서울시립과학단 SEOUL SCIENCE CENTER

DNA 이중나선 발견과 과학자 이야기

1953년 4월 25일, 과학저널 <네이처>에 20세기 생명과학계의 최대 사건인 DNA 이중나선의 구조도가 실린 날이다. 이중나선 구조 발견의 주인공은 미국의 제임스 왓슨(James Watson, 1928~)과 영국의 프랜시스 크릭(Francis Crick, 1916~2004)이다. 본문은 1페이지밖에 안 되는 짧은 분량이었지만, 20세기 최대 생물학적 성과로 아직도 인정되고 있다. 유전학 연구는 이때부터 본격적으로 시작되었다.

그러나 DNA 구조 발견의 그 이면에는 생명의 비밀을 독점하려는 학자들 사이의 경쟁과 우정, 그리고 반목이 뒤엉킨 인간드라마가 숨어 있다. 당시 DNA의 비밀을 캐기 위한 경주에는 여러 연구자들이 각축을 하고 있었다. 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭, 그리고 당대 최고의 과학자로 칭송 받던 미국의 물리학자 라이너스 폴링(Linus Pauling, 1901 ~ 1994), 영국 런던의 킹스 칼리지에서 일찍부터 X선 회절 사진을 통해 DNA를 연구하던 모리스 윌킨스(Maurice Wilkins, 1916 ~ 2004)와 로잘린드 프랭클린(Rosalind Franklin, 1920~1958) 등이 선두를 다퉜다.

그 중 왓슨과 크릭은 DNA 연구에서 가장 뒤떨어진다고 평가 받던 인물이다. 왓슨은 1950년에 인디애나 대학에서 동물학으로 박사 학위를 받은 지 1년밖에 안 된 젊은 청년이고, 크릭은 런던의 유니버시티 칼리지 출신으로 왓슨보다 12살이나 많았지만 학위도 없었고 경력도 신통치 않았다. 또한 왓슨과 크릭이 함께 일한 케임브리지대 캐번디시 연구소는 DNA 구조 연구의 후발주자였다. 2차 대전 후 물자가 부족했던 영국에선 두 개의 대학이 같은 연구를 하는 것이 용납되지 않았고, DNA 구조 연구는 로잘린드 프랭클린이 속한 킹스 칼리지의 몫이었다. 그럼에도 왓슨과 크릭은 생물학과 물리학을 바탕으로 각종 데이터를 분석하며 DNA의 비밀을 밝혀나가기 시작했다.

그런데 문제는 DNA가 어떤 구조를 가지고 있느냐를 밝혀내는 일이었다. DNA 구조를 설명하기 위해서는 실제 세포의 핵 속에 DNA가 어떤 모양으로 들어 있는지를 알아야 한다. 이를 위해서는 X선으로 사진(회절 무늬)을 찍어야 한다. 당시 여성 과학자 프랭클린이 찍은 DNA의 X선 회절사진은 이중 나선구조를 확신하는 결정적인 자료가 됐다. 이 자료를 왓슨과 크릭에게 제공한 사람은 다름 아닌 킹스 칼리지의 프랭클린 동료 윌킨스이다. 프랭클린과 사이가 좋지 않았던 윌킨스는 수시로 캐번디시 연구소를 방문해 프랭클린이 찍은 DNA X선 사진을 보여주고, 논문으로 출판되지 않은 데이터들을 제공했다. 윌킨스는 프랭클린의 사전 허락도 없이 회절사진을 분석했고, 프랭클린이 찍은 X선 회절사진에서 결정적 단서를 얻은 왓슨과 크릭은 곧 나선형 모형을 만들었다. 이것이 바로 그 유명한 DNA 이중나선 구조 모형이다. 1953년 왓슨이 과학저널 「네이처」 논문을 통해 DNA 이중나선을 밝힌 나이는 불과 25세였다.

제임스 왓슨, 프랜시스 크릭, 모리스 윌킨스 세 사람은 1962년 12월, 스웨덴 스톡홀름의 노벨상 수상대에 나란히 섰다. DNA의 이중나선 구조를 밝힌 것이 수상 이유다. 이 때, 프랭클린이 찍은 사진이 같은 논문에 실려 있음에도 불구하고, 노벨상을 받지 못한 것은 암 선고를 받고 1958년 38세라는 젊은 나이에 세상을 떠났기 때문이다.

DNA 지문분석과 과학수사

DNA 지문을 발견한 알렉 제프리스(Alec Jeffreys, 1950 ~) 박사는 그 공로로 2008년 4월 세계 최고의 기술상이라고 할 수 있는 2008년도 밀레니엄 기술상(Millennium Technology Prize)을 받았으며 영국 왕실로부터 기사작위를 받았다. 또한 각종 범죄와 관련된 유전자 지문 연구의 고문으로 일하면서 쉴 새 없이 일하고 있다. 

범인을 잡고, 친자 확인에 사용되며 고대 미스터리를 푸는 데도 이용되는 DNA 지문은 1983년 11월 영국 나보르의 작은 마을에서 발생한 살인사건 수사에 처음 이용되었다. 당시 영국 경찰은 나보르 마을에 거주하는 모든 남자들은 대상으로 혈액검사를 하여 범인을 잡을 수 있었다.

DNA 가닥은 아데닌(A), 티민(T), 구아닌(G), 시토신(C) 등 4개의 염기들이 긴 실처럼 이어져 있으며, 염기서열이라고 부른다. 사람마다 지문이 천차만별로 다른 것처럼 염기서열도 각자 다르기 때문에, 이를 DNA 지문(DNA fingerprinting) 또는 유전자 지문이라고도 한다. 사람마다 다른 DNA 염기서열을 이용하면, 범죄수사에서 동일인 여부를 확인할 수 있다. 예를 들어 범죄 현장에서 정액이나 혈흔과 같은 체액이나 머리카락과 같은 단서에 나타난 DNA 지문을 경찰이 지목한 용의자의 지문과 비교해서 일치하는지 확인하여 범인을 확정한다.

제프리스의 DNA 지문 덕분에 과학수사 시대가 시작되었고 사법기관의 범죄수사에 혁명을 일으켰다. 1993년 이후 범죄혐의를 받고 있던 재소자 가운데 144명 이상이 원래 공판 때는 사용할 수 없었던 새로운 DNA 기술을 활용해 무죄 판결을 받았다. 이들 가운데 12명은 그들이 저지르지도 않은 범죄 때문에 사형선고를 받고 사형수 감방에서 형 집행을 기다리고 있었다. DNA기술이 존재하지 않았다면, 그들은 억울하게 세상을 떠났을 것이다. 이와 같은 성공은 광범위한 인권운동을 촉발시켜 현재 미국의 25개 유명 법과대학에서 결백 규명 프로젝트를 교과과목으로 채택하고 있다.

인체 생애주기별 특징

탄생 후 대부분의 동물들은 바로, 혹은 몇 시간이 지나면 스스로 걸을 수 있다. 뿐만 아니라 6개월이 지나면 대부분 새끼를 낳을 수 있는 성체가 된다. 반면 인간은 걷는 데에만 1년이 넘게 걸리고 생식적으로 자식을 낳을 수 있으려면 10년이 훨씬 지나야 한다. 이것은 진화적 입장에서 보면, 인간은 탄생 후 많은 에너지를 근육 발달이나 생식 기능에 쏟아 붓는 것이 아니라 뇌발달에 온전히 쏟기 위함이라는 견해가 있다. 인간의 생애주기는 탄생부터 신생아, 영아기, 유아기, 아동기, 청소년기, 성인기, 중년기, 노년기로 나눌 수 있으며, 주기별 대표적 신체변화는 다음과 같다.
1) 신생아기(출생 ~ 1세) : 키와 체중 증가율이 가장 높은 시기, 신체 성장뿐만 아니라 지능, 정서, 운동발달도 활발히 일어난다. 생존과 직결되는 반사행동(빨기반사, 파악반사, 수영반사 등)기능이 나타난다.
2) 영아기(1 ~ 3세) : 영아기 만큼은 급속한 성장은 아니지만 여전히 높은 성장률을 보인다. 몸체는 길고 하체는 짧으며 다리는 약간 휘어져 구부정하다. 남녀외형 차이는 서로 비슷하게 보인다. 대근육과 미세근육이 발달하고 언어발달이 매우 큰 시기이다.
3) 유아기(3 ~ 5세) : 피하지방이 감소되고 사지가 빠르게 성장하여 균형 있는 외모를 형성한다. 돌출된 복부가 사라지면서 골반이 곧바로 세워지고, 복벽근이 발달하고 엉덩이는 점차 안쪽으로 회전된다. 미세운동근육의 발달로 운동이 세련되어진다.
4) 아동기(6 ~ 12세) : 두드러진 신체변화는 골격성장, 치아발달, 임파조직의 발달이다. 특히 다리가 길어져 신체의 무게 중심이 아래 부분으로 이동한다. 지방의 양과 분포의 변화로 전반적으로 날씬한 체형이 된다. 평균 한 해 4개의 유치가 빠지고 영구치로 교체된다. 임파조직의 발달로 12세 아동의 편도선은 성인의 편도선보다 크며, 그로 인해 면역반응이 활발하고 감염 빈도가 낮다.
5) 청소년기(13 ~ 19세) : 성장 급등과 2차 성징 발현, 급속한 신체변화로 다양한 심리적·사회적 불균형상태, 불안 및 갈등 등을 경험한다.
6) 성인기(20 ~ 49세) : 근력의 절정은 25 ~ 30세이다. 이 때에 세포증식과 조직재생이 잘 되고, 최적의 운동 기능을 갖게 된다. 오감의 기능이 안정적이다.
7) 중년기(50 ~ 64세) : 신체기능이 서서히 감퇴된다. 흰머리, 주름, 시각·청각능력 감소, 체형의 변화로 갱년기를 경험한다.
8) 노년기(65세 이상) : 피부, 심혈관계, 근골격계 등 모든 신체영역에서 노화가 진행된다. 특히 피부, 모발, 치아의 변화가 크다.

인체 생애주기별 특징

탄생 후 대부분의 동물들은 바로, 혹은 몇 시간이 지나면 스스로 걸을 수 있다. 뿐만 아니라 6개월이 지나면 대부분 새끼를 낳을 수 있는 성체가 된다. 반면 인간은 걷는 데에만 1년이 넘게 걸리고 생식적으로 자식을 낳을 수 있으려면 10년이 훨씬 지나야 한다. 이것은 진화적 입장에서 보면, 인간은 탄생 후 많은 에너지를 근육 발달이나 생식 기능에 쏟아 붓는 것이 아니라 뇌발달에 온전히 쏟기 위함이라는 견해가 있다. 인간의 생애주기는 탄생부터 신생아, 영아기, 유아기, 아동기, 청소년기, 성인기, 중년기, 노년기로 나눌 수 있으며, 주기별 대표적 신체변화는 다음과 같다.
1) 신생아기(출생 ~ 1세) : 키와 체중 증가율이 가장 높은 시기, 신체 성장뿐만 아니라 지능, 정서, 운동발달도 활발히 일어난다. 생존과 직결되는 반사행동(빨기반사, 파악반사, 수영반사 등)기능이 나타난다.
2) 영아기(1 ~ 3세) : 영아기 만큼은 급속한 성장은 아니지만 여전히 높은 성장률을 보인다. 몸체는 길고 하체는 짧으며 다리는 약간 휘어져 구부정하다. 남녀외형 차이는 서로 비슷하게 보인다. 대근육과 미세근육이 발달하고 언어발달이 매우 큰 시기이다.
3) 유아기(3 ~ 5세) : 피하지방이 감소되고 사지가 빠르게 성장하여 균형 있는 외모를 형성한다. 돌출된 복부가 사라지면서 골반이 곧바로 세워지고, 복벽근이 발달하고 엉덩이는 점차 안쪽으로 회전된다. 미세운동근육의 발달로 운동이 세련되어진다.
4) 아동기(6 ~ 12세) : 두드러진 신체변화는 골격성장, 치아발달, 임파조직의 발달이다. 특히 다리가 길어져 신체의 무게 중심이 아래 부분으로 이동한다. 지방의 양과 분포의 변화로 전반적으로 날씬한 체형이 된다. 평균 한 해 4개의 유치가 빠지고 영구치로 교체된다. 임파조직의 발달로 12세 아동의 편도선은 성인의 편도선보다 크며, 그로 인해 면역반응이 활발하고 감염 빈도가 낮다.
5) 청소년기(13 ~ 19세) : 성장 급등과 2차 성징 발현, 급속한 신체변화로 다양한 심리적·사회적 불균형상태, 불안 및 갈등 등을 경험한다.
6) 성인기(20 ~ 49세) : 근력의 절정은 25 ~ 30세이다. 이 때에 세포증식과 조직재생이 잘 되고, 최적의 운동 기능을 갖게 된다. 오감의 기능이 안정적이다.
7) 중년기(50 ~ 64세) : 신체기능이 서서히 감퇴된다. 흰머리, 주름, 시각·청각능력 감소, 체형의 변화로 갱년기를 경험한다.
8) 노년기(65세 이상) : 피부, 심혈관계, 근골격계 등 모든 신체영역에서 노화가 진행된다. 특히 피부, 모발, 치아의 변화가 크다.

카페인의 발견

사람들이 카페인을 이용한 것은 매우 오래되었다. 석기시대부터 카페인을 섭취했다는 학설도 있고, 우연히 카페인이 든 식물을 씹어 먹던 중 각성 효과가 있다는 것을 알게 됐고, 그 이후 뜨거운 물에 우려먹는 형태로 점차 발전해 오늘날 차(茶) 문화로 정착한 것으로 전해진다. 커피의 경우 9세기 이전부터 재배되었을 것으로 추정되지만, 커피로부터 카페인이라는 성분을 비교적 순도 높게 분리한 것은 1819년 독일의 화학자 프리드리히 페르디난트 룽게(Friedrich Ferdinand Runge)에 의해서이다. 커피에 들어 있는 혼합물이라는 의미로 카페인이라는 이름이 붙여졌고, 이후 1827년 차에서 ‘테인’이라는 물질이 발견되었으나 카페인과 동일한 물질로 확인되어 카페인이라는 이름으로 불리고 있다.

  카페인은 널리 이용되는 약물 중 하나이며, 매우 많은 곳에서 이용되고 있다. 차, 커피, 코코아, 콜라, 피로회복제, 약품 등에 포함되어 있다. 카페인은 전 세계적으로 널리 이용되는 약물 중의 하나로서 차, 커피, 코코아, 콜라, 피로회복제, 약품 등에 포함되어있다. 카페인은 피로를 줄이는 등의 효과가 있어 사람들이 선호하는 기호식품이 되었지만 장시간 다량 복용할 경우 카페인중독을 초래할 수 있으며, 주변에서 쉽게 접할 수 있는 음료에 카페인이 포함된 경우가 많으므로 너무 많이 섭취하지 않도록 주의해야 한다.

백내장

과거 60 ~ 70대에 집중되었던 노인성 질환이었던 백내장이 최근 몇 년 사이에 40 ~ 50대 발병률이 꾸준히 증가하였다. 현대 사회에서 우리가 늘 사용하는 스마트폰, 컴퓨터와 같은 IT 기기의 지나친 사용으로 눈의 노화가 일찍 진행되었기 때문이다.

백내장은 우리 눈 속에서 카메라 렌즈에 해당하는 수정체가 혼탁해지면서 눈 속으로 빛이 잘 통과하지 못하여 사물을 뚜렷하게 볼 수 없고 안개가 낀 것처럼 흐리게 보이게 되는 시력장애를 말한다. 초기의 백내장 진행을 억제할 목적으로 안약과 내복약을 사용하지만 백내장이 진행되면 결국은 수술을 해야 한다. 백내장 수술은 일반적으로 국소 마취를 한 다음 혼탁한 수정체를 제거하고 인공수정체를 삽입한다. 인공수정체는 수술 전 검사에 의하여 환자에 맞게 제작되며 반영구적이다. 최근에는 난시까지 줄이거나 없애주는 난시교정 인공수정체나 먼 곳뿐 아니라 가까운 곳도 초점을 맞출 수 있는 다초점 인공수정체도 개발되었다.

노인성 백내장을 예방하는 뚜렷한 방법은 아직 없으며, 정확한 진단과 적절한 시기에 수술을 받으면 대부분 시력을 회복할 수 있다. 그러나 각막, 유리체, 망막, 시신경처럼 백내장 외에 다른 부분에 질환이 있으면 시력 회복이 만족스럽지 않을 수 있다. 수술 전 다른 질환 여부는 발견되지 못할 수도 있기 때문에 수술 후 시력에 대해서는 정확하게 예측하기 어렵다.

바이러스는 생물체인가? 무생물체인가?

바이러스는 감기, 독감, 광견병, 후천성 면역 결핍증(AIDS)과 같은 질병을 일으키는 병원체이다. 바이러스는 세균보다 작아서 세균 여과기로도 분리할 수 없고, 전자 현미경을 사용하지 않으면 볼 수 없는 작고 단순한 구조로 되어 있다. 바이러스는 유전 물질로 이루어진 중심부와 이를 둘러싸고 있는 단백질 껍질로 되어 있다. 자신의 유전 물질을 숙주 세포 속으로 주입한 다음에 숙주 세포에 있는 효소를 이용하여 물질대사와 증식을 하는데, 이 과정에서 돌연변이가 나타나기도 한다. 이러한 특성 때문에 바이러스가 발견된 초기에는 바이러스를 가장 단순한 형태의 생물체로 생각하기도 하였다. 오늘날 대부분의 생명 과학자들은 바이러스를 생물로 보지 않는다. 왜냐하면 생물의 기본 단위는 세포이지만, 바이러스는 세포 구조가 아니며 숙주 세포 밖에서는 스스로 복제할 수 없고 물질대사도 할 수 없기 때문이다. 심지어 바이러스는 숙주 세포 밖에서는 결정체로 존재한다. 바이러스는 숙주 세포에 따라 동물 바이러스, 식물 바이러스, 세균 바이러스로 구분하며, 핵산의 종류에 따라 DNA 바이러스와 RNA 바이러스로도 구분한다.

바이러스는 생물체인가? 무생물체인가?

바이러스는 감기, 독감, 광견병, 후천성 면역 결핍증(AIDS)과 같은 질병을 일으키는 병원체이다. 바이러스는 세균보다 작아서 세균 여과기로도 분리할 수 없고, 전자 현미경을 사용하지 않으면 볼 수 없는 작고 단순한 구조로 되어 있다. 바이러스는 유전 물질로 이루어진 중심부와 이를 둘러싸고 있는 단백질 껍질로 되어 있다. 자신의 유전 물질을 숙주 세포 속으로 주입한 다음에 숙주 세포에 있는 효소를 이용하여 물질대사와 증식을 하는데, 이 과정에서 돌연변이가 나타나기도 한다. 이러한 특성 때문에 바이러스가 발견된 초기에는 바이러스를 가장 단순한 형태의 생물체로 생각하기도 하였다. 오늘날 대부분의 생명 과학자들은 바이러스를 생물로 보지 않는다. 왜냐하면 생물의 기본 단위는 세포이지만, 바이러스는 세포 구조가 아니며 숙주 세포 밖에서는 스스로 복제할 수 없고 물질대사도 할 수 없기 때문이다. 심지어 바이러스는 숙주 세포 밖에서는 결정체로 존재한다. 바이러스는 숙주 세포에 따라 동물 바이러스, 식물 바이러스, 세균 바이러스로 구분하며, 핵산의 종류에 따라 DNA 바이러스와 RNA 바이러스로도 구분한다.

페스트

유럽 역사에서 가장 큰 타격을 미친 전염병은 1348년에서 1361년에 이르는 기간에 발생한 흑사병으로 널리 알려진 페스트(Pest)이다. 이 당시 유럽 인구는 약 7,500만 명이었는데 지중해에서 스칸디나비아까지 유행하면서 4년도 채 되지 않아 유럽 인구의 1/3이 죽음을 맞는 비극적인 일이 발생하였다. 페스트병(흑사병)에 걸리면 고열, 기침, 호흡곤란, 객혈, 림프절병, 패혈증, 폐렴, 혈전이 발생하며 의식 장애와 쇼크 사망 등의 증상이 일어나는데, 제 때 치료하지 않으면 60 ~ 90%가 죽는다.

페스트를 일으키는 병원체는 이에르시니아 페스티스(Yersinia pestis)이라 불리는 세균이다. 이 세균은 벼룩의 몸 속에서 증식하여 덩어리를 형성하는데, 이 덩어리가 벼룩의 위장을 막아 벼룩을 굶주리게 만든다. 굶주리는 벼룩은 계속해서 흡혈을 하지만 배를 채울 수는 없고 흡혈한 피를 도로 게워내는데, 이 때 세균에 오염된 피가 벼룩이 문 상처로 다시 흘러가 새로운 감염자를 발생시키며, 벼룩은 결국 굶어 죽게 된다.

또한 쥐에 의해서도 질병이 확산된다. 설치류인 쥐는 벼룩의 감염에 약하기 때문에 쥐의 벼룩이 사람에게 옮겨와서 피를 빨거나 페스트 세균이 각종 전염 경로를 통해 사람에게 들어오면 페스트 증상이 나타나게 된다.
 

멘델레예프와 주기율표

드미트리 멘델레예프(Dmitri Mendeleev, 1834 ~ 1907)는 원소를 질량순으로 배열하여 주기율표를 고안한 러시아의 화학자이다. 당시 원소의 규칙성을 찾으려는 시도는 많았지만 원소의 규칙성을 표의 형태로 발표한 것은 멘델레예프가 최초였고, 아직 발견되지 않은 원소의 성질까지 예측했다.

멘델레예프가 활동하던 시절에는 자고 나면 새로운 원자들이 발견되는 시기였고, 많은 사람들이 원소의 주기성을 찾는 데에 매달렸다. 멘델레예프는 꿈에 본 주기율표를 그대로 옮겨 적었다고 하는데, 이는 그가 얼마나 한 가지 일에 집중했는가를 보여주는 것이기도 하다. 이후 멘델레예프가 예언한 에카알루미늄(현재는 갈륨(Ga)), 에카실리콘(현재의 저마늄(Ge))이 발견되었고, 예측한 성질과 일치하는 것이 확인되었다. 멘델레예프는 위대한 화학자로 인정받기 시작하였고, 새로운 원소들이 발견되면서 주기율표가 점점 완성되고 화학은 비약적으로 발전하게 되었다.

멘델레예프는 1906년 노벨 화학상 후보에 올랐지만 플루오린(F)의 분리에 성공한 앙리 무아상(Henri Moissan)에게 1표 차이로 밀려 노벨상을 받지 못했다. 이후 1907년에 사망하여 그는 노벨상을 탈 수 없었다. 주기율표에서 101번 원소인 멘델레븀(Md)은 멘델레예프의 이름에서 따온 것으로, 그의 이름은 주기율표에 남아 있다.

헬륨의 발견과 선스펙트럼

헬륨(He)은 공기보다 가볍고 비활성 기체이므로 폭발의 위험이 없어 풍선, 기구, 비행선 등에 이용된다. 또한 질소보다 혈액에 대한 용해도가 낮아 잠수병을 예방할 수 있어 심해 잠수부의 산소통에는 질소 대신 헬륨을 이용한다. 최근에는 초저온 냉각제로 헬륨이 이용되는데, 이는 헬륨의 끓는점이 매우 낮기 때문이다.

헬륨은 우리에게는 목소리를 변조할 수 있는 기체로 잘 알려져 있고, 우주에는 전체 원소의 1/4을 차지하는 풍부하게 존재하는 원소이지만 지구에는 존재량이 매우 적다. 헬륨의 발견 또한 지구에 존재하는 헬륨이 아니라 태양에서 오는 빛의 선스펙트럼을 분석 하던 중에 발견되었다.

헬륨의 존재를 처음 발견한 사람은 프랑스의 과학자 피에르 장센(Pierre Janssen, 1824 ~ 1907)이었다. 장센은 1868년 개기 일식 때 태양의 채층에서 나온 빛의 스펙트럼을 관찰하던 중 밝은 노란색 선을 발견하였는데, 처음에는 이 노란색 선이 나트륨(소듐, Na)에서 나온 것이라 생각하였다. 영국의 천문학자 조지프 로키어(Joseph Lockyer, 1836 ~ 1920) 도 이를 분석하였고, 그는 이 노란색 선이 아직 발견하지 못한 원소일 것이라 확신하게 되었다. 그래서 로키어는 그리스어의 태양 ‘Helios’에서 따서 ‘Helium(헬륨)’이라고 명명하였다. 이후 1882년 루이기 팔미에리(Luigi Palmieri, 1807 ~ 1896)가 베스비우스(이탈리아 소재) 화산암에서 헬륨을 검출하는데 성공하였고, 1985년 윌리엄 램지(William Ramsay, 1852 ~ 1916)는 우라늄(U) 광석에 갇혀 있는 기체를 분리하고, 이 기체가 헬륨임을 증명하였다.

물의 삼중점과 켈빈 온도

우리가 많이 사용하는 온도의 단위는 섭씨(℃)이다. 섭씨는 물이 끓는 온도를 100 ℃, 얼음이 녹는 온도를 0 ℃라고 한다. 섭씨 온도보다 먼저 탄생한 화씨(°F)는 얼음, 물, 염화암모늄(NH4Cl)이 안정하게 평형이 되어 있는 온도를 0°F, 물과 얼음이 섞여 있는 물에서 물이 어는 온도를 32°F, 인간의 체온을 96°F로 정했다.

국제 단위계에서 온도의 기본 단위인 켈빈(K)은 1개의 고정점을 사용하는데, 이것이 바로 물의 삼중점이다. 물을 구성하는 수소(H)와 산소(O)는 동위원소를 가지므로, 실제로는 빈 표준 평균 바닷물(Vienna Standard Mean Ocean Water, 일정 비율의 수소와 산소로 구성된 순수한 물)의 삼중점을 기준으로 한다. 1954년 국제도량형총회에서 켈빈(K)을 열역학적 온도로 정의하고, 물의 삼중점을 기본적인 고정점으로 하여 이 온도를 273.16 K로 하였다. 절대 영도는 이상 기체의 부피가 0이 되는 온도이며 실제로 이런 상태는 우주에 존재하지 않지만, 기체의 온도에 따른 부피 팽창 실험을 정밀하게 하여 알아낸 절대 영도는 –273.15℃이다. 그리고 물의 삼중점은 0.01 ℃이다. 그러므로 1 켈빈(K)이라는 간격은 절대 영도와 물의 삼중점의 1/273.16이며, 즉 온도가 1 켈빈(K) 상승하는 것과 1 ℃ 상승하는 것은 같다.

켈빈(K)에 대한 구체적인 내용은 B전시실에 ‘B03 과학의 알파벳, 기본단위는?’에서 ‘K’ 체험물에서 패널과 체험물의 체험을 통해 알 수 있다.

물의 전기분해와 도금

자발적으로 산화·환원반응이 일어나지 않는 물질에 전기에너지를 가하하여 비자발적인 반응을 일으키는 것을 전기분해라고 한다. 산화는 원자 혹은 분자가 전자를 잃는 반응이고, 환원은 전자를 얻는 반응이다.

원자와 분자들은 제각기 더 산화되기 쉬운 원자나 분자가 있을 수 있는데, 전자를 잃으면서(즉 산화되면서) 이온으로 변하는 경향을 이온화 경향이라고 한다.

물에 황산나트륨을 넣으면 황산이온과 나트륨 이온으로 나뉘게 된다. 황산이온(SO₄²⁻)은 음극에서 물보다 이온화 경향이 작으므로 물이 산화되어 수소이온(H⁺)이 생기게 되고, 나트륨이온(Na⁺)은 양극에서 물보다 이온화 경향이 크므로 물이 환원되어 수산화이온(OH⁻)이 생기게 된다.

반면 들어간 전해질의 금속이온이 물보다 이온화 경향이 작다면 물은 산화되고 금속이온이 환원되면서 음극에 금속으로 석출된다.

그래핀의 발견

그래핀은 구리나 알루미늄과 같은 금속보다 열전도성이 높고, 구리보다 전기 저항이 적다. 또한 강철보다 강도가 강하며, 유연성이 좋고, 접어도 전기 전도성을 잃지 않는다. 그래핀을 휘어서 탄소나노튜브나 풀러렌을 만들어 낼 수도 있어 초고속 반도체, 휘어지는 디스플레이, 웨어러블 컴퓨터, 전자 종이 등에서 활용될 것으로 기대되는 물질이다.

그래핀의 구조를 이해하기 위해서는 먼저 연필심으로 이용되는 흑연의 구조에 대해 알아야 한다. 흑연은 탄소 원자가 3개의 다른 탄소와 공유 결합하여 만들어진 육각형이 겹겹이 층을 이룬 모양인데, 흑연의 한 층을 분리해낸 것이 바로 그래핀이다. 이름도 흑연의 ‘graphite’에서 유래되었다. 그래핀을 흑연에서 분리해내는 방법은 매우 간단하다. 이 방법의 비밀은 바로 스카치테이프이다. 흑연 샘플에 스카치테이프를 붙이면 그래핀이 스카치테이프에 붙은 채 떨어지게 되는 것이다. 이 방법을 알아낸 안드레 가임(Andre Geim, 1958 ~ )과 콘스탄틴 노보셀로프(Konstantin Novoselov, 1974 ~ )는 이 성과로 2010년 노벨 물리학상을 받았고, 이들의 그래핀 분리법은 노벨상 역사상 가장 간단한 실험으로도 유명하다.

아기를 처음 보고 많이 하는 이야기 중 하나는 아기가 ‘부모중 누구를 닮았는가’이다. 우리가 한 명의 부모만으로 태어났다면 궁금하지 않았을 내용이다. 우리는 왜 두명의 부모를 두어야 하는 걸까?
 
유성생식 vs 무성생식

성별이 다른 짝을 찾아 함께 자손을 낳는 것을 유성생식이라고 한다.
짝을 찾는 노력이 필요하며 번식속도가 비교적 느리다는 단점이 있지만 유성생식의 결과로 얻어진 다양한 유전자 덕분에 생물들은 다양한 환경에 적응해 살아갈 수 있게 된다는 장점이 있다.
기존에는 단세포나 식물만이 무성생식을 한다는 고정관념이 있었으나 도마뱀이나 물고기와 같은 몇몇 척추동물이 단성생식이나 무성생식을 한다는 것이 발견되었다.

철은 지구에서 가장 흔한 금속 중 하나이지만 순수한 금속상태로 산출되는 경우가 거의 없어 철을 포함하고 있는 여러 광물들로부터 제련하여 얻는다.

동공반사란?

망막에 강한 빛이 비치면 반사적으로 동공이 축소되고, 반대로 빛이 약해지면 동공이 확장되는 것을 동공반사라고 한다. 중뇌는 홍채를 조절하고 안구 운동에 관여하기 때문에, 동공반사를 이용하여 의사가 의식이 없는 환자의 뇌손상 유무를 확인할 수 있다.

다양한 동공의 모습

동공은 외부의 빛이 망막의 시신경에 닿을 수 있도록 하는 통로이다. 동물들마다 다른 형태의 동공을 가지고 있는데, 환경적 요인에 의해 생존에 적합한 형태로 진화한 결과이다.
일자형 동공을 가진 고양이는 빛의 양을 효과적으로 조절하여 어두운 곳에서도 잘 볼 수 있으며, 수평형 동공을 가진 염소는 좌우 시야를 넓혀 포식자의 접근을 효과적으로 감시할 수 있다.

보색잔상효과란?

보색은 색상의 대비를 이루는  한 쌍의 색을 말한다. 우리의 눈은 빨간색, 녹색, 파란색을 민감하게 감지한다. 특정 색을 집중해서 보게되면 쉽게 피로해져 그 색에 대해 둔감해진다. 이때 시선을 돌리면 둠감해진 색의 보색관계에 있는 색만 남는 착시현상이 발생하는데, 이를 보색잔상효과 라고 부른다.

왜 수술복은 초록색일까?

의사들은 수술을 하면서 붉은색의 피를 계속 보기 때문에 보색잔상효과로 인해 집중력이 떨어질 수 있다. 보색잔상효과가 생기지 않도록 빨간색의 보색인 초록색 수술복을 입어서 사고를 예방한다.

현미경

육안으로 볼 수 없는 작은 것을 확대하여 관찰하는 장치이다.

광학현미경의 구조와 원리

조리개 위에 위치한 대물렌즈가 물질을 확대한 상을 만들어주고, 접안렌즈는 확대된 상을 더 확대하여 관찰할 수 있게 한다.

광학현미경의 배율 높이기

광학현미경을 고배율로 관찰할 때는 생물 현미경 오일을 사용한다. 오일은 빛의 굴절로 인해 분해능을 좋게 하여 물체를 더욱 또렷하게 관찰할 수 있게 도와준다.

특징에 따른 현미경의 분류

현미경은 광원이나 상의 종류에 따라 분류된다. 각 현미경 마다 용도가 다르기 때문에 실험에 적합한 현미경을 고르는 것이 중요하다.

소리를 듣는 방법

골전도

진동파   표피 ▶귀주변뼈, 머리뼈 ▶ 달팽이관 ▶ 청신경 ▶ 대뇌

공기전도

음파   귓바퀴 ▶ 귓구멍 ▶ 고막 ▶ 청소골 ▶ 달팽이관 ▶ 청신경 ▶ 대뇌

골전도의 활용

골전도를 이용하여 고막이 손상된 청각장애인에게 소리를 들을 수 있게 도와주는 보청기와, 소음이 심한 환경인 공사장애서 안전사고를 방지할 수 있으며, 군사 작전용으로 골전도 헤드폰이 널리 사용된다.

녹음된 목소리는 왜 다르게 들리지?

자신의 목소리는 낮은 음이 잘 전달되는 골전도 방법과 함께 공기 전도 방법 두 가지를 통해 들리는데, 녹음된 목소리는 공기를 타고 나오는 소리만 들리기 때문에 높은 음으로 들린다.