안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. 사람이 도시생활을 하면서 후각신경이 왜 약해진건가요
안녕하세요, 네 말씀해주신 것처럼 사람이 도시 생활과 집단 생활을 하면서 후각이 상대적으로 약해져왔는데요, 이는 환경적 요인과 생물학적 적응 과정이 복합적으로 작용한 결과라고 볼 수 있습니다. 우선 후각은 후각 수용체가 코 안 점막에 위치하여 공기 중의 화학물질을 감지함으로써 작동하는데요 인간은 약 400종류의 기능성 후각 수용체 유전자를 가지고 있으며, 이는 다른 포유류에 비하면 비교적 적은 편입니다. 이때 후각 수용체는 신경세포와 연결되어 뇌의 후각구로 신호를 전달하고, 여기서 냄새를 인지하게 됩니다.과거 인간은 소규모 집단에서 사냥, 채집, 위험 회피를 위해 후각이 생존과 직결되는 중요한 감각이었는데요 예를 들어, 썩은 음식, 천적, 포식자의 체취 등을 후각으로 감지했습니다. 하지만 현대 도시는 청결하고 위생적인 환경, 인공적 냄새와 향이 많고, 포식자의 위협이 거의 없으며, 먹거리도 안전하게 관리되는데요, 이렇게 후각이 생존에 필수적이지 않은 환경에서는 후각 수용체 사용 빈도가 줄어들고, 선택압도 약화된 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 조류의 소대변은 왜 산성을 띄는지 궁금합니다
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 조류의 소대변은 산성을 띄는데요 이는 조류의 배설 구조와 질소 배설 방식과 관련이 있습니다. 우선 조류는 항문과 요관이 분리된 구조를 갖고 있지 않은데요 즉, 소화관과 비뇨기관이 총배설강이라는 공용 배출구를 통해 연결되어 있기 때문에 따라서 새는 소변과 대변을 동시에 배출하며, 수분을 최대한 절약하도록 진화했습니다. 이때 대부분의 포유류는 질소 노폐물을 요소 형태로 배설하지만, 조류는 요산 형태로 배설하는데요 요산은 수용성이 낮고 물에 녹기 어려운 고체 형태로 배설되며, 이를 통해 수분 손실을 최소화할 수 있습니다. 즉 요산 자체가 약간 산성으로 pKa 약 5~6을 가지므로, 조류의 대변은 요산 함량 때문에 자연스럽게 산성을 띄게 되는 것입니다. 또한 조류의 위에는 근육성 위가 있어 음식물을 기계적으로 분쇄하는데요, 일부 조류는 위에서 HCl과 같은 강한 산을 분비하여 단백질을 소화하는데, 이 과정에서 음식물과 체액이 혼합되면서 배설물도 약간 산성으로 나옵니다. 특히, 새의 대변에는 소화되지 않은 요산 결정과 일부 단백질 분해산물이 포함되어 산성을 유지하게 되는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 매미라는 곤충은 왜 수분을 많이 섭취하나요
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 매미는 상대적으로 수분을 많이 섭취하는 곤충으로 알려져 있습니다. 매미는 주로 수액, 특히 나무의 목질부와 물관에서 나오는 즙을 빨아먹는데요 이 수액은 당분과 무기염이 용해된 물로 구성되어 있어 곤충의 주요 에너지원이자 수분 공급원이 됩니다. 하지만, 수액에는 필수 아미노산과 영양분이 상대적으로 매우 희박합니다. 즉, 영양분은 적고 대부분이 물과 당분이기 때문에, 매미는 필요한 단백질이나 아미노산을 충분히 섭취하기 위해서는 수분을 대량으로 섭취해야 하는 것입니다. 다만 매미는 과도한 수분을 섭취하면, 필요 없는 수분과 용질을 여과하여 배설하게 되는데요, 이때 매미의 배설물은 대부분 물과 일부 무기염으로 이루어집니다. 체내에서 과도한 수분을 배출함으로써 삼투압을 일정하게 유지하고, 세포가 부풀거나 손상되지 않도록 조절하는 것입니다. 이 과정에서 매미는 수분을 많이 섭취하고 배출하는 전략을 통해 희박한 영양원을 섭취하면서도 체내 전해질 균형을 유지할 수 있게 됩니다. 감사합니다.
화학
Q. 분자 수준에서 용매가 속도 상수에 영향을 미치는 구체적인 기작은 무엇인가요?
안녕하세요. 말씀해주신 것과 같이 동일한 반응이라도 용매의 극성, 점도, 수소결합 능력 등에 따라 속도상수가 달라질 수 있으며, 이는 분자 수준에서 반응물, 전이상태, 그리고 반응 중간체가 용매 분자와 맺는 상호작용에 의해 결정된다고 할 수 있습니다. 반응에서 전하가 분리되는 과정이 포함될 경우, 극성 용매는 전하를 강하게 둘러싸는 용매화효과를 통해 이를 안정화하는데요 대표적인 예시라고 할 수 있는 SN1 반응에서는 카보양이온이 생성되는데, 극성 프로틱 용매가 양이온을 안정화시켜 Ea를 낮추고, 속도상수를 증가시킵니다. 반대로, 전하 분리를 억제하거나 친핵체를 지나치게 안정화시켜 반응성을 떨어뜨릴 수도 있습니다. 또한 프로틱 용매는 수소결합을 통해 친핵체나 전이상태를 둘러싸 반응성을 크게 바꾸는데요, 예를 들자면 SN2 반응에서는 프로틱 용매가 친핵체를 수소결합으로 둘러싸 반응성이 떨어져 속도상수가 감소할 수 있습니다. 즉, 반응이 일어나는 장소인 용매는 반응물과 전이상태의 상대적 안정화를 달리함으로써 Ea를 조절하고, 동시에 분자의 충돌 빈도와 배향에 영향을 주어 속도상수를 변화시키게 되는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 촉매가 속도 상수를 변화시키는 과정에서 실제로 어떤 에너지장벽의 변화가 일어나나요?
안녕하세요. 촉매가 반응 속도상수에 영향을 주는 과정을 이해하려면, 아레니우스 식과 전이상태 이론을 함께 고려해보는 것이 좋은데요, 우선 반응물 → 생성물로 전환되려면, 분자들은 기존 결합을 끊고 새로운 결합을 만드는 과정에서 불안정한 전이상태를 거칩니다. 이 전이상태에 도달하기 위해 필요한 최소한의 에너지가 바로 활성화 에너지(Ea)인데요 따라서 Ea가 높으면 반응 분자가 충분한 에너지를 가질 확률이 작아져 속도상수 k가 작아지고, Ea가 낮으면 k가 커집니다. 이러한 화학반응에서 촉매는 반응물과 일시적으로 결합하거나 반응 중간체를 형성하여 다른 반응 경로를 제공하는데요, 이 경로는 원래 반응 경로보다 더 낮은 전이상태 에너지를 가지며 즉, 활성화 에너지(Ea)를 낮춰주는 효과를 가집니다.아레니우스 식에 반영되었을 때, 같은 온도에서 촉매가 작용하여 활성화에너지가 감소하면 반응 속도상수 k가 커지고, 반응 속도가 빨라지는데요, 단 주의할 점은, 촉매는 반응의 평형상수(K)에는 영향을 주지 않습니다. 즉, 반응물과 생성물 사이의 자유에너지 차이인 ΔG는 그대로 유지되고, 단지 도달하는 속도만 달라지는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 아레니우스 식에서 충돌 빈도 인자와 활성화 에너지는 각각 분자 충돌 과정에서 어떠한 의미를 지니나요?
안녕하세요. 말씀해주신 아레니우스 식은 반응 속도상수 k를 설명하는 데 핵심적인 식이며, 여기서 충돌 빈도 인자(A)와 활성화 에너지(Ea)는 분자 충돌 과정의 물리적 특성을 잘 나타냅니다.충돌 빈도 인자는 단순히 분자들이 얼마나 자주 충돌하는지를 나타내는 값인데요, 단순 충돌 횟수뿐 아니라, 충돌이 올바른 방향으로 일어날 확률까지 포함하는 개념입니다. 분자적 수준에서 기체 분자라면 평균 속도, 분자 직경, 농도 등이 충돌 빈도에 직접 영향을 주며 예를 들어 두 분자가 반응하기 위해서는 단순히 부딪히는 것만으로는 부족하고, 활성화된 부분끼리 올바른 각도로 충돌해야 결합이 형성됩니다. 다음으로 활성화 에너지는 분자들이 실제로 반응하기 위해 넘어야 하는 에너지 장벽을 말하는 것인데요, 분자들이 충돌했을 때, 충분한 운동에너지를 가진 경우에만 기존 결합이 끊어지고 새로운 결합이 형성될 수 있기 때문에 즉, Ea가 높을수록 반응이 잘 일어나지 않고, 낮을수록 충돌이 실제 반응으로 이어질 가능성이 커집니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 항체의 중쇄와 경쇄는 어떻게 결합을 이루는 것인가요?
안녕하세요. 네, 말씀하신 것처럼 항체는 단백질의 대표적인 4차 구조를 가진 분자로, 두 개의 중쇄와 두 개의 경쇄가 결합하여 하나의 Y자 모양 구조를 형성하는데요, 이때 중쇄와 경쇄가 결합하는 방식은 크게 이황화결합과 비공유적 상호작용으로 이루어집니다. 각 경쇄는 한 개의 중쇄와 결합하여 Fab 구조를 만드는데요, 이 결합은 공유결합과 비공유결합이 모두 관여합니다. 우선 이황화결합이란 시스테인 잔기의 황 원자 사이에서 형성되는 공유결합이며 중쇄와 경쇄 사이, 그리고 중쇄와 중쇄 사이를 안정적으로 연결하는 데 핵심 역할을 합니다. 다음으로 각종 비공유적 상호작용도 관여하는데요, 수소결합, 소수성 상호작용, 이온결합 등이 작용하여 중쇄와 경쇄가 맞물린 형태를 유지하게 되며 특히 가변 영역(VH와 VL)이 항원 결합부위를 형성할 때, 정밀한 상보성은 이러한 비공유적 힘에 의존합니다.또한 항체의 ‘Y자 몸통’ 부분(Fc 영역)은 두 개의 중쇄가 서로 연결되어 있는데요, 이 역시 이황화결합과 비공유적 상호작용으로 안정화되며, 항체의 구조적 골격을 담당합니다. 마지막으로 두 개의 경쇄는 직접적으로 서로 연결되지 않지만, 각각이 중쇄에 결합함으로써 전체적으로 네 개의 사슬이 하나의 단위를 형성합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 항체의 가변부위와 불변부위에 기능은 어떠한가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 항체는 크게 가변부위와 불변부위로 이루어져 있습니다. 이때 가변부위란 항체의 Y자 구조에서 끝부분에 존재하는 Fab 영역의 일부이며, 무거운 사슬과 가벼운 사슬 각각에서 가변 영역이 형성됩니다. 이 가변부위는 특정 항원의 에피토프를 인식하고 결합하는 역할을 수행하며, 이 영역의 서열 다양성 때문에 수억~수조 개에 달하는 서로 다른 항체가 생성될 수 있습니다.다음으로 불변부위란 항체의 ‘몸통’ 부분(Fc 영역)과 Fab 영역의 일부에 해당하는데요, 같은 항체 클래스(IgG, IgA, IgM, IgE, IgD) 안에서는 매우 보존된 서열을 가지고 있습니다. 기능적으로는 면역 효과 기능을 수행하는데요, 보체활성화, Fc 수용체를 가진 면역세포(대식세포, NK 세포 등)에 신호를 전달하여 항체-의존적 세포독성 반응(ADCC)이나 식균작용 유도합니다. 즉 가변부위는 항원과의 결합 특이성을 부여하여, 무수히 많은 종류의 병원체를 구별할 수 있게 하고, 불변부위는 어떤 항원을 인식하더라도, 그 뒤의 면역 반응(보체 활성, 세포와의 상호작용 등)을 안정적으로 수행할 수 있도록 하는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. IR에서는 쌍극자 모멘트의 합이 0인 분자는 왜 측정이 불가능 한 것인가요?
안녕하세요, 질문주신 사항에 대해 답변드리자면 우선 IR 스펙트럼은 분자가 진동 에너지를 흡수하면서 나타나는데요, 하지만 모든 분자 진동이 IR에 흡수로 나타나는 것은 아닙니다. IR에서 진동이 관찰되려면, 그 진동 모드가 전기쌍극자 모멘트에 변화가 있어야하는데요, 즉, 진동하면서 순간적으로라도 전하 중심이 이동해야 IR 빛의 전기장과 상호작용이 가능한 것입니다. CO₂, O₂, N₂ 같은 분자는 전체적으로 쌍극자 모멘트가 0인데요 예를 들어, O₂나 N₂는 항상 대칭적이어서 진동하더라도 쌍극자 모멘트가 변하지 않기 때문에 IR 불활성입니다. 하지만 CO₂처럼 평형 상태에서는 쌍극자 모멘트가 0이라도, 비대칭 신축 진동 시에는 순간적인 쌍극자 변화가 생겨 IR에 나타날 수 있습니다. 즉, IR은 분자의 전기장과 빛의 전기장이 상호작용하는 현상이므로, 진동하면서 쌍극자 모멘트 변화가 없는 경우 IR 신호가 생기지 않는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 산성수는 주로 어떻게 활용하는건가요?
안녕하세요. 질문해주신 산성수는 일반 정수기에서 나오는 물과 달리 pH가 약 2.5~5 정도로 낮은 물을 의미하며, 음용보다는 소독, 세정, 위생 관리 등 특정 용도로 개발된 물입니다. 산성수는 pH 2.5~5 정도로, 수소이온(H⁺) 농도가 높아 산성 환경을 가지는데요 전해수 방식으로 제조되며, 음이온과 양이온 분리를 통해 산성 영역과 알칼리 영역을 나누어 냅니다. 이러한 산성 환경에서는 세균, 곰팡이, 바이러스 등 미생물이 살아가기 어렵기 때문에 살균 효과가 있으며 일반적으로 음용용이 아닌 살균 및 세정용으로 권장되고 있습니다. 즉 산성수의 대표적인 활용분야는 세균 및 바이러스의 살균이라고 할 수 있는데요, 도마, 칼, 식기, 조리대 등의 표면 살균에 쓰일 수 있으며 이는 산성 환경에서 미생물 세포벽 파괴 및 단백질 변성 유도한 것입니다. 다만 pH가 낮아 위산과 유사하거나 더 강하기 때문에 위 점막 자극, 치아 부식 가능성이 있으며 따라서 직접 음용은 권장되지 않고 어린이, 노인, 위장 질환자 등은 특히 주의가 필요합니다. 감사합니다.