안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. 재규어는 왜 무서운 파충류인 악어도 사냥할 수 있어요?
말씀하신 것처럼 아마존에 사는 재규어는 대형 고양잇과 동물 중에서도 독특하게 물을 두려워하지 않고, 심지어 악어류를 사냥하기도 합니다. 재규어가 악어도 사냥할 수 있는 이유는 압도적인 턱 힘과 두개골 구조와 관련이 있습니다. 재규어는 고양잇과 동물 중에서도 체구 대비 가장 강한 교합력을 가지고 있는데요 사자의 경우 송곳니로 목을 물어 질식시키는 방식인데, 재규어는 머리뼈나 등껍질을 직접 뚫어 치명상을 주는 방식을 씁니다. 이 덕분에 거북이 등껍질, 카피바라의 두개골, 심지어 카이만의 두꺼운 두개골까지 한입에 관통시킬 수 있습니다. 또한 악어는 물속에서는 강력하지만, 물가에 나와 있거나 얕은 물에서 쉴 때는 상대적으로 방심하는데요 재규어는 나무와 수풀을 이용한 매복 사냥을 잘하고, 빠르게 뛰어들어 한 번의 공격으로 급소를 노립니다. 보통은 악어의 머리 뒤쪽 뇌나 척수를 송곳니로 바로 물어 움직이지 못하게 합니다. 반면에 악어도 강력한 포식자지만, 공격 방식이 주로 물속에서의 급습에 특화되어 있는데요 재규어는 주로 물가에서 기습하기 때문에, 악어가 반격하기 전에 이미 치명상을 입습니다. 즉, 재규어는 뇌를 한 번에 노리는 특수한 사냥 전략 덕분에 훨씬 큰 위협을 끼칠 수 있는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 감정이 과학적으로 환상이라는 증거는?
“감정이 환상이다”라는 표현은 과학적으로 조금 오해의 소지가 있지만, 최근 뇌과학과 인지과학에서는 감정을 객관적인 물리적 실체라기보다는 뇌가 만들어내는 해석적 산물로 보는 관점이 주류로 여겨지고 있습니다. 감정은 보편적이고 고정된 실체가 아니라는 연구에 의하면 과거에는 인간은 기쁨, 분노, 슬픔, 공포 같은 보편적 감정을 타고난다라고 보았는데요 하지만 리사 펠드만 바렛의 연구 등에서는 감정이 고정된 패키지가 아니라 뇌가 상황과 맥락을 해석하면서 구성하는 경험임을 보여줍니다. 예를 들자면 심장이 두근거리는 신체 반응은 상황에 따라 ‘사랑의 설렘’, ‘불안’, ‘운동으로 인한 흥분’으로 해석될 수 있으며 즉 같은 생리적 반응이 전혀 다른 감정으로 경험됩니다. 뇌 영상 연구의 결과로 특정한 감정을 담당하는 고정된 뇌 영역은 존재하지 않는데요, 예를 들어, 공포 = 편도체라고 배웠지만, 실제로는 편도체는 다양한 감정과 학습 과정에 모두 관여합니다. 즉 감정은 “특정한 신경회로의 패턴 활동”이지, 독립된 실체가 아닙니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 개구리, 두꺼비의 차이가 뭐가 있을까요?
개구리와 두꺼비는 둘 다 양서류라서 비슷해 보이지만, 몇 가지 뚜렷한 차이가 있는데요, 우선 개구리는 피부가 매끈하고 촉촉하며 물가 근처에서 살아야 건조하지 않습니다. 반면에 두꺼비는 피부가 거칠고 울퉁불퉁하며 약간 건조해 보이며, 독샘이 있어 천적을 막는 데 도움을 줍니다. 또한 개구리는 주로 연못, 하천, 논 같은 물가에서 살며, 두꺼비는 숲, 풀밭, 마당처럼 물에서 조금 떨어진 육지에서도 잘 삽니다. 또한 개구리는 다리가 길어 멀리 점프할 수 있으나 두꺼비는 뒷다리가 짧아서 깡충깡충 뛰거나 기듯이 움직입니다. 또한 알을 낳는 방식의 측면에서도 개구리는 알을 덩어리로 낳는 반면에 두꺼비는 알을 줄 모양으로 낳습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 바다에서 해파리는 어떻게만들어지는건가요?
해파리는 우리가 흔히 바다에서 보는 우산 모양의 유영하는 형태의 성체뿐만 아니라, 여러 단계의 생활사를 거쳐 형성되는 생명체인데요, 우선 대부분 해파리는 암컷이 알을, 수컷이 정자를 바다 속에 방출하여 체외수정을 합니다. 하지만 예외적으로 어떤 종은 암컷의 몸속에서 수정이 이루어지기도 합니다. 이후 수정란은 길쭉한 유생이 되어 바닷물 속을 떠다니다가, 적절한 바위나 조개껍질에 달라붙는데요, 달라붙은 유생은 작은 산호처럼 폴립 형태로 성장합니다. 이 시기는 해파리가 바닥에 고정되어 살아가는 단계로, 먹이를 잡아먹고 분열하면서 수를 늘립니다. 이러한 폴립이 여러 마디로 분절되며 층층이 쌓인 모습이 되며 각 마디는 점차 떨어져 나와 작은 해파리로 발달합니다. 이때 스트로빌라에서 떨어져 나온 작은 디스크 모양의 개체를 에피라라고 하는데요, 이 에피라가 성장하면서 우리가 아는 성체 해파리가 되는 것입니다. 다음으로 해파리는 외부에서 보면 젤리 같은 몸이라 암수 구분이 쉽지 않습니다. 하지만 생식기관을 보면 차이를 알 수 있는데요, 해파리의 우산 중앙 부분에는 생식선이 있습니다. 보통 성숙한 해파리는 우산의 투명한 부분을 통해 생식선 색깔이 비치는데요, 수컷 해파리의 경우 보통 흰색이나 연한 색을 띠지만 암컷 해파리의 경우에는 보통 난소로 인하여 짙은 갈색이나 붉은색을 띱니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 근육 운동을 하고 나면 왜 근육통을 느끼게 되나요?
네, 말씀해주신 것처럼 웨이트 트레이닝이나 고강도의 근육 운동을 하고 난 뒤 느끼는 근육통은 흔히 지연성 근육통이라고 부리며, 운동 후 수 시간에서 하루 정도 지나 발생해 보통 24~72시간 동안 지속됩니다. 근육통이 발생하는 이유는 미세한 근섬유의 손상 때문인데요, 운동 중 특히 무게를 버티며 늘어나는 ‘이심성 수축’에서 근육 섬유에 작은 파열이 발생하며 예를 들어, 덤벨을 천천히 내릴 때가 대표적인 경우입니다. 이때 손상된 근섬유는 세포 내 단백질과 대사산물을 방출하고, 이에 반응해 면역세포가 모여듭니다. 이 과정에서 사이토카인, 프로스타글란딘 등 염증 매개물질이 분비되어 통증 수용체를 자극하게 됩니다. 이후 손상 부위로 혈액과 체액이 모이면서 근육이 붓고, 이 압력이 신경 말단을 눌러 통증을 더 강하게 만듭니다.하지만 이와 같은 근육통도 시간이 지나면 사라지는 이유는 손상된 근섬유 주변에는 위성세포라는 근육 줄기세포가 존재하는데, 이들이 활성화되어 새로운 단백질을 합성하고 손상 부위를 복구하기 때문입니다. 또한 같은 운동을 반복하면 근섬유가 더 튼튼해지고, 해당 부위에 대한 신경, 근육 적응이 일어나 같은 자극에도 손상이 덜 발생하는데요 그래서 같은 운동을 계속해도 처음처럼 심한 근육통이 생기지 않는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 가역과정과 비가역과정, 가역반응과 비가역반응은 어떤 차이가 있나요?
말씀하신 가역과정, 비가역과정과 가역반응, 비가역반응은 용어가 비슷해서 헷갈리지만, 다루는 범위와 관점이 서로 다른데요, 우선 가역과정과 비가역과정이라는 구분은 열역학적 과정에 대한 구분입니다. 가역과정은 계와 주위가 아주 미세한 변화를 통해서 진행되는 이상적인 과정인데요, 진행 방향을 거꾸로 하면 계와 주위 모두 원래 상태로 완전히 되돌릴 수 있습니다. 예를 들어서 이상기체가 무한히 천천히 팽창하거나 압축되는 과정이 있으며 현실에서는 거의 불가능하고, 이론적 기준점으로 사용됩니다. 반면에 비가역과정은 실제 자연계에서 일어나는 모든 과정이 여기에 해당하는데요 마찰, 열전달, 자발적 팽창, 화학 반응 등은 모두 비가역적이며 이때 방향을 거꾸로 돌려도 계와 주위가 원래 상태로 완전히 복귀하지 못합니다. 다음으로 가역반응과 비가역반응에 대한 구분은 화학반응에 관한 것인데요, 가역반응은 반응물이 생성물로 변할 수 있고, 동시에 생성물도 반응물로 되돌아갈 수 있는 반응입니다으로 일정 조건(온도, 압력 등)에서 화학 평형 상태에 도달할 수 있습니다. 반면에 비가역반응은 한 방향으로만 진행되어 사실상 되돌아가지 않는 반응인데요 반응이 매우 빠르거나, 생성물이 안정하여 역반응 확률이 거의 0에 가까운 경우입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 무주에 반딧불 축제를 한다고 하는데요. 이 반딧불은 어떤곳에 잘서식하나요?? 그리고 무주에는 왜 많이 있어서 저렇게 축제까지 할수 있나요??
네, 질문해주신 반딧불이는 매우 민감한 생물이라 특정한 환경에서만 잘 서식할 수 있는데요 반딧불이는 유충 시기에 물속이나 습한 토양에서 달팽이나 지렁이 같은 무척추동물을 먹으며 자라는데, 이때 깨끗한 물과 습한 환경이 필수적입니다. 따라서 반딧불이가 잘 사는 곳은 맑은 개울이나 논두렁, 주변에 숲이 있어 어두운 밤이 유지되는 곳, 농약이나 화학비료가 적게 사용되는 청정 지역이라고 할 수 있습니다. 무주가 반딧불이 서식지로 유명한 이유는 바로 이러한 자연환경이 잘 보존되어 있기 때문인데요, 무주는 덕유산 국립공원 자락에 위치해 있고, 산과 계곡이 많으며 수질이 맑고 오염이 적습니다. 특히 농약 사용을 최소화한 친환경 농업이 이루어지는 지역이 많아 반딧불이 유충이 자라기에 좋은 조건을 갖추고 있습니다. 게다가 반딧불이는 빛 공해에 약한데, 무주는 도시화가 덜 되어 밤이 어둡고 자연스러운 환경이 유지되어 개체 수가 안정적으로 유지될 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. A form의 DNA가 B form의 DNA보다 직경이 넓은 이유는?
DNA의 A형(A form)과 B형(B form)은 둘 다 이중나선(double helix) 구조이지만, 수분 함량과 같은 주변 환경에 따라 구조적인 차이를 보이는데요, 우선 생체 안정형의 B형 DNA는 우리가 흔히 알고 있는 왓슨–크릭 모델의 DNA 구조로 수분이 충분한 환경에서 안정하며 약 2.0 nm의 직경을 가지고 있습니다. 이때 염기쌍은 나선축에 거의 수직으로 배열되어 있으며 골격은 상대적으로 늘씬하게 나선축 가까이에 위치합니다. 반면에 A형의 DNA는 수분이 부족할 때 나타나는 DNA의 형태인데요 약 2.6 nm의 직경을 갖기 때문에 B형보다 넓으며 염기쌍이 나선축에 대해 ~20° 정도 기울어져 있습니다. 또한 당-인산 골격이 더 바깥쪽으로 밀려나 있어 나선 전체가 두툼해지는데요, 당 구조도 B형의 C2′-endo에서 A형은 C3′-endo로 바뀌어, 골격의 공간 배치가 달라집니다. 감사합니다.
화학
Q. 혼성에서 sp로 갈수록 전기음성적인 이유는 무엇인가요?
탄소의 혼성 오비탈(sp³, sp², sp)에서 s-오비탈의 비율이 높아질수록 전기음성도가 커진다는 것은, 결국 전자 구름이 원자핵에 더 가까워지기 때문인데요, 우선 sp³ 오비탈의 경우에는 25% s + 75% p이기 때문에 s 비율이 가장 낮습니다. 하지만 sp 오비탈의 경우에는 50% s + 50% p이기 때문에 s 비율이 가장 높습니다. 즉, sp 혼성 오비탈의 전자 밀도는 sp³에 비해 더 s-오비탈 성격이 강해 원자핵에 가까이 분포합니다.이때 전기음성도란, 원자가 공유 전자쌍을 끌어당기는 능력인데요 s-오비탈 전자는 p-오비탈 전자보다 평균적으로 원자핵에 더 가까운 궤도에 존재합니다. 따라서 혼성 오비탈에서 s 성분이 많을수록 전자가 원자핵에 더 강하게 끌려, 결과적으로 그 원자가 공유 전자쌍을 더 강하게 당기려는 성질이 나타나며 이 효과 때문에 sp³
화학
Q. 이온결합과 공유 결합은 어떤 원리에서 차이가 나는 것인가요?
네, 말씀하신 것처럼 이온결합과 공유결합은 사실 완전히 독립된 두 개의 결합이 아니라 전자가 어느 쪽 원자에 더 많이 치우쳐 있는가에 따라 연속적인 스펙트럼으로 나타나는 것이라고 볼 수 있는데요, 우선 이온결합은 전기음성도의 차이가 매우 큰 경우(보통 Δχ > 1.7 정도), 전자가 거의 완전히 한쪽 원자에 넘어갑니다. 예를 들어서 NaCl에서는 Na가 3s¹ 전자를 완전히 Cl에 주고, Na⁺와 Cl⁻로 전하가 분리된 상태가 형성되는데요 따라서 결합은 정전기적 인력에 의해 유지됩니다.반면에 공유결합은 전기음성도의 차이가 작을 경우, 원자들이 전자쌍을 공유하여 결합하며 예를 들어서 H₂ 분자는 두 개의 H가 각각 1s¹ 전자를 내어놓아 전자쌍을 공유하고, 두 핵 사이에서 전자가 밀집해 결합을 형성하는데요, 결합의 본질은 원자 궤도의 중첩과 전자쌍 공유입니다.전자배치적인 관점에서 말씀드리자면 이온결합은 한 원자는 전자 껍질을 채우기 위해 전자를 받고(Cl → 3p⁵ → 3p⁶ 완전 채움), 다른 원자는 외곽 전자를 잃어 안정된 전자 배치를 가집니다(Na → 3s¹ 잃고 Ne와 같은 전자배치). 즉, 결합이 형성되면서 두 원자가 각각 안정된 전자배치를 얻는 것이 목표입니다. 반면에 공유결합은 전자를 완전히 주고받을 수 없을 때, 서로 전자를 공유하여 둘 다 옥텟규칙을 만족하려 합니다. 예컨대 산소 분자(O₂)는 각각 6개의 전자를 가져서 2쌍의 전자를 공유함으로써 옥텟 규칙을 만족합니다. 실제로 많은 결합은 순수하게 이온성 또는 순수하게 공유성이 아닌데요, 따라서 화학 결합을 구분할 때에는 “정전기적 인력이 지배적이면 이온결합”, “전자 공유가 지배적이면 공유결합”이라고 이해하시면 될 것 같습니다. 감사합니다.