낮의 길이가 특정 시간보다 짧아야 개화되는 식물을 단일식물이라고 불렀다. 국화와 포인세티아, 일부 대두 변종이 단일식물에 속하며 일반적으로 늦은 여름이나 가을 혹은 겨울에 꽃을 피운다. 낮 길이가 특정 시간보다 길어야 꽃을 피우는 식물은 장일식물이라 부른다. 일반적으로 늦은 봄이나 초여름에 꽃을 피운다. 시금치는 낮 길이가 14시간 이상 돼야 꽃을 피우며 무와 상추, 붓꽃, 그 외 많은 곡물류가 장일식물이다. 낮의 길이가 개화 시기에 영향을 주지 않는 식물을 중일식물이라고 하는데, 이런 식물은 특정 생장 단계가 돼야 꽃을 피운다. 토마토와 벼, 민들레 따위가 중일식물에 속한다. 저온 노출 거쳐야 꽃 피우는 식물도1940년대에 과학자들은 개화 시기가 실제로는 낮의 길이가 아니라 밤의 길이에 영향을 받는다는 것을 알아냈다. 단일식물의 경우 낮 기간 중 잠깐 동안 암 처리를 해도 개화에는 영향을 미치지 않았지만, 밤 기간 중 몇 분간만 희미한 빛을 비춰도 꽃을 피우지 않았다. 실제로 단일식물인 도꼬마리의 경우 최소 8시간 이상

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