원우/세영이, 두 귀염둥이의 집

놀라운 프리젠테이션

Mon, 25 Jan 2010 10:41:59 +0900

동물 아이큐는 어떤 의미가 있을까?

Mon, 25 Jan 2010 09:58:55 +0900

동물 아이큐는 어떤 의미가 있을까?

[제 510 호/2006-10-13]

요즘 이런 뉴스들이 자주 들려온다. 붕어가 개보다 영리하고, 까마귀의 지능이 침팬지와 비슷하고, 돌고래의 지능이 애초 알고 있는 것 보다 훨씬 못하다더니 하는 이야기 등이다. 자료를 뒤져보다 코끼리 아이큐 150, 돌고래 190, 침팬지는 60, 제일 좋은 사람이 215라고 한다. 그런데 내 아이큐는 80이다. 거의 침팬지 수준이라는데, 난 가끔 전문적인 글들도 써 내고 있다. 그렇다고 IQ 테스트가 잘못됐다는 건 아니다. IQ 테스트에서 그 많은 문제를 풀기가 지겨워 한 번호로 돌린 죄가 있기 때문이다.

IQ측정은 ‘시험’이기 때문에 집중력이 강한 사람이 유리하다. 최근 발표된 여러 자료를 보면 IQ로 지능지수를 평가하는 것의 신뢰성이 흔들린다고 한다. 대안으로 EQ(감성지수), SQ(영성지수)등이 등장하기도 하지만, 이들 역시 수치화하기는 어렵다. 사람들의 상황이 이런데 동물들의 IQ를 측정하는 것이 가능한 것일까?

어떤 학자는 동물들 지능을 IQ 대신 ‘어린아이 나이’로 표현하기도 한다. 가령 침팬지는 4살 아이 정도, 개는 3살 아이정도의 지능을 가지고 있다고 하는 그런 식이다. 하나 요즘 애들은 조기교육의 영향으로 4살 때부터 영어나 한문도 척척 읽어내고 구구단을 외기도 하니 이 측정법도 쉽지는 않다.

인간과 비슷한 행동을 하는 것으로 판단하면 어떨까? 침팬지를 야생에 놓아두면 그저 천방지축 원숭이일 뿐이지만(막대기로 개미집 쑤시는 게 뭐 그리 대단한가?) 조련용으로 가르치면 언어를 인식하고 혼자 장보기까지 한다. 또 사람들을 잘 관찰하다가 생전 처음 본 물통의 마개를 돌려 열기도 하고 밤도 속껍질까지 까 먹는다. 일본원숭이들도 ‘침팬지쇼’ 정도는 하고 있다. 새끼를 잃은 원숭이는 상심으로 자살을 택하기도 한다.

다른 동물들도 마찬가지다. 곰들도 배고프면 일어서서 밥 달라고 일부러 박수치는 재롱을 부린다. 하이에나가 개처럼 길들여지고, 뱀이나 이구아나가 주인을 졸졸 따라 다니고, 닭이나 토끼도 고양이와 똑같은 재주를 부리기도 한다. 멧돼지가 달구지를 끌고, 코끼리가 사람 말을 흉내 낸다.

여러 동물들을 모아 놓으면 자기들끼리 서열(pecking order)을 정하여 평화롭게 공존하는 법을 알며, 공통육아가 보편적이고, 아픈 동물들끼리 동병상련하는 모습도 자주 볼 수 있다. 거의 모든 동물들이 사람을 각각 알아보고 사육사나 관람객들에게 판이한 반응을 보인다.

하지만 이들은 ‘머리가 좋은 동물’이라고 부르기 보단 ‘길들이기 쉬운 동물’이라고 부르는 편이 더 타당하다. 게다가 어미보다 새끼가 훨씬 더 잘 길들여진다. 그렇다고 새끼가 더 머리 좋다고는 할 수 없지 않는가!

20년간의 내 사육사 경험으로 보면, 동물들의 IQ를 측정하는 것은 사실 불가능하고 필요치도 않다. 서두에서 언급한 수치는 조련사나 사육사, 동물학자 같은 누군가가 근거없이 제시한 말들이 와전되어 내려 왔을 가능성이 크다.

동물들은 인간의 지능 측정 기준인 IQ와는 다른 지혜를 가지고 있다. 바로 ‘잘 살아남는 지혜’다. 사실에 근거해 있다는 전제하에 <시턴 동물기>를 보면 ‘늑대왕 로보’가 얼마나 교묘히 덫을 피해 다니고 무리를 잘 이끄는지, ‘회색곰 왈프’가 그 험난한 야생과 맞서 얼마나 영리하게 삶을 꾸려 가는지 적나라하게 알 수 있다. 그들은 야생에서 잘 살아남는 쪽으로 머리를 발달시켰을 뿐, 사람처럼 다른 이보다 우월하기 위해 머리를 쓰지 않는다는 차이가 있을 뿐이다.

동물들은 생각이 많을수록 여러모로 불리해진다. 적이 가까이 오면 무조건 달리기 시작해야 하고 먹잇감이 있으면 일단 덤벼들고 보아야 한다. 호랑이가 고독에 몸부림 치고, 하이에나가 식중독을 염려하고, 사자가 먹잇감 앞에서 측은지심을 발휘한다면 그들은 그때부터 무리에서 쫓겨나거나 살아남기 힘들어 진다.

동물들은 지능이 낮아서 생각을 못하는 게 아니라 그럴 필요가 없기 때문에 생각하지 않는 것이 아닐까. 미래의 어느 시점에 사람주변에 편안히 살던 동물들이 서서히 생각을 갖기 시작하고 마침내 자기들이 ‘벌거벗은 원숭이’인 사람보다 훨씬 우월하다는 걸 깨닫게 되는 날이 올 지도 모르겠다. (글 : 최종욱 야생동물 수의사)

암모니아 합성법의 두 얼굴

Tue, 19 Jan 2010 11:00:23 +0900

암모니아 합성법의 두 얼굴

[제 860 호/2009-01-07]

미국 맨하탄프로젝트의 수장이었음에도 원폭 투하 후 참회의 인생을 살았다는 오펜하이머, 그와 함께 맨하탄프로젝트에 참여했던 세계 물리학계의 거장 닐스 보어의 이야기를 들으면 과학은 누가 어떻게 이용하느냐에 따라서 이중적 모습을 보이는 야누스의 얼굴이라 할 수 있다. 산업혁명 후 인구 증가에 의한 식량 부족을 해결하고 동시에 제1차 세계 대전 때 독일을 위해 독가스 개발에 참여했던 과학자 프리츠 하버 또한 그러했다.

19세기 유럽의 폭발적인 인구 증가는 자연스레 유럽에 기존 농업 방식으로는 해결하지 못한 식량문제를 야기했다. 땅속의 질소 화합물은 식물이 자라는 데 필수요소인데, 식량이 더 필요할수록 자연스레 질소 화합물의 양은 줄어들게 된다. 그 시기 이를 대신할 질소화합물은 칠레산 초석이었으나 대부분 수입에 의존했고 그나마도 고갈되어 가고 있었다.

이 문제를 해결하기 위해 우선 과학자들은 산화질소라는 화합물을 만들 방법을 찾기 시작했다. 번개가 칠 때 우연히 산화질소(NO)가 만들어진다는 사실을 발견했기 때문이다. 즉, 전기를 이용하면 질소 화합물을 만들 수 있다는 것이다. 그런데 이때 필요한 전기 스파크 온도가 2,000도~3,000도의 고온이었기에 현실성이 없었다.

이때 과학자들은 공기의 약 80%를 차지하는 질소를 수소와 반응시켜 암모니아로 합성하는 방법을 그 대안으로 생각하고 있었다. 많은 연구가 있었지만 공기 중의 질소를 이용해 비료를 만드는 방법은 대부분 개발한다 해도 경제성이 없거나 실현 불가능한 것들이었다. 다른 한 편에서는 질화 칼슘과 수소를 고온에서 반응시켜 암모니아를 생산해 내는 방법이 연구 중이었지만 투입되는 양에 비해 생산량이 너무 적어 이 또한 큰 반향을 얻지 못했다.

이런 상황에서 1905년 하버가 1,000도에서 철을 촉매로 사용해 질소와 수소로부터 암모니아를 합성하는 데 성공했다는 것은 대단한 발견이었다. 처음에 하버도 산화질소를 만드는데 관심을 가졌다고 한다. 그런데 그 방법이 앞서 말했듯 현실성이 없어서 암모니아를 만드는 쪽으로 선회한 것이다.

하버는 암모니아를 만들 때 높은 압력을 가하는 방법을 사용했다. 이는 ‘르 샤틀리에의 법칙’에 따른 것이다. 어떤 반응이 진행된 후 평형상태에 도달하면 더 이상 반응은 일어나지 않는데 이 평형상태에서 어떤 교란 요소를 가미하면 그 교란 작용을 최소화하는 방향으로 반응이 일어난다는 것이다. 예를 들어 압력이 증가하면 반응은 압력을 최소화하는 방향으로 일어난다. 이때 질소와 수소가 차지하는 부피가 암모니아가 점유하는 부피보다 2배가 더 크다. 그러므로 반응은 부피를 줄여서 압력을 줄이는 방향 즉 암모니아가 생성되는 방향으로 일어나게 된다. 즉 높은 압력을 가해서 암모니아의 생산량을 높일 수 있는 방법을 하버가 생각해 냈다.

이런 결과에 대해 사람들이 관심을 가지게 된 것은 어찌 보면 당연한 일이었다. 부단한 연구 끝에 촉매를 오스뮴 가루로 바꿔 1,000도에서 500도로 생성 온도를 낮춰 암모니아를 생성할 수 있게 되면서 하버는 경제성과 현실성 있는 암모니아 합성법을 완성시켰다.

이에 힘입어 하버는 한 비료회사와 합작해서 하루 20t 이상의 암모니아를 생산하기에 이르렀고 그에게는 인간의 식량난을 해소한 위대한 과학자라는 칭호도 따라 붙었다. 그 공로를 인정받아 1918년에는 노벨 화학상을 수상했다. 물론 그에게는 부도 따랐다. 엄청난 기술료를 비료회사로부터 받았기 때문이다. 그러나 이 암모니아 합성법은 또 다른 얼굴을 가지고 있었다. 바로 무기 개발에 활용된 것이다. 핵이 원래는 인류를 위해서였지만 핵폭탄으로 인간에게 해를 주듯 암모니아 합성법도 그러했다.

제1차 세계대전이 길어지자 독일은 탄약 원료인 니트로글리세린이 부족하게 되었다. 이때 하버의 암모니아 합성법을 활용해 대량의 질산을 생산함으로써 그 문제를 해결한 것이다. 전쟁이 나자 하버는 전쟁을 지원하는 화학부서의 책임을 맡아 무기 개발 연구를 시작했다. 그의 부서에는 TNT 원료와 고성능 수류탄 연구, 탄약의 원료인 질산염 연구 등 다방면에 걸친 연구가 진행되었다. 말 그대로 살상용 무기를 만드는 과학자로 변신을 하게 된 것이다.

즉, 인류의 식량 문제를 해결하려고 했던 암모니아 합성법이 오히려 인간에게 해를 주는 살생용 무기로 탈바꿈한 것이다. 하버는 이에 그치지 않고 염소를 이용해 독가스를 개발했는데 그에게 ‘독가스의 아버지’라는 오명은 여기에서 기인한 것이다. 독가스 사용은 고착 상태에 빠진 전쟁을 전환하려는 수단으로 독일이 생각해 낸 악수였다. 물론 이 독가스 개발에도 하버의 능력과 조직이 필요한 것은 어찌 보면 당연한 일이었다.

염소는 독성이 강한데다 널리 퍼뜨릴 수 있고 영하 32도가 되어야 액체로 변하기 때문에 추운 날씨에도 투입이 가능한 강력한 무기다. 이후 하버의 연구진은 포스겐과 비소, 청산을 함유한 유기화합물을 독가스로 활용했는데 이는 염소보다 독성이 훨씬 강했다.

이러한 독가스로 인해 연합군 병사들은 무수히 죽어갔고 전쟁의 향방은 독일의 승리로 매듭짓는 듯했다. 그러나 독일의 바람대로 되지는 않았다. 왜냐하면 연합군 측에서도 이에 대응하는 독가스와 보호 마스크를 개발하여 전투에 임했기 때문이다. 결국 독가스 전쟁은 양측 모두에게 큰 피해를 가져다주었다.

암모니아 합성법이 두 얼굴을 가진 것과 마찬가지로 개발자인 프리츠 하버 또한 두 얼굴을 가지고 있었다. 그는 원래 유대인이었다. 그러나 그는 유대인으로서의 정체성을 버리고 독일인보다 더 독일인답고 싶어 했다. 유대인이라는 사실이 출세에 장애가 된다는 이유로 기독교도가 되었고 독일 국민임을 스스로 자부하며 살았다. 그러나 이러한 과정에서 그의 아내는 자살을 했고 향후에는 자신이 그토록 사랑했던 독일로부터 배신을 당하기도 했다. 또한 ‘독가스의 아버지’ 답게 향후 전범자 명단에 올라 숨어다니기까지 했다.

결국 그는 스위스의 어느 초라한 호텔방에서 심장마비로 생을 마감했다. 엄청난 부와 명성, 명예를 얻은 과학자이자 노벨상 수상자인 프리츠 하버의 말로는 초라했다. 제1차세계대전 이후 하버는 전범으로 이름이 올랐고, 인류의 기아를 해결한 위대한 과학적 발견의 공은 전쟁이라는 그늘에 묻혀버렸다. 두 얼굴의 과학자 프리츠 하버의 일생은 우리가 과학을 어떻게 이용해야 하는지 다시 한번 생각해보게 한다.

글 : 임성아 과학칼럼니스트

가로수로 뽑히려면 5가지가 필요하다?

Mon, 04 Jan 2010 10:18:43 +0900

가로수로 뽑히려면 5가지가 필요하다?

[제 704 호/2008-01-09]

딱딱한 건물들, 성냥갑마냥 똑같은 아파트, 단조롭게 생긴 도로들. 이런 도심에 가로수조차 없다면? 도시인의 일상은 무척 지루했을지 모른다. 하지만 가로수 덕분에 도시인도 사계절의 변화를 느낄 수 있다. 봄의 신록은 생명의 약동을 느끼게 하며, 여름의 성록은 시민들에게 시원한 그늘을 제공한다. 가을의 단풍은 색채 향연을 음미하게 하고, 겨울의 앙상한 가지는 인생을 되돌아보는 성찰의 시간을 갖게 한다.

최근 서울시는 율곡로, 강남대로 등 10개 간선도로를 ‘가로수 10대 시범가’로 지정하고 올해부터 2023년까지 단계적으로 특정 나무만 심은 거리를 만들기로 결정했다. 이에 따라 강남대로에는 마로니에로도 불리는 칠엽수, 신촌로는 목련, 영동대로와 동1ㆍ2로는 느티나무, 경인로는 중국단풍, 수색로는 벚나무, 율곡로는 회화나무, 왕산로는 복자기, 한강로는 대왕참나무, 남부순환로는 메타세콰이어를 심을 계획이다.

그런데 과일나무는 맛있는 과일이 열려야 하고, 조경나무는 멋지게 생겨야 하는 것처럼 가로수가 되는데도 특정한 조건이 필요하다. 가로수가 되려면 어떤 조건이 필요할까?

우선 기후와 풍토에 알맞은 수종이어야 한다. 우리나라는 국토가 넓지는 않지만 남북으로 길어 나무가 살아가는데 적합한 환경 요인의 편차가 크다. 제주도와 남쪽 도서, 남해안 일대는 소위 난ㆍ온대지역이라 상록활엽수종이 주된 식생을 이룬다. 제주공항에 내리면 열대성 수목인 야자나무가 도로 양편에 심어져 이국적인 풍경을 자아낸다. 반면 서울은 온대 중부지역으로 낙엽활엽수종이 주된 식생을 형성하고 있다. 풍토에 적합한 수종을 심어야 별 탈없이 잘 자란다.

그리고 잎의 크기가 클수록 좋다. 전 세계가 가로수로 가장 많이 심은 플라타너스는 매우 넓은 잎을 가지고 있다. 플라타너스의 넓은 잎은 자동차 소음을 막아주고 매연이나 먼지를 흡수하는 기능이 뛰어난 것으로 알려져 있다. 잎이 넓으면 여름에 짙은 녹음을 만들어 시원한 그늘을 만들고, 가을에 바닥에 떨어진 나뭇잎을 청소하기 유리하다. 강남대로에 심게 될 칠엽수나 신촌로의 목련도 잎의 크기가 둘째라면 서러운 나무들이다.

가로수는 도시의 햇볕, 건조, 열, 대기오염과 같은 온갖 스트레스를 이겨내야 한다. 이런 불리한 환경에서도 살아남을 수 있고 병충해에 강한 나무가 가로수로 선택된다. 동1ㆍ2로와 영동대로에 심어질 느티나무는 상대적으로 대기오염에 약한 나무로 알려져 한 동안 가로수에서 제외돼 왔다. 하지만 최근 서울시의 대기오염이 줄면서 도심의 생태공원이나 도로변에 느티나무를 심는 곳이 많아졌다.

더불어 가지를 끊어 나무 모양을 다듬어줄 때 견뎌 내는 힘이 있어야 한다. 우리나라 국민들이 정서적으로 가장 좋아하는 나무는 소나무지만 가로수로 심어진 소나무는 찾아보기 어렵다. 소나무는 나무의 모양을 조절하기 어렵기 때문이다. 소나무 같은 침엽수는 옆으로 자란 가지를 자르면 위로 치솟고, 위로 자라는 가지를 자르면 옆으로 줄기가 펴져 자란다. 나무의 모양을 맘대로 만들기 힘들다. 반면 플라타너스나 버드나무는 주변의 간판이나 전선을 피해 가지를 잘라줘도 생육에 아무런 지장이 없다.

그리고 당연한 얘기지만 이상한 냄새나 사람에게 해로운 물질을 만들어내지 않아야 한다. 은행나무는 가로수로 매우 적합하지만, 가을마다 썩은 냄새를 풍기는 열매를 거리에 떨어뜨린다. 또 버드나무도 봄철에 하얀 솜털처럼 보이는 종자를 흩날려 시민들에게 불쾌감을 준다. 하지만 방법은 있다. 이들 나무는 꽃가루를 만드는 수나무와 열매를 만드는 암나무로 나뉜다. 열매가 문제이기 때문에 수나무만 골라 심으면 된다. 이렇게 하면 불쾌감을 주지 않으면서 은행나무의 노란 단풍과 여인의 흩어진 머릿결 같은 버드나무의 모습을 감상할 수 있다.

나무가 있는 길을 가는 사람의 마음은 품 넓은 나무를 닮게 된다. 남부순환로를 걷는 사람은 키 큰 위용을 자랑하는 메타세콰이어의 웅장함을 닮고, 왕산로를 걷는 사람은 일반 단풍나무보다 더 붉게 물드는 복자귀의 화사함을 닮을 것이다. 가로수는 항상 제자리에 맴돌고 있는 것 같지만 항상 변화하고 있다. 가로수 덕분에 도시인도 자연의 따스함을 배우게 되는 것은 아닐까. (글 : 서금영 과학칼럼니스트)

100년 후, 한국에 겨울이 사라진다

Mon, 14 Dec 2009 09:35:37 +0900

100년 후, 한국에 겨울이 사라진다

[제 1021 호/2009-12-14]

‘남산 위에 저 소나무 철갑을 두른 듯~ 바람 서리 불변함은 우리 기상일세’라고 노래했던 애국가 2절 가사를 바꿔야 할지도 모른다. 지구온난화가 지금과 같은 속도도 진행되면 남산 위에서 소나무를 못 볼 수도 있기 때문이다.

지구의 온도가 조금씩 높아지면서 한반도의 기후도 달라지고 있다. 지난 100년 동안 전 세계 기온은 0.7도 상승했지만 한반도는 1.7도가 오르는 등 한국의 평균기온 변화는 전 세계의 변동 폭보다 크다. 특히 앞으로 20~30년은 지금까지 올라갔던 속도보다 훨씬 더 빨라질 것으로 보인다. 100년 뒤에는 ‘아열대 기후’에 속하게 될지도 모른다는 한반도, 그 해 겨울 풍경은 어떻게 달라질까.

우리나라는 1912년부터 2008년까지 기온이 1.7도 상승했고, 강수량이 19% 증가했다. 이에 겨울과 봄의 기온이 높아졌고 겨울은 한 달 정도 짧아졌다. 그래서 여름이 빨리 오는 것처럼 느껴지기도 한다. 전체적으로 기온이 올라갔으므로 얼음이 어는 결빙일과 서리가 내리는 날도 줄어들었다. 대신 밤 기온이 25도 이상 올라가는 열대야가 늘었으며 강수량은 특히 여름에 증가하고 있다.

이런 기후 변화의 영향으로 육지에서는 사과나 농작물의 재배지역과 곤충이나 새들의 서식지가 북상하고 있다. 특히 사과의 재배 한계선은 기존 경북지역에서 강원도 영월과 평창, 영서북부 지역인 양구까지 올라갔다. 바다에서는 명태 등의 한류성 어종이 줄고 오징어와 같은 난류성 어종이 늘어났다.

UN 산하의 정부간기후변화협의체(IPCC)의 4차 평가보고서에 따르면 1906년부터 2005년 사이에 지구의 평균기온은 0.74도 상승했다. 이들은 21세기의 온난화 진행 속도가 20세기보다 3~6배 또는 그 이상 빠르게 나타날 것으로 예상하고 있어 자연재해와 생물의 멸종 등 전 지구에 심각한 영향이 생길 것을 짐작케 한다.

IPCC의 예상처럼 온난화가 계속 진행되면 100년 뒤인 2100년에는 이산화탄소의 농도가 2000년의 2배가 된다. 따라서 한반도의 기온은 4도 정도 올라가고, 강수량은 17% 정도 증가하게 된다. 남부지방뿐 아니라 중부내륙을 제외한 지역도 ‘아열대 기후’로 바뀌게 되는 것이다. 물론 2100년이라고 하면 대부분의 사람들은 아주 먼 미래라고 생각한다. 그러나 지금 청소년들이 2100년까지 살아있다고 생각한다면 기후변화 문제가 더 이상 남의 얘기가 아님을 실감할 수 있다.

기온이 지금보다 4도 정도 올라가게 되면 남부지방에서는 우리가 생각하는 겨울을 볼 수 없다. 부산의 기후는 지금의 홍콩과 비슷해져 비가 잘 오지 않고 맑고 쾌청한 하늘을 볼 수 있게 된다. 당연히 겨울에 난방에너지 수요는 줄고 여름에 냉방에너지 수요는 늘어난다.

상점에서 파는 과일이나 야채의 종류도 나오는 시기가 달라진다. 사과는 강원도 고랭지에서 재배하거나 북한에서 수입해 온 것을 판매하고, 우리나라에서는 아열대 과일 종류를 재배하게 될 것이다. 또 부산의 동백섬에서 동백이 종려나무와 같은 아열대 수종으로 바뀌고, 지금 우리에게 익숙한 곤충이나 새들 대신 아열대에서 사는 생물종이 부산에서 살게 된다.

100년 뒤 중부지방의 기후는 서귀포의 모습을 떠올려보면 된다. 현재 서울과 서귀포의 평균 기온의 차이가 4도이기 때문이다. 1970년대 겨울철만 해도 어디서든 볼 수 있었던 스케이트장과 한강 얼음 위에서 썰매 타는 아이들은 과거의 사진에만 존재할 것이다. 또 스키나 보드가 겨울철 스포츠라고 하던 지금의 모습을 찾을 수 없을지 모른다.

<온난화가 계속될 경우 한반도에 분포하는 나무종이 달라지게 된다. 그래프에서 볼 수 있듯이
침엽수의 분포지는 북상해 줄어들게 되며 활엽수와 혼합림의 분포는 늘게 된다. 자료제공 동아일보>

생태계에서도 변화가 일어난다. 우리나라 고유 생물종은 멸종하거나 북쪽으로 서식지가 이동할 것이다. 전염병과 병충해의 종류도 달라지고, 식량 확보를 위해 새로운 품종도 도입해야 할 가능성이 있다. 뿐만 아니라 생활습관이나 풍습도 변한다. 겨울방학이 짧아지는 대신 여름방학은 길어진다. 또 항상 신선한 채소를 구할 수 있기 때문에 김장을 하는 모습도 살펴볼 수 없다. 차례상에서 북어는 사라지고, 사과나 배가 아닌 망고나 파파야를 올리게 될 것이다.

이러한 변화는 단순히 무엇이 달라진다는 것에 그치지 않는다. 온난화가 지속되면 자연재해에 의한 피해가 증가하게 된다. 호우 발생빈도가 증가해 홍수뿐 아니라 산사태도 많아지고, 또 강수량의 증가가 뚜렷하지 않은 겨울과 봄에는 기온 상승으로 가뭄이 자주 나타날 수 있다. 바닷물의 온도가 상승해 태풍의 세기가 강화될 가능성도 높아진다. 또 해수면이 상승해 서해안과 남해안의 갯벌은 사라질 위기에 처할 것이다.

기후변화 문제에서 가장 우려되는 것은 기후변화를 피할 수 없을 뿐만 아니라 속도가 더 빨라진다는 점이다. 1990년 이후 이산화탄소 배출량은 40% 증가했으며 최근에는 IPCC가 정한 최악의 온실가스 배출 시나리오(A1FI 시나리오)와 유사하게 배출량이 증가하고 있다. 온실가스의 배출이 증가할수록 기온 상승폭은 커진다.

100년 뒤 한반도에서도 행복하게 살기 위해 우리는 두 마리 토끼를 쫓아야 한다. 빠르게 변하는 기후에 따른 피해를 줄이는 조치를 하고, 지금부터라도 적극적으로 에너지 사용을 줄여야 한다. 그것만이 기후변화에 대응하는 길이다.

글 : 권원태 국립기상연구소 기후연구과장

진화론, 어디까지 진화했나?

Mon, 23 Nov 2009 10:00:49 +0900

진화론, 어디까지 진화했나?

[제 1012 호/2009-11-23]

[편집자 주 - 1859년 11월 22일은 다윈이 ‘종의 기원’을 출간한 날입니다. 진화론의 탄생은 세계 인류를 뒤흔든 사건 중 하나였고, 아직까지 사회 각 부분에 영향을 미치고 있습니다. 진화론 탄생 150주년을 기념해 다양한 분야에 적용되는 진화론에 관한 글을 마련했습니다.]

1991년 빙그레 이글스와 해태 타이거즈 간 야구경기 한 장면. 이글스의 투수 송진우는 8회 2아웃까지 퍼펙트 행진을 벌이고 있었다. 한국프로야구 역사상 최초로 수립될지 모를 대기록에 수많은 이목이 집중됐지만 결국 파울플라이 실책과 볼넷으로 무산되고 만다. 이후 1997년의 정민철, 2007년 다니엘 리오스 등 많은 투수가 도전했지만 28년 한국 프로야구의 역사에서 아직 퍼펙트게임은 난공불락의 고지다. 미국에선 17번, 일본에선 15번이나 있었던 기록이 왜 한국에서는 탄생하지 않는 것일까?

퍼펙트게임이 투수의 최고 기록이라면 4할 대 타율은 타자의 최고 기록 중 하나다. 이 역시 프로야구 원년을 제외하고는 나오지 않고 있다. 다윈 이후 최고의 진화생물학자로 평가받는 학자 중 하나인 스티븐 제이 굴드도 우리와 비슷한 미국 상황에 답답했던지 이를 진화론으로 설명한다.

굴드의 견해를 따른다면 생명체의 시스템이 갖춰지기 시작할 때는 여러 변이들이 폭발하지만 시스템의 수준이 향상되는 과정에서 변이는 감소하고 종의 특성은 전체적으로 평균화된다. 이런 생명의 진화과정은 야구에서도 비슷하다. 야구가 시작되던 20세기 초만 해도 4할 타자를 비롯한 숱한 변이적 기록이 양산됐지만 점차 시스템이 안정화되자 4할 타자라는 변이는 급속히 사라졌다. 이에 따른다면 투수의 분업체계가 정착하고 타자의 기술이 발전해 야구 기록이 안정화된 것이다.

야구뿐 아니라 다른 기록 스포츠도 종목의 도입기에 신기록이 쏟아지지만 시간이 지나면서 신기록의 갱신 빈도는 줄어든다. 그러고 보니 일본에서도 1978년 이후 단 한 번 퍼펙트게임이 있을 뿐이다.

이러한 해석은 굴드가 주장하는 진화론을 설명하기 위한 하나의 사례다. 굴드는 원숭이가 어떻게 사람으로 바뀔 수 있냐는 세간의 우문에 대해 ‘우연이 개입한 생명체의 폭발적 등장’이라는 가설로 해답을 내렸다. 즉, 생물 종들이 상당기간 안정적인 상태를 유지하다 특정한 시기에 급격한 종분화를 이뤘다는 것. 생물 종의 진화가 비교적 짧은 시간에 급격히 이뤄졌다는 이 ‘단속평형설’은 굴드와 리처드 르원틴이 대표적으로 주장하고 있다.

물론 굴드의 견해만이 진화론을 대표하는 것은 아니다. 이들의 반대편에는 에드워드 윌슨과 리처드 도킨스, 스티븐 핑커 등의 굵직한 학자들이 포진하고 있다. 이들의 견해는 진화론의 기초적 개념인 ‘자연선택’을 보는 관점부터 다르다. 환경에 유리한 것만 후대에 전달된다는 자연선택으로는 종의 형질이 변하지 않는다는 것이 굴드의 주장인 반면 도킨스 쪽에서는 자연선택의 힘을 더 강조하는 주장을 펼친다.

도킨스는 자연선택을 ‘눈먼 시계공’에 비유한다. 생물의 진화 과정은 시계공이 정해진 설계도에 따라 부품을 조립하는 것처럼 이뤄지는 것이 아니라, 설계도조차 볼 수 없는 장님이 더듬더듬 부속을 끼워 맞추는 식으로 진행된다는 것이다. 결국 자연선택의 결과로 나타난 생명체가 마치 실력 좋은 시계공이 설계하고 만든 것 같지만 자연선택은 아무 것도 계획되지 않고 진행되는 과정이라는 것이다. 그 과정에서 살아남은 유전자만이 후대에 전달된다.

<찰스 다윈은 1859년 11월 22일 영국에서 ‘종의 기원’을 펴냈다. 이 책은 1858년 7월 린네 학회
에서 발표한 진화론 논문을 요약한 것으로, 생명의 기원과 발전을 생존 경쟁과 변이 현상 등
자연선택설로 설명했다. 초판 발행 후 창조론과 갈등을 빚었지만 세상에는 큰 반향을 일으켰다.
사진제공. 동아일보.>

이렇게 ‘종의 기원’ 출간 이후 진화론은 내부적으로도 뜨거운 논쟁을 계속해왔다. 하지만 생존과 번식에 유리한 유전자만이 살아남는다는 유전자 선택론이 집단이나 종의 선택과도 통할 수 있다고 밝혀지면서 굴드파와 도킨스파 간의 간극은 점점 줄어들고 있다.

진화론은 자연과학의 영역을 넘어 다른 분야로 진화해 가는 데 그 가치를 찾을 수 있다. 과거에 진화론은 사회진화론이나 우생학과 같은 수준으로 엉뚱하게 이용되기도 했지만 이제는 생활 속에 파고들면서 참신한 아이디어를 제공한다. 에드워드 윌슨이 제창한 ‘사회생물학’이 그 대표적인 예다.

사회생물학은 희생적 행동, 사회적 협력, 일부다처제 등 인간의 흥미로운 사회적 행동을 ‘자연선택에 대한 적응’이라는 진화론적 과정으로 파악하려 한다. 여기서 나온 진화심리학은 외부환경이 인간의 존재와 사고방식을 결정한다는 등의 기존 심리학을 모두 거부한다. 그리고 마음의 뿌리를 찾고, 인지구조가 어떻게 이뤄졌는지에 대해 연구한다. 인간의 마음은 뇌의 작용에서 나온 것이고 이것은 진화에 살아남기 위한 적응방식이라는 것이다.

행동경제학, 신경경제학 등의 진화경제학에서는 경제행위자인 개별 인간의 본성에 주목한다. 이들에 따르면 개인은 언제나 합리적이지는 않다. 현실에서 사람은 편견에 빠지거나 잘못된 결정을 내리는 경우도 많으며, ‘절대적 최선의 길’을 택하기보다 ‘충분히 좋은’ 결과를 찾곤 한다는 것이다.

<행동경제학에서 인용되는 ‘죄수의 딜레마 이론’을 설명하기 위한 도표. 갑과 을이 모두 묵비권
을 선택할 경우 둘 다에게 유리하지만 보통은 둘 다 자백을 선택하게 된다.>

‘죄수의 딜레마 이론’이 대표적인 사례다. 공범 혐의가 있는 갑과 을 두 명이 심문을 받고 있다고 가정하자. 이들은 각기 다른 방에 있고 갑과 을은 자백과 묵비권 두 가지를 선택할 수 있다. 위의 표처럼 갑과 을 모두 묵비권을 행사한다면 1년 형이 되지만 보통은 두 명 모두 자백해버린다. 이러한 선택은 생물학적 진화 과정에서 생성된 협력행동과 맞닿아 있다.

진화심리학과 진화경제학은 기존 학문에 많은 대안을 제시하면서 이미 독립된 학문영역으로 자리 잡고 있다. 앞으로 진화론의 영역은 어디까지 확장되어 갈수 있을까. 에드워드 윌슨이 주장하는 것처럼 사회과학과 예술을 아우르는 진화론적 통섭의 시대가 열리게 될지도 모르겠다.

글 : 한상헌 과학칼럼니스트


		KISTI NDSL(과학기술정보통합서비스) 지식링크 ○관련 논문 정보 진화하는 진화론[바로가기] 진화론 탄생 150년[바로가기] 진화론적 이타주의의 개념적 난점과 윤리학적 함축[바로가기] ○관련 특허 정보 가축화된 식물 및 동물에서 폴리뉴클레오타이드 및폴리펩티드 시퀀스의 진화론적으로 유의한 변화를동정하는 방법(한국공개특허)[바로가기] 두툽상어의 막단백질 형태-기질 메탈로프로테인아제를 코딩하는 CDNA (한국공개특허)[바로가기] 방풍의 종간 유전자 감별 키트(한국등록특허)[바로가기] ○해외 동향분석 자료 인간의 사회적 네트워크의 유전적인 영향 - 2009년 [바로가기] 자연의 집단 이동을 브라운 운동으로 설명 - 2009년 [바로가기] 진화생물학의 새로운 동물모델 - 2009년 [바로가기]

인류에게 X선을 선물한 뢴트겐

Tue, 17 Nov 2009 16:39:23 +0900

인류에게 X선을 선물한 뢴트겐

[제 1007 호/2009-11-11]

X선이 처음 발견됐을 때 해부하지 않고도 사람의 뼈를 볼 수 있다는 사실에 시민들은 경악했다. 신문 매체들은 연일 X선의 발견으로 다가올 어두운 미래를 보도하며 많은 오해를 불러 일으켰다. X선이 개인의 사생활을 침해할지도 모른다는 우려 때문이었다. 영국의 어느 란제리 제조업체는 “이 속옷이 X선을 통과시키지 않음을 보증합니다”고 광고할 정도였다.

X선은 독일의 물리학자 빌헬름 뢴트겐(1845~1923)에 의해 우연히 발견됐다. 1895년 11월 8일 저녁, 뢴트겐은 암실에서 음극선관을 두꺼운 검은 마분지로 싸서 어떤 빛도 새어나올 수 없도록 했다. 그러나 음극선관에 전류를 흘려보내자 몇 미터 떨어진 책상 위에서 밝은 빛이 빛나고 있었다. 그곳에는 백금시안화바륨을 바른 스크린이 놓여 있었다.

음극선관을 검은 종이로 감쌌기 때문에 음극선이 새나갈 이유는 없었다. 그렇다면 어떤 무엇이 음극선관으로부터 검은 종이를 통과해 밖으로 새나간 것이다. 뢴트겐은 음극선관에서 형광을 띠는 새로운 종류의 ‘선(ray)’이 나왔다는 사실에 주목했다. 새로운 형태의 에너지인데 빛처럼 직선으로 전파되기 때문에 선이라 불렸다.

그는 음극선과 스크린 사이에 검은 마분지 대신 나무판자, 헝겊, 금속판 등을 바꿔가며 실험을 반복했다. 그 결과 이 선은 1000쪽에 이르는 책을 통과하는 것은 물론 나무와 섬유, 고무를 포함해 수많은 물질을 통과했다. 하지만 1.5mm이상 두께의 납은 통과하지 못했다. 여기서 그는 기발한 아이디어를 생각해 냈다.

X선에 사진 인화(printing)의 원리를 접목한 것이다. 당시 사진은 유리나 셀룰로이드 같은 불투명한 건판에 화학반응을 일으키는 감광물질을 바르고 빛을 쪼여서 얻었다. 이 때 필름에 쪼여지는 빛의 세기에 따라 감광반응을 일으키는 정도가 달라 흑백 명암으로 그림이 그려진다. 만약 어떤 물체에 X선을 통과시킨다면 X선이 통과되는 양에 따라 흑백 명암이 다르게 나타날 것이고 그는 가설을 세웠다.

이 가설을 검증하기 위해 뢴트겐은 아내를 설득해 음극선관과 건판 사이에 손을 놓아보라고 했다. 스위치를 누르고 건판을 현상해 보니 뼈의 윤곽은 뚜렷하게, 뼈 부근의 근육은 희미하게 그려져 있었다. 역사상 처음으로 살아있는 사람의 뼈가 사진으로 찍힌 순간이었다. 수학에서 모르는 양을 흔히 X로 표시하듯 뢴트겐은 이 빛을 X선이라고 이름 붙였다.

12월 28일 뢴트겐은 ‘새로운 종류의 광선에 대하여’라는 제목으로 뷔르츠부르크 물리학·의학협회에 논문을 제출했다. 50세가 넘은 1895년 초까지 크게 주목받지 못한 48편의 학술논문을 발표했던 뢴트겐이 일약 세계적으로 유명한 과학자가 되는 순간이었다. 논문 발표 1년 만에 X선에 관한 논문이 1000편, 단행본이 50권 가량 출판됐다. 1897년에는 뢴트겐협회가 결성됐고, 뢴트겐은 1901년에 제1회 노벨 물리학상까지 수상했다.

<왼쪽 사진은 륀트겐 부인의 손을 x선으로 촬영한 모습. 동그란 것은 반지다. 오른쪽 사진은
독일의 물리학자 빌헬름 콘라트 뢴트겐의 모습. 사진제공. 동아일보>

사실 X선은 뢴트겐보다 앞선 여러 과학자에 의해 발견될 기회가 많았다. 윌리엄 크룩스나 필립 레나르트는 가능성이 가장 높은 후보였다. 실제로 크룩스는 음극선 주변에서 사진 건판이 흐려지는 것을 매번 불평했고, 레나르트는 음극선관 부근에서 발광 현상을 관찰했다.

그러나 이들은 실험 장치에서 이상한 광선이 발생하면 그 원인을 궁금하게 생각하지 않고 실험 장치에 문제가 있다고 여겼다. 그래서 실험 장치 제작자에게 항의하는 것으로 그쳤다. 이와 달리 뢴트겐은 예상치 못한 결과에 대해 그 원인을 밝히려고 노력한 끝에 최초 X선 발견자라는 영예를 안았다.

X선이 알려지자 외과의사들이 많은 관심을 보였다. 뢴트겐 아내의 손가락 뼈 사진 덕분에 X선을 이용하면 사람의 몸 안을 들여다 볼 수 있을 것이라고 생각했다. 1899년 1월 20일 베를린의 한 의사가 손가락에 꽂힌 유리 파편을 X선으로 찾아냈고, 2월 7일에는 다른 의사가 X선으로 환자의 머리에 박힌 탄환을 확인했다.

X선의 발견은 의학 발전에만 국한되지 않았다. 뢴트겐의 발견에 자극 받은 프랑스 물리학자 앙투안 베크렐은 우라늄에서 최초로 방사선을 발견했고, 이것으로 노벨 물리학상까지 수상했다. 또 X선 발견에 결정적 계기가 된 음극선 연구가 더 활발해지면서 1897년 영국 물리학자 조지프 존 톰슨은 전자를 발견했다. 이를 계기로 빛의 입자성이 강력하게 부각됐다.

나아가 빛의 입자성 발견은 20세기에 상대성이론이 출현하는 중요한 계기가 됐고, X선의 본성에 대한 논쟁과정에서 “빛이 파동이면서 동시에 입자라는 이중성을 갖고 있다”는 새로운 인식도 나타났다.

이렇듯 X선의 물리적 성질과 효과가 밝혀지면서 X선을 가리키는 ‘미지’(未知)라는 의미는 사라졌다. 일부에서는 발견자에 대한 예우로 X선 대신 뢴트겐선이라는 용어를 쓰자는 의견도 나왔다. 그러나 뢴트겐선보다 X선의 발음이 쉽기 때문에 오늘날 X선이란 용어가 널리 쓰이고 있다.

X선은 뢴트겐이 살던 당시에도 그 기술의 응용 가능성이 매우 높았다. 그래서 독일의 한 재벌가가 그를 찾아와 X선의 특허를 자신에게 양도해 달라고 말했다. 그러나 뢴트겐은 “X선은 자신이 발명한 것이 아니라 원래 있던 것을 발견한 것에 지나지 않으므로 온 인류가 공유해야 한다”며 특허 신청을 끝내 거절했다.

1919년 모든 공직에서 은퇴한 뢴트겐은 이때까지 모아 둔 재산이 많지 않은데다 극심한 인플레이션을 맞이해 경제적으로 크게 고생했다. 그리고 1923년 뮌헨에서 일흔 여덟을 일기로 숨을 거뒀다. 그는 X선을 발견했고 그것을 전 인류에게 베풀었다. 우리 모두는 뢴트겐에게 더 나은 세상을 살 수 있는 선물을 하나 받은 셈이다.

글 : 서금영 과학칼럼니스트

인터넷과 디카, 노벨물리학상을 받다

Mon, 26 Oct 2009 09:48:27 +0900

인터넷과 디카, 노벨물리학상을 받다

[제 1000 호/2009-10-26]

해마다 10월이면 전 세계의 이목이 노벨상 수상자 발표에 집중된다. 생리의학, 물리학, 화학, 문학, 평화, 경제학 이렇게 한 분야씩 수상자가 발표될 때마다 세계는 들썩거린다. 그런데 여섯 분야 중 보통 사람들이 가장 멀게 느끼는 분야는 과연 무엇일까. 아마도 많은 이들이 물리학이라고 얘기하지 않을까 싶다.

노벨물리학상의 수상업적은 범인(凡人)에게는 도통 이해가 안 되는 난해하고 복잡한 이론이거나 실험일 가능성이 크다. 게다가 그 이론이나 실험이라는 게 일상생활과 동떨어진, 몰라도 그만인 것이지 않는가. 그래서였을까. 올해 노벨상수상위원회는 노벨물리학상다운(?) 업적이 아니라 우리 생활과 너무나도 친근한 분야에 상을 수여했다.

인터넷 광통신과 디지털카메라(간단히 디카라고 하자). 두 가지가 없다고 상상하면 아마 불편한 게 한두 가지가 아닐 것이다. 그 정도로 이 둘은 오늘날 정보기술(IT) 세상에서 아주 익숙하고 당연한 것으로 자리잡았다. 올해 노벨물리학상은 바로 이 두 가지에 대한 핵심원천기술을 개발한 연구자들에게 돌아갔다.

그 주인공은 영국 스탠더드텔레콤의 찰스 가오 박사(76)와 미국 벨연구소의 윌러드 보일 박사(85), 조지 스미스 박사(79) 등 세 명이다. 가오 박사는 인터넷 광통신의 핵심기술인 광섬유를 개발한 업적으로, 보일 박사와 스미스 박사는 필름이 없어도 사진을 찍을 수 있는 디카의 핵심기술인 ‘전하결합소자(CCD)’을 발명한 공로로 이번 노벨물리학상을 수상했다.

<올 노벨물리학상은 수상자들이 40여 년 전에 이룩한 업적이었다. 사진은 1960년대 젊은 과학
자였던 찰스 가오 박사가 광섬유에 대한 초기 실험을 하고 있는 모습이다. Copyright © The
Chinese University of Hong Kong>

광섬유의 원리는 전반사이고 CCD의 원리는 광전효과로, 이들은 이미 고등학교 교과서에서 나오는 원리이다. 그러니까 올 노벨물리학상 수상자들은 지난 수백 년 동안 신의 영역이었던 ‘빛’을 인간의 이해 영역으로 끌어내린 ‘빛의 마스터’들이다. 그렇다면 올해 노벨물리학상 수상자들은 언제 어떻게 업적을 세운 것일까. 그 이야기는 지금으로부터 40여 년 전으로 거슬러 올라간다.

1966년 1월 중국계 영국인 가오 박사는 광섬유에 대한 연구결과를 발표했다. 하지만 그것은 광섬유의 발명은 아니었다. 광섬유는 이미 1930년대부터 환자의 위나 치과치료 중에 치아를 들여다보는 용도로 의료분야에서 쓰였기 때문이다. 하지만 여기에서 쓰인 광섬유는 짧고 단순했다.

광섬유는 이론적으로는 매우 간단하다. 굴절률이 높은 매질에서 굴절률이 낮은 매질로 빛을 비출 때 어느 각도 이상이 되면 더 이상 굴절을 하지 않고 모두 다 반사되는 전반사가 일어난다. 광섬유는 전반사의 원리를 통해 빛을 밖으로 빠져나오지 못하게 함으로써 먼 곳까지 정보를 전달해준다.

초기에 광섬유는 이론처럼 성능이 좋지 않았다. 1960년대 가오 박사가 광섬유 연구를 시작했던 당시만 해도 광섬유를 통과한 빛은 20m만 가도 1%밖에 남지 않았다. 가오 박사는 1km를 지나갈 때 1%의 빛이 남는 것을 목표로 연구를 시작했다. 그리고 1966년에 광섬유에 쓰이는 유리의 투명도 자체에 문제가 있다는 것을 알아냈다. 광섬유에 적합한 유리는 당시까지 만들어진 어느 유리보다 투명해야 했던 것이다.

가오 박사가 원하는 정도의 광섬유를 뽑을 수 있었던 건 1971년이 돼서다. 세계적으로 유명한 유리 제조사인 코닝사의 과학자들이 가오 박사의 제안에 따라 1km에 달하는 광섬유를 뽑아냈다.

오늘날의 광섬유는 1km를 가도 95%의 빛이 남을 정도로 가오 박사의 목표를 크게 추월했다. 이런 광섬유가 오늘날 지구를 무려 2만 5천 번이나 감을 수 있는 정도로 세계 곳곳에 깔려있다. 그 덕분에 우리는 세계 어디서나 빛의 속도로 정보를 접하고 산다. 참고로 가오 박사는 물리학이 아니라 전기공학으로 박사학위를 받았다.

디카의 핵심기술인 CCD가 개발된 것도 1960년대였다. 1969년 9월 어느 날, 벨연구소의 물리학자 보일 박사와 스미스 박사는 보일 박사의 사무실에서 칠판에 CCD에 대한 기초 아이디어를 주고받았다. 하지만 당시 그들이 만들고자 했던 건 디카의 이미지센서가 아니라 이전보다 나은 전자메모리이었다. 그들은 자신들이 근무하는 벨연구소로부터 새로운 메모리 기술을 개발하라는 임무를 부여받았다. 하지만 보일 박사와 스미스 박사는 얼마 지나지 않아 CCD의 용도를 이미징 기술에 활용하는 방안을 생각해냈다.

CCD는 우표만한 크기의 네모 판으로 그 위에는 수많은 광센서들이 들어있다. 디카에서 몇백만 화소라는 말을 하는데 화소 수가 많을수록 사진의 화질이 좋다. 화소 수는 바로 광센서인데, 예를 들어 400만 화소라면 400만 개의 광센서가 CCD에 붙어 있는 것이다.

<왼쪽 사진에서는 벨연구소의 물리학자 윌러드 보일 박사(왼쪽)와 조지 스미스 박사(오른쪽)
가 CCD를 장착한 비디오카메라의 성능을 확인하고 있다. 1974년에 찍은 사진이다. 오른쪽
사진은 보일 박사와 스미스 박사의 아이디어로 만들어진 초창기 CCD 이미지 센서. 오늘날
디카는 물론 비디오카메라에 핵심적으로 쓰이고 있다. 사진제공. 박미용.>

CCD의 원리는 1921년 아인슈타인에게 노벨물리학상을 안겨준 광전효과다. 광전효과는 금속이나 반도체에 빛을 쪼이면 전자가 튀어나오는 현상을 말한다. CCD는 광전효과를 이용해 빛을 전기신호로 바꾸어준다. CCD가 빛 알갱이를 전자로, 즉 빛을 전기 신호로 바꾸는 것이다. 이 전자에 대한 정보를 메모리 반도체에 기록하면 사진 파일이 된다.

보일 박사와 스미스 박사가 개발한 CCD는 금세 이미지센서로서 장점이 드러났다. 그래서 발명 1년 후, 그들은 자신의 비디오카메라에 최초로 CCD를 장착했다. 1981년에는 CCD가 들어간 디지털카메라가 최초로 시장에 나왔다. 이후 해상도가 높아지고 소형화되면서 오늘날에는 필름카메라를 역사의 무대 뒤로 사라지게 하고 있다.

CCD는 오늘날 천문학의 발전에도 크게 기여했다. 예가 바로 미 항공우주국(NASA)의 허블우주망원경이다. 1980년대 개발된 허블우주망원경은 CCD를 이용한 덕분에 1990년 발사 이후 우리에게 지상에서 얻을 수 없는 우주의 모습을 보여줬다. 올 3월 태양계 바깥 지구형 행성을 탐색할 목적으로 발사된 NASA의 케플러우주망원경에도 디지털이미지 기술이 적극 활용됐다. CCD는 우주뿐 아니라 심해 바닥에서도 관측기구로도 널리 활용되고 있다.

노벨상 수상의 마지막 조건은 과학기술의 ‘상용화’ 라고 한다. 기초과학의 혁신이 낳은 기술이 상용화 되고, 그런 기술이 또다시 과학발전에 기여하는 선순환 구조가 가장 이상적이라고 판단하기 때문이다. 인류를 위한 과학과 기술은 서로 맞물려 끝없이 돌아가는 톱니바퀴 같은 것은 아닐까?

글 : 박미용 과학칼럼니스트

2009 노벨 생리의학상, 텔로미어

Mon, 19 Oct 2009 08:56:38 +0900

2009 노벨 생리의학상, 텔로미어

[제 997 호/2009-10-19]

1918년 노인 같은 외모를 가진 아기가 태어났습니다. 그의 이름은 벤자민 버튼. 벤자민의 괴상한 외모에 놀란 아버지는 그를 낳다가 아내마저 목숨을 잃자 ‘노인 아이’를 도시의 한 양로원 앞에 버립니다.

열두 해가 지난 어느 날, 60대 할아버지처럼 보이는 벤자민은 할머니를 찾으러 양로원에 온 6살 꼬마 데이지를 만납니다. 수차례 만나고 헤어진 뒤 벤자민과 데이지는 함께 사랑하게 됩니다. 하지만 벤자민은 날로 어려지고 데이지는 늙어만 갑니다.

영화 ‘벤자민 버튼의 시간은 거꾸로 간다’는 노인으로 태어나 아기가 돼 죽음을 맞는다는 상상력으로 큰 관심을 모았습니다. 그렇다면 사람은 왜 늙는 것일까요. 답은 올해 노벨 생리의학상의 주인공 ‘텔로미어’에 있습니다.

사람의 체세포는 46개 염색체(상염색체 44개+성염색체 2개)로 이뤄져 있습니다. 부모에게서 각각 23개씩 받죠. 염색체는 유전정보 DNA를 담고 있고, DNA는 다시 아데닌(A), 구아닌(G), 시토신(C), 티민(T)이라는 네 염기로 구성됩니다.

문제는 이들 네 가지 염기만 있을 경우 염색체가 온전하게 복제되지 않는다는 것입니다. 예를 들어 AATGCGGTAG라는 DNA가 염색체에 담겨 있다고 가정해 보겠습니다. DNA 복제효소가 각 염기를 지나며 A→G 방향으로 복제를 시작합니다. 하지만 복제는 끝에 있는 G염기 앞에 있는 A염기까지만 진행됩니다. 왜냐하면 더 이상 염기가 없어 효소가 G염기를 지나갈 수 없기 때문입니다. 이는 G염기를 복제하려면 해당 염기 뒤에 또 다른 염기가 있어야 한다는 뜻입니다.

이처럼 염색체의 가장 마지막에 있으면서 온전한 복제를 도와주는 부분이 ‘텔로미어(telomere)’입니다. 텔로미어는 ‘끝’을 뜻하는 그리스어 ‘telos’와 ‘부위’를 가리키는 ‘meros’의 합성어로 DNA 양 끝에 붙어있는 반복 염기서열(TTAGGG)을 말합니다.

다시 예로 돌아가 보겠습니다. DNA는 AATGCGGTAG에 텔로미어가 붙어 AATGCGGTAG-TTAGGG-TTAGGG-TTAGGG-TTAGGG로 이뤄졌습니다. 덕분에 필요한 마지막 염기까지 온전히 복제할 수 있습니다.

세포분열(DNA 복제)이 한 번, 두 번 반복될수록 텔로미어 길이가 짧아집니다. 텔로미어라 해도 마지막 염기가 복제되지 않는 것은 마찬가지입니다. 이게 언론에서 ‘세포가 분열할수록 텔로미어가 짧아진다’고 말하는 의미입니다. 물론 세포의 생존이나 활동에는 아무 지장이 없습니다. 사람 체세포에 있는 텔로미어의 길이는 보통 5~10kb(1kb는 DNA 염기 1000개 길이)이고, 세포분열을 할 때마다 50~200bp(1bp는 1염기 길이)만큼 짧아집니다.

<사진에 보이는 노란색 부분이 텔로미어다. 텔로미어는 염색체의 끝부분에 위치하며 염색체의
완전한 복제를 돕는다. 텔로미어의 길이가 짧아질수록 세포 차원에서 더 늙게 된다는 뜻이다.
사진제공. 동아일보>

텔로미어가 짧아지다가 그 길이가 노화점(사람의 경우, 1~2kb) 이하로 떨어지면 세포는 복제를 멈추게 됩니다. 노화 상태에 빠지는 거죠. 결국 세포는 죽습니다. 요약하면, ‘세포분열→텔로미어 길이 짧아짐→노화점보다 짧아지면 세포분열 멈춤→세포 죽음’으로 이어지는 과정이 정상적인 노화 과정입니다. 데이지가 늙는 것도 텔로미어라는 ‘노화 시계’ 때문이라고 생각해볼 수 있습니다.

흥미로운 점은 암세포의 85%는 세포분열을 격렬하게 해도 텔로미어 길이가 짧아지지 않는다는 것입니다. 이 때문에 암세포는 죽지 않고 계속 증식할 수 있습니다. 텔로미어 관점에서만 본다면, 노화와 암은 반대의 선에 서 있다고 할 수 있습니다. ‘동전의 양면’인 셈입니다.

이는 암세포에만 있는 ‘텔로머라제’라는 효소 때문입니다. 텔로머라제는 텔로미어 길이를 노화점 이상으로 유지하도록 끝에 계속 염기를 붙여주거든요. 과학계에서는 암세포의 텔로머라제 활성을 떨어뜨리면 암을 치료할 수 있을 것으로 보고 있습니다. 암세포의 죽음을 유도할 수 있기 때문입니다.

암은 보통 3가지 방법으로 치료합니다. 외과수술로 암 덩어리를 잘라내던가 항암제로 암세포를 죽이거나 방사선으로 태워버리는 것입니다. 외부에서 몸 안에 있는 암세포에 자극을 주기 때문에 여러 부작용도 나타나기 마련입니다.

왜냐하면 항암제로 사용하는 물질은 주로 몸 안에서 왕성하게 세포분열을 하는 세포를 죽이도록 디자인돼 있기 때문입니다. 상대적으로 암세포를 많이 죽이는 것뿐이지 다른 세포들도 그 영향을 받습니다. 머리카락이 빠지는 것도 이 때문입니다. 머리카락을 만드는 모근세포는 세포분열이 왕성하거든요.

하지만 암세포의 텔로머라제 효소를 줄여 암세포를 자연사시키면 부작용을 훨씬 줄일 수 있습니다. 텔로머라제는 암세포에만 있기 때문에 이런 효과는 암세포에만 작용할 수 있습니다. 다른 세포에게는 영향을 미치지 않는 거죠.

암세포 정복이란 동전을 뒤집으면 장수(長壽)의 꿈이 반짝하고 빛납니다. 체세포에 텔로머라제가 작동하도록 하면 체세포의 텔로머라제 길이가 노화점 아래로 짧아지는 것을 막을 수 있습니다. 수천 년 전, 영생(永生)을 누리고자 했던 진시황의 불로초가 텔로머라제에 있는 셈입니다.

글 : 변태섭 동아사이언스 과학전문기자

엄지족 당신, 손목은 괜찮으세요?

Mon, 19 Oct 2009 08:56:09 +0900

엄지족 당신, 손목은 괜찮으세요?

[제 995 호/2009-10-14]

지난 8월 21일, 스타크래프트 프로게이머 김준영이 은퇴를 선언했다. 은퇴를 결심하게 된 배경에는 손목터널증후군이 있었다. “손목이 예전처럼 나아지려면 최소 6개월 정도 쉬어야 하는데 그렇게 쉴 경우 후배들을 따라잡을 수 없어 은퇴를 결심했다”는 게 그의 설명이다. 게임을 하느라 손목을 과도하게 사용한 그에게 손목터널증후군은 어쩌면 피할 수 없었을지도 모른다. 손목터널증후군이 어떤 질환이기에 프로게이머가 은퇴를 선언할 정도였을까.

손목터널증후군은 손끝으로 가는 신경이 손목에서 눌려 저림이나 마비 증상이 나타나는 질환이다. 손목에는 약 3cm 길이의 수근관이라는 통로가 있는데 그 속에는 손가락을 움직이는 인대들과 손가락이나 손바닥의 감각을 담당하는 정중신경이 지나간다.

나이가 들거나 반복적으로 손목을 사용하면 인대가 두꺼워지는데, 이 때문에 수근관이 좁아지면서 정중신경을 압박해 손이 저리는 증상이 나타난다. 프로게이머처럼 키보드와 마우스를 수없이 사용하면 인대가 두꺼워져 손목의 터널에 압박을 가하게 되고, 터널 안에 있는 인대와 신경이 자극을 받아 마비현상이 발생하는 것이다.

손이 저리는 증상은 그동안 단순한 노화현상으로만 여겨왔다. 그런데 오랜 세월 가사를 해온 가정주부, 바이올린 연주가나 이발사, 미용사, 운전사, 화가, 조각가 등에게서 흔하게 나타나면서 직업적으로 손목을 많이 사용하는 사람에게 잘 걸리는 질환으로 알려지게 되었다.

이 질환은 보통 30~60세 사이의 남녀 모두에게 발생하지만 남성보다 여성이 5배 이상 많다. 주로 반복적인 가사 노동을 하는 40~60대 주부들이 가장 많다. 특히 명절 연후가 지난 무렵에 손 저림 증상을 호소하는 주부들이 적지 않다. 최근에는 핸드폰과 컴퓨터의 대중화로 남성이나 청소년에게까지 확대되고 있다. 키보드를 치는 동작은 자연스레 어깨 근육을 긴장하게 만들고, 그래서 컴퓨터를 오래 사용하다 보면 등과 어깨, 뒷목이 뻐근하고 쑤신다.

근육이 지속적으로 긴장해 수축하면 근육이 손상되고 결국 통증이 일어난다. 또 손목 골절이나 외상 등으로 인해 갑자기 나타나기도 한다. 당뇨병, 갑상선질환, 뇌하수체종양, 류마티스 관절염 등도 원인 질환으로 알려져 있지만 대부분 뚜렷한 원인을 찾기 힘들다.

206개인 사람의 뼈 중 한쪽 손에만 열네 개의 손가락뼈와 다섯 개의 손바닥뼈, 그리고 여덟 개의 손목뼈가 있는 등 전체 뼈의 25%가 양쪽 손에 몰려 있고, 뼈들이 움직일 수 있도록 수많은 힘줄과 인대들이 존재한다. 만약 이 힘줄과 인대를 지나치게 사용하면 염증이 생기고 붓게 되면 다양한 손목 질환에 노출될 수 있는 것이다.

손목터널증후군 증상은 대부분 손가락이 저리거나 아프고 감각이 무뎌지는 현상으로 나타난다. 또 엄지손가락에 힘이 없어지면서 엄지와 손목 사이의 두툼한 근육이 위축돼 살이 마른 듯 보인다. 심한 경우 글씨를 쓰거나 전화받기, 수저질하기, 단추를 잠그는 등의 섬세한 동작을 못해 기본적인 일상생활까지 지장을 받게 되고, 손가락이 영구적으로 마비될 수도 있다.

<가정주부, 바이올린 연주가나 이발사, 미용사, 운전사, 화가, 조각가 등 손목을 많이 사용하는
사람에게서 흔하게 나타나는 질병이 ‘손목터널증후군’이다. 핸드폰 사용도 손목터널증후군의
원인이 될 수 있다. 사진제공. 동아일보>

처음에는 손가락 끝만 저리지만 점차 진행되면서 손바닥, 팔까지 저려온다. 다만 새끼손가락은 저리지 않다. 그 이유는 새끼손가락에 정중신경이 없기 때문이다. 주로 엄지, 둘째, 셋째 손가락이 저리거나 엄지손가락과 다른 손가락이 잘 맞닿지 않으면 이 병을 의심해 봐야 한다. 특히 잠잘 때 손이 저리고 통증이 심해 깨어나 손을 주무르거나 털어주면 통증이 가라앉는 증상을 반복해 경험한다면 손목터널증후군으로 생각해야 한다.

일반적으로 손이 저리면 나이가 들어 자연히 생기는 증상으로 지레 짐작하고 방치하는 사람들이 많다. 더구나 혈액순환 개선제를 자가 처방하여 약국에서 약을 사서 먹기도 한다. 하지만 손 저림 증상은 혈액순환 장애에 의해 생기는 경우가 드물고 90% 이상이 손목터널증후군 때문이다. 밤이나 추울 때 더 심해지고, 환자의 50% 이상이 양측 손에 나타난다.

손목터널증후군을 예방하려면 평소 손목을 보호하는 습관이 중요하다. 무엇보다 바른 자세가 가장 중요하다. 손목터널증후군은 손목 터널이 압박을 받아서 나타나는 증상이므로 손목이 구부려진 상태로 장시간 있지 않도록 해야 한다. 손목을 뒤로 젖히지도 말고 똑바로 편 자세를 유지해야 한다.

특히 컴퓨터 작업을 할 경우 올바른 키보드 사용이 중요하다. 손목과 키보드의 높이를 비슷하게 맞춰 손목에 각이 생기지 않도록 하고 마우스의 과도한 사용을 자제한다. 또 손목을 자주 쉬게 하고 손가락 등을 움직이며 마사지를 자주 해주는 것이 좋다.

손이 저리는 증상은 일시적이고 경미하게 시작하므로 초기에 병원을 방문하는 경우가 드물다. 하지만 그렇게 손 저림 증상을 방치하면 신경막 조직이 변성되어 손가락의 감각이 무뎌지기 쉽다. 증상이 심하지 않을 경우 손목 보호대를 약 1-2주 정도 고정시켜 착용하거나 소염제 등을 복용해도 도움이 된다.

스트레칭과 물리치료로도 치료할 수 있다. 하지만 통증이 심해지면 병원을 찾아 전문의와 상담해야 한다. 손의 근육이 마르게 될 정도로 마비가 진행되면 수술 후에도 완전 회복이 어려워질 수 있으므로 되도록 빨리 치료를 받는 것이 좋다.

글 : 김형자 과학칼럼니스트