안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. 생물의 진화에서 유전적 부동은 어떤 형태의 진화를 말하는 것인가요?
생물의 진화를 설명할 때에는 몇 가지 서로 다른 메커니즘이 존재하는데요, 유전적 부동은 그중 하나로 자연선택과는 다른 메커니즘을 의미하는 개념입니다. 우선 유전적 부동은 확률적 요인에 의해 집단 내 대립유전자 빈도가 변하는 현상을 말하는데요 즉, 특정 형질이 생존이나 번식에서 더 유리해서 퍼지는 것이 아니라, 무작위적인 사건 때문에 어떤 유전자가 더 많이 전해지고 다른 유전자는 사라지는 과정을 뜻합니다.이러한 유전적 부동이 일어나는 방식으로는 '표본 추출 효과'가 있는데요, 세대를 거듭하며 부모 세대의 대립유전자가 자식 세대로 완전히 같은 비율로 전달되지 않고, 확률적 차이 때문에 비율이 조금씩 달라지게 되며, 이때 작은 집단일수록 이 효과가 크게 나타납니다. 다음으로 '병목 효과'가 있는데요, 이는 전염병, 자연재해, 서식지 파괴 등으로 개체 수가 급격히 줄어들면, 살아남은 개체들이 가진 유전자 구성이 다음 세대의 유전적 구성을 좌우하게 되는데, 이때 원래 집단의 유전적 다양성 상당 부분이 우연히 사라질 수 있습니다. 마지막은 '창시자 효과'로 소수의 개체가 새로운 지역에 이주하여 새로운 집단을 만들면, 이 집단의 유전자는 원래 집단의 유전자 풀을 온전히 반영하지 못합니다. 예를 들자면 섬으로 이동한 몇 마리 새가 새로운 집단을 이루면, 그 유전적 특성이 섬 개체군의 전체 특징으로 고착될 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 우리나라 DNA 복제 기술은 어느 수준인가요?
네, 말씀하신 것처럼 과거 2004-05년 황우석 교수 팀은 개를 포함한 여러 동물의 클론 복제에 성공했다고 발표했지만, 논문 조작이 드러나 큰 과학적·윤리적 논란으로 이어졌는데요, 해당 복제 기술은 한때 세계적으로 주목을 받았지만, 논문의 진위 문제가 이후 연구 기반에 타격을 주었습니다.현재 한국에서는 유전체 복제 및 복제 기술에 대한 연구를 진행중이며, 기초과학연구원(IBS) Genomic Integrity 센터는 DNA 복제 및 손상 복구 메커니즘 연구에 있어 국제적인 수준의 논문을 발표하고 있습니다. 또한 새로운 스위치 단백질을 발견해 DNA 복제 재개 과정을 규명한 연구는 Nature Communications에 공개되었습니다.이외에도 DNA 중합효소, 유전자 합성 시장에서 한국은 BIONEER, BIOFACT 등의 국내 기업이이 고품질 제품을 내놓으며 국제 경쟁력을 확보하고 있으며, DNA 합성 시장 규모도 지속 성장 중이며, 맞춤 합성과 올리고 합성 수요가 증가하고 있습니다. 특히 유전자 치료, 진단, 정밀의료, 농축 생명공학 분야에서 활발하게 활용되고 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. DNA 리가아제와 중합효소는 어떤 점에서 다른가요?
네, 말씀하신 것처럼 DNA 복제 과정에서 DNA 중합효소와 DNA 리가아제는 모두 필수적이지만, 역할과 작용 방식에서 차이가 있습니다. DNA 중합효소는 기존 DNA를 주형으로 하여 새로운 DNA 가닥을 합성하는 역할을 담당하는데요, 상보적 염기 결합을 통해 새로운 뉴클레오타이드를 연결하며 항상 5’ → 3’ 방향으로만 합성합니다. 이때 기존 DNA 가닥을 읽어 상보적 염기를 붙이는데 RNA primer가 있어야 DNA 합성 시작이 가능합니다. 일부 DNA polymerase는 3’→5’ exonuclease 활성으로 잘못 붙은 염기를 제거하며 복제 포크에서 선도 가닥(leading strand)과 지연 가닥(lagging strand) 합성합니다. DNA 리가아제는 이미 합성된 DNA 조각을 인산-디에스터 결합으로 연결하는데요, 즉, DNA 조각들을 하나의 연속적인 가닥으로 완성하는 역할을 합니다. 이때 특징은 DNA를 새로 합성하지 않는데요, 단지 기존 가닥 사이를 이어줍니다. 주로 지연가닥에서 작용하며 Okazaki 조각들이 이어질 때 필요합니다. 에너지는 ATP(또는 NAD⁺)를 사용하여 결합 형성합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 초파리가 눈에 알을 낳는다는데 목속에도 낳나요?
초파리나 일반적인 파리류가 사람 눈이나 몸 속에 알을 낳는다는 내용은 대중매체에서 과장되거나 혼동된 정보인 경우가 많은데요, 하지만 실제로 인간과 동물의 신체에서 유충이 기생하는 경우는 의학적으로 존재하며, 이를 인간유충증이라고 합니다. 과학적 연구에서 모델 생물로 쓰이는 파리인데요, 일반적인 초파리는 과일, 발효물, 부패물에 알을 낳으며, 사람 조직에 알을 낳거나 기생하지 않습니다. 따라서 눈에 알을 낳고 구더기가 생겨 실명한다는 사례는 초파리와 관련이 없습니다. 하지만 다른 종류의 파리는 인간 피부나 눈, 코, 귀 등 부위에 유충을 낳을 수 있는데요, 이런 유충은 알에서 부화한 애벌레 상태로 조직을 먹으며 성장할 수 있으며 눈, 피부 표면, 상처 부위에 주로 기생하며, 드물게 점막에서도 발생할 수 있습니다. 눈에 유충이 생기는 경우는 의학에서는 ophthalmomyiasis라고 하는데요, 유충은 보통 외부에서 눈 표면으로 침투하거나 결막, 눈꺼풀에 부화합니다. 인간 눈에서 유충이 성장할 경우 염증, 시력 저하, 심한 경우 실명까지 이어질 수 있는데요, 이는 알 → 애벌레 → 성충의 과정이며, 애벌레가 조직을 먹고 성장합니다. 또한 입, 식도, 기관지 등 내부 장기는 유충이 살아남기 어려운 환경인데요, pH가 낮은 소화액, 장 운동, 점막 방어 기전 때문에 대부분 유충이 죽습니다. 그러나 드물게 코, 구강, 폐 등 점막에 기생하는 사례가 보고된 바 있으며, 의료적 치료가 필요합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 온몸이 하얗게 되는 병을 알비노라고하던데 그반대로 검은색으로 되는 병도 있을까요?
알비노는 멜라닌 색소를 만들지 못해서 머리카락, 피부, 눈이 하얗게 되는 선천적 유전적 상태를 말하는데요, 멜라니즘은 알비노와 반대되는 현상으로, 멜라닌 색소가 과도하게 만들어져 피부, 털, 깃털 등이 매우 검게 나타나는 상태를 말합니다.알비노가 발생하는 원인은 멜라닌 생성 유전자에서 특정 변이가 발생하거나, 환경 적응으로 멜라닌이 많이 생성되는 경우인데요, 멜라니즘은 병이라기보다는 유전적 또는 자연선택에 의한 표현형입니다. 드물게 피부나 눈 색소가 비정상적으로 과다하게 축적될 수 있는데요, 예를 들어서 후천성 색소침착 질환이 있습니다. 즉, 전신이 검게 되는 선천적 상태는 멜라니즘으로 볼 수 있으며, 알비노처럼 병이라기보다는 유전적 표현형이며, 후천적으로 검게 변하는 피부 질환은 있지만, 온몸 전체가 검어지는 사례는 매우 드뭅니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 유전학과 생태학을 이해할 때 가장 핵심적인 개념은 무엇일까요??
네, 유전학과 생태학은 서로 다른 학문이지만, 생명체의 변화와 상호작용을 이해한다는 큰 틀에서 연결되어 있다고 할 수 있습니다. 우선 유전학의 기본 단위는 유전자인데요, 유전자는 수천 뉴클레오타이드로 구성된 DNA를 말하는 것이며, DNA의 염기 서열이 유전 정보를 저장하고 있다는 사실이 핵심입니다. 이때 염기쌍, 상보적 결합, 복제 과정 등을 이해하면 유전 정보 전달과 변이의 원리를 파악할 수 있습니다. 즉 유전학에서는 유전 정보가 어떻게 저장, 전달, 발현되고 변이되는가를 중심으로 이해하면 전체 흐름이 잡힙니다. 생태학은 생물과 환경의 상호작용에 대한 것인데요, 개체 → 개체군 → 군집 → 생태계 순서에서 에너지 흐름(생산자→소비자→분해자), 물질 순환(탄소, 질소, 인 등)에 대한 학문입니다. 이 학문에서 생물과 환경이 어떻게 상호작용하며 에너지와 물질이 흐르는가를 중심으로 이해하면 전체 생태학 구조가 명확해집니다. 이때 진화와 자연선택이 연결고리인데요, 유전학의 유전적 변이와 생태학의 환경 선택 압력에서 개체군 변화, 나아가 생태계 구조 변화를 이해할 수 있습니다. 즉 적응과 다양성을 설명할 때 두 분야의 원리가 동시에 적용됩니다. 감사합니다.
화학
Q. 환원제의 세기가 차이 나는 이유는 무엇인가요?
네, 말씀해주신 것처럼 NaBH₄와 LiAlH₄는 모두 대표적인 수소화 환원제이지만, 환원 세기 즉, 전자를 내놓는 능력가 서로 다른 이유는 화학적 구조와 결합 특성, 전기음성도 차이로 인한 것입니다. 환원제란 다른 물질은 환원시키면서 자신은 산화되는 물질을 말하는 것인데요, 즉, 전자나 수소를 주는 능력이 환원제의 세기를 결정합니다. 이때 붕소는 전기음성도가 2.0으로 상대적으로 높은데요, 즉 H⁻를 쉽게 내놓지 않기 때문에 환원력이 상대적으로 약합니다. 반면에 전기음성도가 1.5로 낮기 때문에 H⁻를 쉽게 내놓을 수 있으며 이로 인해 환원력이 강한 것입니다. 또한 B–H 결합은 Al–H보다 더 안정적인데요, 이로 인해 H⁻를 주기 어려우며 NaBH₄는 상대적으로 약한 환원제라고 할 수 있습니다. 반면에 Al–H 결합은 약해서 쉽게 H⁻를 전달할 수 있으며, 이로 인해 LiAlH₄는 강한 환원제라고 하는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 대기 오염이 도심 건출물의 외벽 부식에 미치는 화학적 과정
네, 말씀해주신 것처럼 대기 오염이 도심 건축물의 외벽 부식을 일으키는 화학적 과정은 주로 산성 물질과 산화제가 건축 자재와 반응하는 데서 비롯된 것입니다. 주요 대기 오염물질에는 다음과 같은 것들이 있는데요, 우선 이산화황 (SO₂), 삼산화황 (SO₃)은 대기 중 수분과 반응해 황산(H₂SO₄) 생성하며 질소산화물 (NO, NO₂)은 대기 중에서 산소와 반응하여 질산(HNO₃) 형성합니다. 다음으로 이산화탄소 (CO₂)는 물과 반응해 탄산(H₂CO₃)을 생성하며, 오존(O₃), 과산화수소(H₂O₂)는 강한 산화제로서 표면의 금속 및 유기물 산화를 촉진합니다. 이와 같은 물질들이 비, 안개, 습기와 결합하면 산성비, 산성 안개, 습식 침착물을 형성하고, 건물 외벽에 흡착되거나 스며들면서 화학반응을 일으키는 것입니다.또한 석회암(CaCO₃)이나 대리석은 주성분이 탄산칼슘인데요, SO₂, NO₂, CO₂ 등이 물과 결합해 산(H₂SO₄, HNO₃, H₂CO₃)을 만들면 생성된 CaSO₄(석고)는 수용성이어서 쉽게 씻겨 나가고, 표면이 거칠어지며 마모됩니다. 따라서 고대 석조 건축물이 대기 오염이 심한 도시에 있으면 표면이 점차 깎이고 검게 변색되는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 적정 시험에서 사용하는 지시약은 어떤 조건에 따라서 다르게 사용하는 것인가요?
네, 말씀해주신 것처럼 적정 시험에서 사용하는 지시약은 중화점의 pH 범위와 지시약의 변색 구간이 얼마나 잘 일치하느냐에 따라서 달라집니다. 우선 중화점이 pH 7 부근인 경우에는 반응이 급격하게 pH가 변하기 때문에, 변색 범위가 7 근처에 있는 지시약을 쓰면 됩니다. 반면에 중화점이 pH 7보다 낮은 산성 조건에서는 종말점에서 용액이 산성을 띠므로 산성 영역에서 색이 변하는 지시약을 선택해야 합니다. 이와는 반대로 중화점이 pH 7보다 높은 염기성 조건에서는 종말점에서 용액이 염기성을 띠므로 염기성 영역에서 색이 변하는 지시약을 사용합니다.마지막으로 중화점 부근에서 pH 변화가 완만하게 나타나는데요 따라서 종말점을 명확히 알기 어렵습니다. 따라서 일반적인 산-염기 지시약은 적합하지 않고, pH meter기를 활용하여 전위차 적정 같은 전기적 방법을 사용하는 것이 보통입니다. 감사합니다.
화학
Q. 적정시험 진행 시에 중화점을 찾기 위해 사용하는 지시약의 원리는 무엇인가요?
산-염기 적정에서 사용하는 '지시약'은 단순히 색깔을 바꾸는 물질이 아니라, 자체가 약산 또는 약염기이면서 그 이온형과 분자형이 서로 다른 색을 띠는 특성을 활용한 시약을 말하는 것입니다. 산-염기 지시약은 보통 약산 또는 약염기 성질을 가지는데요 일반적으로 HIn(산성형)과 In⁻(염기형)으로 존재할 수 있습니다. 여기서 HIn과 In⁻은 서로 다른 구조를 가져, 서로 다른 색을 나타냅니다. 이때 지시약이 색깔을 나타내는 원리는 용액의 pH가 낮으면 H⁺가 많아져서 평형이 왼쪽으로 치우치며 HIn 형태를 이루면서 특정 색을 이룹니다. 다음으로 용액의 pH가 높으면 H⁺가 적어져서 평형이 오른쪽으로 치우치며 In⁻ 형태를 이루면서 다른 색을 나타내게 되며, 즉 pH 변화에 따라 지시약의 산성형과 염기형 비율이 바뀌며 색이 달라집니다. 또한 지시약마다 pKa 값이 있으며, 이 값 근처에서 색이 변하는데요, 일반적으로 pKa ± 1 범위가 “변색 구간”이 됩니다.실험을 통해 적정 농도를 알아내는 과정에서 산과 염기의 농도를 모를 때, 중화점을 찾기 위해 지시약을 넣는데요, 적정이 진행되면 용액의 pH가 변하고, 중화점 부근에서 지시약이 급격히 색을 바꾸기 때문에 종말점을 관찰할 수 있습니다. 따라서 실험에서는 중화점의 pH와 지시약 변색 구간이 잘 겹치는 지시약을 선택하는 것이 중요합니다. 감사합니다.