답변 내역

안녕하세요.오래된 책의 종이가 누렇게 변하는 것은 말씀해주신 것처럼 리그닌 때문인데요, 이 리그닌이 빛이나 산소, 열, 습기와 반응해 색을 띠는 분해산물을 만들기 때문에 종이의 황변이 발생하게 됩니다. 리그닌은 식물, 특히 나무의 세포벽에 존재하는 매우 복잡한 방향족 고분자인데요, 구조적으로는 페닐프로판 단위들이 불규칙하게 연결된 3차원 망상 고분자입니다. 리그닌은 벤젠고리와 메톡시기, 하이드록실기 등을 많이 포함하고 있는데, 방향족 구조가 빛과 산소에 반응하기 쉬운 성질을 갖습니다. 종이를 만들 때 목재에서 셀룰로오스를 분리하지만, 저가의 종이나 신문지, 일부 책 종이는 제조 비용과 생산성 때문에 리그닌이 완전히 제거되지 않고 남습니다. 따라서 일반적인 오래된 책, 특히 과거 대량 생산된 책들은 리그닌 함량이 상대적으로 높아 시간이 지나며 황변이 잘 생깁니다.황변의 핵심은 광산화와 자동 산화입니다. 햇빛이나 형광등의 자외선과 청색광이 리그닌 분자의 결합을 자극하면 전자가 들뜨고, 일부 결합이 끊어지면서 페녹시 라디칼 같은 반응성 중간체가 생성되며, 이 라디칼은 공기 중 산소와 반응하여 알데하이드, 케톤, 카복실산, 퀴논류 같은 산화 생성물을 만듭니다. 이 물질들 중 상당수는 공액 이중결합 구조를 가지기 때문에 가시광선을 흡수합니다. 원래 종이는 빛을 대부분 반사하므로 하얗게 보이는데요, 리그닌 분해로 생성된 퀴논류나 공액계 화합물은 파란빛 영역을 더 많이 흡수하고 노랑~갈색 계열 빛은 상대적으로 반사합니다. 그래서 사람 눈에는 종이가 노랗거나 갈색으로 보이게 되는 것입니다. 광산화 함께 과거 종이 제조에는 황산알루미늄과 로진 사이즈 같은 산성 공정이 널리 쓰였기 때문에 시간이 지나면 종이 내부 pH가 낮아지고, 산은 셀룰로오스의 글리코시드 결합을 가수분해하여 종이를 약하게 만듭니다. 그래서 오래된 책은 누렇게 변할 뿐 아니라 바삭해지고 잘 부서지는 것입니다. 이외에도 습도 변화는 가수분해와 곰팡이 위험을 높이는데요, 공기 중 오존, 질소산화물 같은 오염물질도 산화 반응을 촉진할 수 있습니다. 그래서 창가에 둔 책이 책장 안쪽 책보다 더 빨리 누래지는 경우가 흔합니다. 감사합니다.

안녕하세요. 심해는 빛이 거의 없고 수온이 낮으며 압력이 극도로 높은 거대한 생태계인데요, 깊이에 따라 환경이 크게 달라지므로 사는 생물도 층별로 다릅니다. 심해 생물은 작고 투명한 동물부터, 스스로 빛을 내는 생물, 거대한 포식자, 기괴한 형태의 생물까지 매우 다양합니다. 우선 200~1,000m의 황혼대는 약한 빛만 남아 있는 구간인데요, 낮에는 깊은 곳에 있다가 밤에 위로 올라오는 동물이 많이 서식합니다. 대표적으로 랜턴피시가 있으며, 몸에 발광기관이 있어 푸른빛을 냅니다. 1,000~4,000m의 심층대는 빛이 없는 완전한 어둠이며 수온은 매우 낮은데요, 이곳에는 아귀가 서식합니다. 아귀는 머리 앞쪽에 낚싯대 같은 돌기가 있고 끝에서 빛을 내어 먹이를 유인하며, 수컷이 암컷 몸에 붙어 기생하듯 살아가는 종도 있습니다. 4,000~6,000m의 심해저 평원에는 바닥 생물이 많은데요, 넓은 해저 평원에는 해삼, 불가사리, 다모류 벌레, 등각류, 거대 바다거미 등이 서식하며, 이곳 생물들은 위에서 떨어지는 유기물 찌꺼기에 의존합니다. 더 깊은 6,000m 이하 해구대는 해구 바닥 환경인데요, 이곳은 압력이 굉장히 높은 가장 극한 환경 중 하나입니다. 이곳에서는 심해 달팽이 고기가 발견되며 투명하거나 연한 색을 띠는 작은 갑각류, 단각류, 미생물 군집 등이 살고 있습니다. 마지막으로 심해에서 열수분출공 주변은 해저에서 뜨거운 황화수소가 분출되는 곳인데, 햇빛 없이도 화학합성 세균이 에너지를 만듭니다. 이를 바탕으로 거대 관벌레, 흰색 심해 조개, 심해 새우, 특수 게류가 대규모 군집을 이루고 있습니다. 감사합니다.

안녕하세요.부레옥잠이 물 위에 떠 있으면서도 뿌리가 쉽게 썩지 않는 이유는 구조적으로 수생 생활에 특화되어 있기 때문입니다. 일반적으로 식물이 물을 너무 많이 받아 뿌리가 썩는 가장 큰 이유는 산소 부족 때문입니다. 흙 속에는 원래 공기층이 있어 뿌리가 산소를 이용해 호흡하지만, 흙이 계속 물로 가득 차면 흙 입자 사이 공기 공간이 사라지면서 뿌리가 필요한 산소를 공급받지 못합니다. 이로 인해 뿌리 세포가 약해지고, 혐기성 미생물이나 곰팡이가 번식하면서 뿌리썩음병이 발생하게 됩니다. 반면 부레옥잠은 처음부터 물 위에서 살아가도록 진화한 부유성 수생식물에 속하다보니 물속에 늘어뜨린 뿌리로 직접 물속 영양염류를 흡수합니다. 또한 줄기와 잎자루 내부에 통기조직이 매우 발달해 있는데요, 이는 공기가 들어 있는 스펀지 같은 조직으로, 잎에서 얻은 산소를 내부 통로를 통해 뿌리까지 전달하기 때문에 뿌리가 물속에 있어도 산소를 공급받을 수 있습니다. 부레옥잠 잎자루가 부풀어 떠 있는 것도 내부의 공기 공간은 식물을 띄우는 동시에 가스 저장고 역할도 합니다. 이 공기층 덕분에 산소와 이산화탄소가 이동할 수 있으며 뿌리 주변 미세환경도 개선됩니다. 게다가 부레옥잠의 뿌리는 육상식물 뿌리처럼 두껍고 오래 유지되는 구조라기보다, 물속 환경에 맞게 비교적 유연하고 빠르게 자라며 재생됩니다. 따라서 오래된 뿌리가 일부 손상되더라도 새 뿌리가 계속 나오므로 전체 식물은 건강을 유지할 수 있습니다. 하지만고인 물에서도 절대 안 썩는 것은 아닌데요, 물이 지나치게 오염되어 유기물이 많고, 산소가 거의 없으며, 수온이 너무 높아 부패균이 폭증한 경우에는 부레옥잠도 스트레스를 받고 뿌리가 검게 변하거나 썩을 수 있습니다. 감사합니다.

안녕하세요.DNA의 이중나선 구조에서 수소결합은 DNA를 구성하는 염기 사이에서의 결합으로, DNA가 안정적으로 정보를 저장하면서도 필요할 때 정확히 열리고 복제될 수 있게 만들어줍니다. DNA는 당-인산 골격이 바깥쪽에 있고, 안쪽에는 염기들이 마주 보며 짝을 이루는데요, 아데닌은 티민과 이중 수소결합을 형성하고, 구아닌은 시토신과 삼중 수소결합을 형성하며 이러한 결합을 상보적이라고 합니다. 우선 수소결합은 이중나선 두 가닥의 결합을 안정화시켜 줍니다. DNA 한 가닥만으로도 염기서열 정보는 존재하지만, 두 가닥이 서로 마주 붙어 있으면 화학적으로 더 안정하고 손상에 대한 완충력이 커집니다. 개별 수소결합 하나는 공유결합보다 약한 세기를 작지만 수십억 개 염기쌍 전체에서 수많은 수소결합이 동시에 작용하므로 DNA 전체는 충분히 안정화될 수 있습니다. 또한 세포가 분열할 때 DNA 복제가 일어나면 두 가닥이 벌어지고 각각이 주형으로 작용하는데요, 이때 새 뉴클레오타이드는 수소결합 규칙에 따라 맞는 상대 염기를 선택해 붙습니다. 예를 들어 주형에 A가 있으면 T가, G가 있으면 C가 들어옵니다. 즉 수소결합 패턴이 어떤 염기가 맞는지를 분자 수준에서 판별하는 역할을 하는 것입니다. DNA는 평소에는 닫혀 있어야 하지만 복제, 전사, 수리 때는 국소적으로 열린 구조를 가져야 하는데요, 이때 헬리케이스 같은 효소가 ATP 에너지를 사용해 두 가닥을 분리할 수 있으며, 이후 다시 상보적으로 결합해 구조를 회복할 수도 있습니다. 또한 G-C 쌍이 A-T 쌍보다 수소결합이 하나 더 많기 때문에, GC 비율이 높은 DNA 구간은 일반적으로 더 높은 온도에서 분리됩니다. 이것은 유전자 조절, PCR 설계, 미생물 적응성 등에도 영향을 줍니다. 이러한 수소결합이 없었다면 상보적 염기쌍이 안정적으로 형성되지 못해 두 가닥 DNA 구조 자체가 성립하기 어려웠을 것입니다. 감사합니다.

안녕하세요.늑대는 과거 한반도 전역의 산림과 들판에 널리 분포했던 대형 포식자였던 것은 맞습니다. 실제로 조선시대 기록, 일제강점기 자료, 근현대 증언을 보면 북부 산악지대뿐 아니라 중부 지역과 남부 지역에도 존재했습니다. 하지만 현재 대한민국 본토 산지에 안정적으로 번식하는 야생 늑대 개체군이 존재한다는 증거는 없기 때문에 한국의 야생 늑대는 사실상 지역 절멸 상태로 보는 것이 학계의 주된 입장입니다. 늑대가 사라진 주요 이유는 우선 일제강점기와 전후 시기까지 이어진 집중 포획 및 유해조수 구제 정책이 가장 컸고, 이외에도 산림 훼손과 농경지 확대, 도로 건설 등으로 서식지가 단절되었습니다. 게다가 늑대가 잡아먹는 사슴이나 노루, 멧돼지 외 소형 포유류 등 먹이망 변화도 영향을 주었습니다. 늑대와 같은 대형 포식자는 넓은 영역과 충분한 먹이, 낮은 인간 압력을 필요로 하는데 한국의 고밀도 인구 환경은 매우 불리했다고 보시면 됩니다. 야생 늑대가 실제로 존재하려면 단발 목격이 아니라 반복적인 카메라 트랩 자료, 유전자 샘플, 번식 흔적, 지속적 개체군 데이터가 필요한데요, 현재 남한에서는 이런 수준의 증거가 축적되어 있지 않습니다. 반면 북한 북부나 산악 지역이나 중국 및 러시아 접경 북방 생태권에는 늑대가 남아 있을 가능성이 있는데요, 역사적으로 한반도 늑대는 북방 개체군과 연결되어 있었을 가능성이 큽니다. 다만 군사분계선 이남으로 자연 확산해 안정 개체군을 이루었다는 증거는 현재 없습니다. 감사합니다.

안녕하세요.참당귀 씨앗을 전년 가을에 파종했는데 봄이 되어도 발아하지 않는다면, 참당귀 종자의 특성상 발아력이 매우 빨리 떨어지고, 휴면 타파 조건이 어렵기 때문입니다. 우선 참당귀는 산형과 식물이기 때문에 종자 수명이 짧은 편인데요, 따라서 채종 직후에는 살아 있어도 건조 및 고온 보관 과정에서 활력이 급격히 떨어질 수 있습니다. 8월에 채종한 씨앗을 실온에서 몇 달 두었다가 11월에 파종했다면, 이미 발아율이 상당히 낮아졌을 가능성이 있습니다. 또한 참당귀 종자는 완전히 익어 보여도 내부 배가 덜 발달한 상태로 떨어지는 경우가 있는데요, 이 경우에 종자는 바로 발아하지 않고 일정 기간 저온 및 습윤 조건을 거치며 내부 배가 후숙되고 휴면이 풀려야 싹이 틀 수 있습니다. 단순히 겨울을 지났다고 다 되는 것이 아니라, 충분히 습한 상태에서 일정 기간 낮은 온도를 받는 것이 중요하기 때문에, 겨울 동안 토양이 지나치게 건조했다면 저온은 겪었어도 휴면 타파가 충분하지 않았을 수 있습니다.또한 참당귀처럼 작은 종자는 깊게 묻으면 발아 후 지표면까지 올라오지 못하기 때문에 한곳당 10립 이상 넣고 복토가 두꺼웠다면, 실제로 발아는 했으나 지상 출현에 실패했을 가능성도 있습니다. 마지막으로 용인지방 겨울 자체는 참당귀 종자가 월동 가능한 범위일 수 있으나, 겨울철 배수가 나쁜 토양에서 씨앗이 장기간 젖어 있으면 곰팡이나 세균과 같은 병원체로 인해 부패할 수 있습니다. 반대로 지나치게 건조해도 휴면 타파가 어렵다보니, 겨울 노지 파종은 온도보다 수분 관리가 더 중요합니다. 감사합니다.

안녕하세요.창조주가 실제로 창조했는지 어떻게 아느냐에 대해 답변드리자면, 이것은 일반적인 과학 실험처럼 실험실에서 직접 재현하거나 측정하기 어려운 주제입니다. 과학의 경우에는 관측 가능한 자연 현상을 설명하는 데 강점을 가지며, 우주의 팽창, 별의 형성, 생명의 진화 같은 과정은 연구할 수 있습니다. 예를 들어 빅뱅 우주론은 우주가 매우 뜨겁고 밀도 높은 초기 상태에서 팽창해 왔다는 관측 근거를 설명할 수 있지만, 왜 우주가 존재하며 최초 원인은 무엇인지, 그 배후에 의지가 있는 존재가 있는지와 같은 궁금증은 과학만으로 최종 판정하기 어려운 형이상학적 질문입니다. 일부의 경우 우주의 질서, 자연 법칙의 정교함, 생명체의 복잡성에서 창조주의 흔적을 본다고 생각하며 이를 목적론적 논증 또는 설계 논증이라 부르기도 합니다. 반면에 다른 사람들은 복잡성도 자연선택, 물리 법칙, 긴 시간 축적을 통해 설명될 수 있다고 봅니다. 말씀하신 것처럼 인간은 풀 한 포기도 못 만드는데 어떻게 창조주가 다 만들었을까?라는 생각의 경우, 실제로 인간은 씨앗 하나를 처음부터 무에서 만들지는 못합니다. 하지만 식물학을 통해 풀 한 포기가 자라는 메커니즘은 상당히 이해하고 있으며 씨앗 속 유전정보, 광합성, 세포분열, 호르몬 조절, 토양 영양분 흡수 등이 결합해 풀이 자랍니다. 이처럼 인간은 자연 법칙을 활용해 재배와 육종, 유전자 편집까지 하지만, 생명의 근본 구조를 완전히 새로 창조하는 수준과는 다른 문제입니다. 감사합니다.

안녕하세요.물 분자 간의 수소결합은 극성을 가진 물 분자의 수소와 다른 물 분자의 산소 사이에 형성되는 분자간 인력을 말하는데요, 이 결합은 높은 끓는점, 큰 비열, 높은 표면장력, 그리고 액체보다 밀도가 낮은 얼음이라는 성질을 갖게 만들어줍니다. 물 분자 하나를 보면, 산소 원자에 수소 원자 두 개가 공유결합으로 연결되어 있습니다. 이때 산소는 수소보다 전기음성도가 훨씬 크므로, 공유 전자를 자기 쪽으로 더 강하게 끌어당기기 때문에, O-H 결합에서 전자밀도는 산소 쪽으로 치우치고, 산소는 부분 음전하를, 수소는 부분 양전하를 띱니다. 게다가 물 분자는 104.5°의 굽은 구조를 가지므로 두 결합의 극성이 상쇄되지 않고, 분자 전체가 강한 극성을 갖습니다.즉 한 물 분자의 부분 양전하를 띤 수소가, 옆에 있는 다른 물 분자의 부분 음전하를 띤 산소에 정전기적으로 끌리는 수소결합이 형성되는데요, 이는 반데르발스 힘보다 강하고 매우 중요한 상호작용입니다. 물 한 분자는 이론적으로 최대 네 개의 수소결합 네트워크에 참여할 수 있는데요, 산소의 비공유 전자쌍 두 개로 두 번 받을 수 있고, 수소 두 개로 두 번 줄 수 있기 때문입니다. 수소결합 때문에 물의 끓는점이 비정상적으로 높은데요, 같은 족의 작은 수소화합물인 황화수소는 훨씬 낮은 온도에서 기체가 됩니다. 분자량만 보면 물도 상온에서 기체여야 할 것처럼 보입니다. 하지만 분자들 사이 수소결합 네트워크를 끊어야 기체로 날아갈 수 있으므로 더 많은 에너지가 필요하기 때문에 상온에서 액체이고, 끓는점도 100℃로 높습니다. 또한 비열과 기화열이 큰 이유도 수소결합 때문인데요, 물을 데우면 온도 상승 전에 분자 운동 증가뿐 아니라 수소결합 재배열과 일부 파괴에 에너지가 필요하기 때문에 물은 온도 변화가 느리고, 지구 기후 완충 능력과 생명체 체온 안정성에 큰 역할을 합니다. 말씀하신 것처럼 액체 상태에서는 수소결합이 계속 재편되며 분자들이 비교적 촘촘하게 움직일 수 있지만, 물이 고체 상태로 얼게 되면 분자들이 규칙적으로 배열되며 각 물 분자가 네 방향으로 수소결합하는 육각형 격자 구조를 형성합니다. 이 구조는 내부에 빈 공간이 많아 액체 물보다 덜 촘촘하기 때문에 얼음의 밀도가 물보다 낮아 물에 뜨는 것입니다. 감사합니다.

안녕하세요.스티로폼 컵에 아세톤을 부으면 순식간에 부피가 크게 줄어드는 것은, 스티로폼이 대부분 공기로 이루어진 발포 구조이기 때문입니다. 따라서 아세톤을 부으면 얇은 벽을 이루는 폴리스티렌이 아세톤에 쉽게 팽윤, 용해됩니다. 스티로폼은 발포 폴리스티렌이라고 하는데요, 이는 제조 과정에서 폴리스티렌 수지를 팽창시켜 수많은 미세 기포를 만들고, 그 기포들이 서로 붙은 구조입니다. 그래서 컵 부피의 대부분은 빈 공간, 즉 공기라고 할 수 있으며, 실제 폴리스티렌 고체는 얇은 막과 벽 형태로만 존재합니다. 이때 아세톤을 넣으면 폴리스티렌 사슬과 아세톤 분자가 강하게 상호작용하는데요, 폴리스티렌은 방향족 고리를 가진 비교적 비극성 고분자이고, 아세톤은 극성 비양성자성 용매로서 유기 고분자를 잘 팽윤시키는 성질이 있습니다. 이때 아세톤 분자가 폴리스티렌 내부로 침투하면 고분자 사슬 사이 간격을 벌리고, 사슬끼리 잡아주던 반데르발스 힘을 약화시킵니다. 결과적으로 고분자 네트워크가 부드러워지면서 팽윤 후 용해가 진행됩니다.이때 기포 벽이 무너지면 내부에 갇혀 있던 공기가 빠져나오는데요, 스티로폼 부피의 대부분이 공기였기 때문에, 공기가 빠져나가는 순간 눈으로 보기에는 컵 전체가 작아지며, 남는 것은 공기를 제외한 소량의 실제 폴리스티렌 질량뿐이라 끈적한 덩어리나 점성 액체처럼 보입니다. 하지만 이 현상은 녹는점 용융과는 차이가 있는데요, 열로 녹는 것이 아니라 용매에 의한 고분자 사슬 분산이다보니 가열하지 않아도 빠르게 진행됩니다. 감사합니다.

안녕하세요.선크림에서 흔히 말하는 유기자차와 무기자차는 둘 다 자외선을 차단하는 것은 동일하지만, 유기자차는 주로 자외선을 흡수하여 에너지로 처리하는 방식을 사용한다면, 무기자차는 흡수와 반사, 산란을 이용하는 고체 입자 방식입니다. 먼저 유기 자외선 차단제는 탄소 기반 유기 분자로, 공액 이중결합을 가지고 있으며 대표적으로 아보벤존, 옥토크릴렌, 옥시벤존 이 있습니다. 이런 분자는 자외선 광자 에너지와 맞는 전자 전이 준위를 가지고 있어, 자외선이 들어오면 전자가 바닥상태에서 들뜬상태로 올라가는데요, 자외선 에너지를 분자가 받아 전자를 높은 에너지 준위로 올리는 것입니다. 하지만 이처럼 들뜬 상태는 불안정하므로 곧 다시 낮은 상태로 돌아오면서 에너지는 분자 진동과 회전 에너지로 전환되어 주변으로 분산됩니다. 반면 무기 자외선 차단제는 주로 이산화티타늄이나 산화 아연과 같은 금속 산화물 입자로서 분자 한 개가 아니라 고체 미립자나 결정성 입자로 존재합니다. 이 경우의 자외선 차단 방식은 우선 입자의 굴절률이 높고 크기가 빛 파장과 비슷한 범위일 때 자외선이 입자 표면에서 반사되거나 진행 방향이 흐트러집니다. 이로 인해 자외선이 피부에 곧장 도달하지 못하고, 큰 입자일수록 가시광선도 산란시켜 하얗게 보여 백탁이 생기기 쉽습니다. 또한 TiO₂와 ZnO는 반도체 성질을 가지며 특정 밴드갭 에너지를 갖는데요, 자외선 광자의 에너지가 밴드갭 이상이면 전자가 가전자대에서 전도대로 들떠 전자-정공 쌍이 생성됩니다. 즉 자외선 에너지를 입자가 흡수하며 이후 에너지는 열로 소산되거나 재결합 과정으로 사라집니다. 말씀해주신 사용감 차이의 경우, 유기자차는 분자 수준으로 용해 및 분산되므로 피부에 투명하게 발리는 경우가 많습니다. 반면에 무기자차는 입자이므로 가시광선 산란이 생겨 백탁이 나타날 수 있는 것입니다. 감사합니다.