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과학과 놀자

암모니아 번개·플라즈마 파동…목성의 비밀 밝혔다

태양계에서 가장 큰 행성인 목성은 존재만으로 오랜 세월 인류의 궁금증을 자아냈다. 그 거대 행성의 비밀을 밝혀내기 위해 과학자들은 목성에 탐사선 ‘주노’를 보냈다. 이후 주노는 목성 구석구석을 탐사하며 인류에게 놀라운 사실을 전해왔다. 탐사의 끝자락에서, 주노는 임무를 마치고 우주의 먼 곳으로 사라질 준비를 하고 있다.2011년 8월 5일, 탐사선 주노가 우주를 향해 떠났다. 그동안 여러 탐사선이 목성을 관찰했으나, 대부분은 목성을 스쳐 지나거나 외부만 관측했다. 목성 자체를 직접 조사한 탐사선은 주노가 처음이었다.지구에서 27억4000만km 떨어진 목성에 도달하는 데는 5년이 걸렸다. 목성으로 향할 때 주노는 ‘스윙바이(중력 도움)’를 이용했다. 스윙바이는 우주선이 행성의 중력 얻어 가속하거나 방향을 바꾸는 기술이다. 우주선이 행성 가까이 접근하면 행성의 중력에 끌려 들어가며 속도가 빨라지고, 행성을 벗어날 때는 행성이 태양을 공전하는 속도까지 더해져 실제 우주선의 속도가 증가한다. 이는 연료를 아끼면서 먼 행성까지 갈 수 있는 항법으로, 우주탐사에서 빈번히 쓰인다.주노는 2013년 지구를 한 차례 돌며 스윙바위를 실행했고, 이 과정에서 지구의 공전속도를 더했다. 덕분에 주노는 적은 연료로 2016년 7월 4일 목성 궤도에 성공적으로 진입했다. 이후 태양계 최대 거대 행성의 면면을 살피는 본격적 탐사가 시작됐다.주노의 임무는 목성이 탄생한 기원과 태양계가 형성된 초기 비밀을 밝히는 것이었다. 이를 위해 목성 대기 아래를 살폈고, 양극에서 발생하는 현상을 조사했다. 위성 활동도 함께 탐사했다. 주노가 관측한 자료를 토대로 인류는 우주의 과거를 들여

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가을비가 전하는 냄새, 미생물이 보내는 메시지

가을비가 내리는 날, 특유의 냄새가 코를 스친다. 서늘한 공기 속에 섞인 흙냄새와 풋풋한 풀냄새는 오묘하게 어우러져 마음을 한층 상쾌하게 만든다. 과학자들은 이 비 냄새를 ‘페트리코(petrichor)’라고 부른다. 그리스어로 돌을 뜻하는 ‘페트로스(petros)’와 신들의 피를 의미하는 ‘이코르(ichor)’를 합친 말로, 돌에서 나온 미세한 본질이라는 의미를 담고 있다.비 냄새는 자연에서 일어나는 화학반응과 미생물 활동의 결과다. 마른 땅이 비로 젖을 때 땅속 미생물들이 만들어낸 다양한 유기화합물이 공기 중에 퍼지면서 우리가 느끼는 ‘비 냄새’가 발생하는 것이다. 흙 속에는 수많은 미생물이 살고 있는데, 그중에서도 스트렙토미세스(Streptomyces) 등 방선균의 활동이 비가 온 뒤 현저히 활발해진다.방선균은 주로 토양에 존재하며 죽은 식물체를 분해하는 역할을 하는 세균(박테리아)이다. 이들은 토양 속 유기물을 분해하며 에너지를 얻는 과정에서 여러 화학반응과 효소작용을 거쳐 ‘지오스민(Geosmin)’과 ‘2-메틸이소보르네올(2-MIB)’이라는 냄새 분자를 만들어낸다. 쉽게 말해 방선균은 식물 잔해 속 물질을 분해하면서 그 부산물로 특유의 향을 내는 화합물을 합성하는 것이다. 이 과정에서는 ‘아이소프레노이드’라는 탄소 뼈대가 단계적으로 연결되는 화학반응을 거치며, 효소가 이 구조를 구부리거나 작은 메틸기를 붙여 비 냄새의 핵심 성분을 완성한다.이 화합물은 땅속 박테리아가 죽거나 손상되면서 세포 밖으로 방출돼 흙 속에 남아 있다가, 비가 내릴 때 빗방울이 지면에 충격을 가하면서 미세한 물방울과 함께 공기 중으로 퍼져나간다. 이를

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편안한 음악이 뇌 활동 안전상태로 되돌려

차나 배를 타면 종종 어지럽고 속이 미식거리는 멀미 증상이 나타난다. 과학자들은 그간 멀미가 생기는 이유에 대해 다양한 가설을 내놓았는데, 그중 ‘감각 불일치’로 발생한다는 해석이 가장 널리 받아들여지고 있다. 달리는 차에 앉아 있으면 눈은 ‘가만히 있다’고 인식하고, 귓속 평형감각 기관은 ‘움직이고 있다’고 판단한다. 이 때문에 뇌가 혼란을 일으켜 멀미가 생긴다는 것이다. 다만 감각 불일치만으로 모든 현상을 설명하기 어려우므로 멀미는 여러 요인이 겹쳐 나타나는 복합적 현상으로 보는 게 합당하다.원인이야 어찌 됐든 이 불청객을 피하기 위해 사람들은 오래전부터 다양한 방법을 시도해왔다. 멀미약을 먹거나 생강 캔디를 씹고, 차 앞좌석에 앉아 페퍼민트 향을 맡으며 창밖 수평선을 바라보는 식이다. 흥미롭게도 이 가운데 많은 사람이 선택하는 방법 중 하나가 바로 ‘음악 듣기’다. 음악이 긴장을 풀고 주의를 분산시켜 멀미 증상을 완화하는 듯한 느낌을 주기 때문이다. 그런데 과학적으로도 정말 효과가 있을까? 또 음악이라면 아무 장르나 괜찮은 걸까 아니면 특정한 장르의 음악이 더 효과적일까. 최근 중국의 한 대학교 연구팀이 이 질문에 답을 내놨다.연구팀은 달리는 차에 앉아 있는 상황을 재현한 ‘운전 시뮬레이터’를 이용해 실험 참가자 40명에게 일부러 멀미를 유발한 후 밝고 경쾌한 음악, 잔잔하고 편안한 음악, 슬프고 우울한 음악, 그리고 무작위 소리(화이트 노이즈) 등 네 가지 유형의 음악을 들려줬다. 그리고 뇌파를 측정해 멀미 정도를 수치로 나타냈다. 이른바 ‘멀미 지표’다. 멀미가 심해지면 뇌파는 다양한 패턴을

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종이 접듯 DNA 접어, 약물 정확하게 전달

종이접기는 종이를 손으로 접어서 여러 가지 모양을 만드는 놀이다. 학, 꽃, 개구리 등 한 장의 종이를 정교하게 접으면 멋진 예술 작품이 만들어진다. 그런데 재밌는 종이접기 놀이가 과학에서 사람을 살리는 기술로 쓰이고 있다. 바로 ‘DNA 오리가미’다. 오리가미는 일본어로 종이접기를 뜻하는데, 이제는 종이가 아닌 DNA를 접어 미래의 의학과 과학을 바꾸는 연구로 주목받고 있다.DNA 오리가미는 2006년 미국의 폴 로데문드 교수가 처음 제안한 방법이다. 종이접기하듯 DNA를 접어 2D 또는 3D 형태의 입체 구조로 변화시키는 기술을 말한다. 이 기술은 DNA를 구성하고 있는 염기들이 서로 짝을 이루는 성질을 활용했다. DNA를 이루는 염기는 총 네 가지(A, T, C, G) 인데, 이 중 A는 T와, C는 G와 짝꿍이다. 서로 꼭 맞는 퍼즐처럼 결합한다. 즉 DNA에서 접고 싶은 부분에 짝꿍인 염기를 배열하는 방식으로, 원하는 모양을 만들 수 있는 것이다.최근 미국 일리노이 대학교 한범수 교수가 참여한 국제 공동연구팀은 DNA 오리가미를 활용해 췌장암 세포를 구별하는 데 성공했다고 밝혔다. 연구팀은 DNA 오리가미 기술로 다양한 크기의 원통과 타일 모양 구조물을 만들었다. 그리고 그 구조물 안에 형광빛을 내는 물질과 췌장암 세포에만 반응하는 센서를 함께 넣었다. 이 구조물은 췌장까지 다가간 뒤, 암세포가 있으면 달라붙는다. 이후 연구자들이 췌장을 관찰했을 때 형광빛을 통해 암세포가 있는지, 어디에 있는지 확인할 수 있다. 반대로 암세포가 아닌 정상 세포에는 반응하지 않게 설계했다.연구진은 먼저 실험실에서 췌장 오가노이드를 이용해 실험했다. 오가노이드는 줄기세포를 이용해 실제 장기와 비슷하게 배

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세상에 단 하나뿐인 혈액형…'과다 음성' 발견

세상에 단 한 사람만 가진 희귀한 혈액형이 발견됐다. 주인공은 카리브해 과들루프라는 섬 출신의 68세 여성이다. 지난 6월, 프랑스 혈액청(EFS)은 이 여성의 혈액에서 새로운 혈액형 시스템 ‘PIGZ’와 혈액형 ‘과다 음성(GWADA negative)’을 발견했다고 발표했다.혈액형은 적혈구에 붙은 이름표와 같다. 적혈구 표면에는 수많은 단백질과 당지질이 붙어 있는데, 이를 ‘항원’이라고 부른다. 혈액형은 특정 항원의 차이를 기준으로 혈액을 분류하는 시스템이다.우리에게 가장 익숙한 ABO식 혈액형은 1901년 오스트리아의 의사 카를 란트슈타이너가 발견했다. 그는 환자들의 혈액을 섞어보다가 서로 뭉치는 응집반응이 일어나는 것을 발견했고, 그 원인이 특정 항원과 항체의 결합이라는 사실을 밝혀냈다. 란트슈타이너는 이를 바탕으로 A·B·AB·O형의 네 가지 혈액형을 분류했고, 이 공로로 1930년 노벨생리의학상을 받았다.이후 란트슈타이너는 또 한번 중요한 혈액형을 발견했다. 바로 Rh 혈액형이다. 적혈구 표면에 ‘D 항원’이 있으면 Rh 양성(Rh+), 없으면 Rh 음성(Rh-)으로 분류된다.이렇게 혈액형을 구분하는 이유는 수혈 시 일어나는 면역반응을 막기 위해서다. 혈액형이 맞지 않는 사람의 혈액을 수혈받으면 면역계가 해당 혈액을 외부 침입자로 인식해 적혈구를 파괴한다. 이 과정에서 혈액이 뭉치고 혈관이 막히거나 장기가 손상되어 생명까지 위협받을 수 있다. 그렇기에 혈액형 판별은 안전한 수혈을 위한 가장 기본적인 기준이다.그런데 사실 ABO와 Rh 혈액형 외에도 인간에게는 수많은 혈액형이 있다. 국제수혈학회(ISBT)가 지금까지 공식적으로 인정한 혈액형은 48가지에

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"물속에서도 끄떡없는 접착제, 홍합에서 배웠다"

자연 속 동식물들은 오랜 세월에 걸쳐 독자적인 생존 전략을 고안해 왔다. 과학자들은 종종 이런 전략들에 착안해 인간에게 유용한 기술을 개발하는데 이를 '생체 모방 기술(Biomimetics)'이라고 한다. 비행기 날개(새 날개), 고속열차 앞부분(물총새 부리), 벨크로 찍찍이(도꼬마리 씨앗)가 대표적인 사례로, 자연을 흉내 내 만든 일종의 '모방작'이다.최근 주목받고 있는 생체모방 기술 중 하나는 홍합을 참고해 만든 ‘수중 접착제’다. 홍합은 해류가 잘 통하는 바위나 암초에 달라붙어 사는데, 바위에 물이 묻어 있거나 파도가 세게 쳐도 결코 떨어지지 않는다. 이런 홍합의 강력한 접착력은 입에서 분비하는 ‘접착 단백질’ 속에 포함된 ‘카테콜(catechol)’이라는 특별한 화학구조에서 나온다.카테콜 구조는 분자 끝에 작은 갈고리 같은 손잡이가 달려 있어 금속이나 돌, 플라스틱 표면의 미세한 부분을 잘 붙잡는다. 처음에는 약한 힘으로 달라붙었다가 시간이 지나면 화학반응이 일어나 강력 접착제처럼 굳어버린다. 게다가 카테콜 구조 주변 분자들이 물과 잘 어울리는 성질(친수성)이 있어 젖은 표면에도 안정적으로 붙는다. 이런 장점 때문에 과학자들은 예전부터 홍합의 접착 단백질을 흉내 내 의료용 접착제나 수중 보수재를 개발하려고 노력해왔다.다만 카테콜 구조를 본떠 만든 합성 접착제는 물속에서 접착력이 약하다. 합성 접착제의 몸통은 물을 싫어하는 성질(소수성)을 가진 고분자로 구성돼 물에 젖은 표면에서 잘 퍼지지 못하고 밀려난다. 카테콜 구조가 표면에 닿기 전에 물이 가로막으니 들러붙을 수가 없는 것이다.과학자들은 이 문제를 해결하기 위해 하이드로

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전 세계 산호초 84%, 백화현상에 고사 위기

지구 생물의 80%가 살고 있는 것으로 알려진 바다. 고래와 물고기, 해파리, 해초, 플랑크톤 등 수많은 생명체가 바닷속에 터를 잡아 살아가고 있다. 그중에서도 산호초는 해양생물이 많이 모여 산다. 이곳에 서식하는 물고기 종류만 해도 1500종에 이른다. 그런데 최근 해양생물들이 산호초를 떠나기 시작했다고 알려졌다. 어떻게 된 일일까?산호초는 원래 해양생물들에 바다 최고의 서식지로 손꼽힌다. 산호와 공생관계인 조류가 있고, 이를 먹이로 삼는 물고기들이 모이고, 포식자를 피해 숨을 공간이 많고! 여러 면에서 살기 좋은 서식지다 보니, 많은 동물이 모여 살게 된 것이다. 덕분에 산호가 군락을 이루는 산호초는 ‘바다의 열대우림’이라는 별명을 갖고 있다.문제는 산호가 예민한 편이라는 점이다. 수온, 산성도, 탁도 등 주변 환경이 바뀌면 쉽게 스트레스를 받는다. 바닷물의 온도가 1~2℃만 높아져도 스트레스를 받기 시작한다. 지구온난화로 수온이 지속적으로 오르고, 염도가 높아지고 산성화가 심해지자 결단을 내린다. 공생하던 조류를 몸 밖으로 내보내기로!사실 산호는 혼자서는 살 수 없는 해양 무척추동물이다. ‘조잔텔라(zooxanthellae)’라는 조류와 서로 도우며 함께 살아간다. 조류는 광합성을 해서 에너지를 만들고, 이걸 산호에게 나눠준다. 그 대신 산호는 조류들이 살 수 있는 집과 광합성에 필요한 이산화탄소를 내어준다. 공생하는 조류의 색에 따라 산호의 색도 노란색, 갈색, 초록색 등 다양한 색을 띤다. 이렇게 서로 상부상조하며 살아가는 관계를 ‘공생’이라고 한다.스트레스로 인해 조류를 내보낸 산호는 에너지를 얻을 수 있는 방법이 없다. 그럼 산호의 화

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플라스틱 폐기물로 해열진통제 만들었다

2030년, 감기에 걸려 약국에서 해열진통제를 샀다. 그런데 약사가 건네준 이 해열진통제의 원료는 작년에 내가 마시고 버린 음료수병이다. 말도 안 되는 이야기 같지만, 곧 현실이 될지 모른다. 최근 과학자들이 플라스틱 폐기물로 해열진통제를 만드는 데 성공했기 때문이다. 그것도 대장균을 이용해서 말이다.영국 에든버러대학교 연구팀은 유전자 변형 대장균을 이용해 폴리에틸렌 테레프탈라이트(PET)를 파라세타몰(아세트아미노펜)로 바꾸는 데 성공했다. 우리가 자주 먹는 타이레놀에 들어 있는 성분이 바로 이 파라세타몰이다. 연금술도 아니고, 어떻게 이런 일이 가능했을까?연구팀은 ‘로센 재배열’이라는 유기화학 반응에 주목했다. 이 반응은 1872년 독일의 화학자 빌헬름 로센이 발견한 것으로, 하이드록삼산(hydroxamic acid)의 원자 배열이 바뀌어 이소시아네이트라는 물질로 변환되는 반응이다. 이소시아네이트가 물과 만나면 최종적으로 ‘아민’이 만들어진다. 150년 가까이 된 이 반응은 유기화학에서 중요한 역할을 해왔다. 아민은 의약품, 플라스틱, 염료 등 다양한 물질을 만드는 데 필수적인 화합물인데, 로센 재배열 반응은 특정 구조의 아민을 합성하는 데 특히 유용하다.하지만 이 반응은 고온과 강한 염기가 있는 혹독한 조건에서 독성이 있는 시약을 사용해야 일어난다. 그래서 특수 장비와 안전시설을 갖춘 실험실에서만 가능했다. 그런데 연구팀은 이 반응을 살아 있는 대장균 내에서 구현하는 데 성공했다.연구팀은 유전자 편집 기술을 이용해 대장균을 작은 화학 공장처럼 개조했다. 로센 재배열 반응과 파라세타몰을 합성할 수 있는 대사 경로를 가진 새로운 대장균을 만