안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. 물 정화능력이 좋은 물고기들은, 어떤 기능을 가지고 있는건가요?
수족관에서 정화물고기라고 불리는 종들은 먹이 습성과 생활 방식 때문에 물을 상대적으로 깨끗하게 유지하는 역할을 하는 것입니다.우선 이끼를 섭취하는데요, 플레코, 오토싱클루스, 사카와 같은 종들은 어항 벽이나 장식물 표면에 자라는 조류를 갉아먹습니다. 이끼가 과도하게 번식하면 산소 소비 증가, 수질 악화, 미관 저하가 생기는데, 이들을 먹어줌으로써 조절해줍니다. 또한 코리도라스, 로치같은 종들은 바닥에 가라앉은 사료 찌꺼기, 유기물 찌꺼기를 먹는데요, 이렇게 먹지 않으면 부패하여 암모니아, 아질산염 등 독성 물질을 유발할 수 있는데, 이 물고기들이 분해 전에 섭취해줍니다.하지만 정화 물고기는 물을 화학적으로 깨끗하게 여과하지는 않는데요 대신 유기물, 조류, 먹이 찌꺼기를 물리적으로 섭취하여 분해 과정을 늦추는 것이 핵심입니다. 먹은 조류나 찌꺼기는 이들의 영양분이 되고, 일부는 소화되지 않고 배설되는데, 이 배설물은 여전히 수질에 부담이 될 수 있어 완벽한 정화 효과를 주지는 않습니다. 결국 정화 물고기는 어항 생태계의 유기물 순환을 돕는 보조자이지, 여과기나 수초처럼 적극적으로 수질을 개선하는 역할은 제한적입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 우성 유전 질환이 열성 유전 질환에 비해서 더 심각하지 않다고 보는 이유는 무엇인가요?
우선 '우성 유전 질환'의 경우 하나의 돌연변이 대립유전자만 있어도 발현됩니다. 따라서 보통 환자는 이 질환을 자녀에게 전달하기 전에 이미 증상을 가지고 있는데요 만약 질환이 너무 치명적이라면, 생식 전에 사망하거나 생존력이 크게 떨어져 후세로 전달될 가능성이 낮습니다. 따라서 오늘날까지 이어져 내려오는 우성 질환들은 상대적으로 생존이 가능한, 덜 치명적인 경우가 많습니다.반면에 '열성 유전 질환'의 경우 두 개의 돌연변이 대립유전자가 모두 있어야 발현됩니다. 이 때문에 보인자(이형접합자)는 증상을 나타내지 않고 정상처럼 생활할 수 있어, 돌연변이 유전자가 집단 내에 ‘숨은 형태’로 쌓일 수 있습니다. 따라서 매우 치명적인 변이라도 집단 속에 보존되다가, 두 보인자가 만나면 발현될 수 있습니다. 그래서 열성 질환 중에는 생존이나 발달에 치명적인 경우가 흔합니다.즉 우성 질환은 발현이 바로 드러나기 때문에, 지나치게 치명적인 경우 자연선택에 의해 빠르게 제거되는데요, 이로 인하여 살아남아 전해지는 우성 질환은 상대적으로 증상이 경미하거나, 발병 시점이 헌팅턴 무도병과 같이 생식 이후인 경우가 많습니다. 반면에 열성 질환은 보인자 단계에서는 드러나지 않으므로, 자연선택이 잘 걸러내지 못하며 이 때문에 심각하고 치명적인 질환도 집단에 오래 잔존할 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 헌팅턴 무도병이 세대가 지나갈수록 더 빨리 발병하게 되는 이유는 무엇인가요?
헌팅턴 무도병이 세대를 거듭할수록 더 일찍 발병하는 현상을 '유전적 조기 발현'이라고 부르는데요, 헌팅턴 무도병은 헌팅틴(HTT) 유전자 안에 있는 CAG 삼염기 반복 서열이 비정상적으로 늘어남으로써 발생합니다. 정상인의 경우 CAG 반복 수가 보통 35회 이하인데, 환자에서는 이 반복 수가 36회 이상으로 늘어나며, 반복 수가 많을수록 헌팅틴 단백질 내부에 폴리글루타민(PolyQ) 사슬이 길어지게 됩니다. 이 사슬은 단백질을 비정상적으로 접히게 하고 신경세포에 독성을 일으켜 결국 신경세포 퇴행과 증상을 유발합니다.이러한 헌팅턴 무도병이 세대를 거듭할수록 발병이 빨라지는 이유는, 유전자가 자식 세대로 전달될 때 이 CAG 반복 서열이 불안정하게 더 늘어날 수 있기 때문인데요, 특히 정자 형성 과정(감수분열)에서 이 반복 서열이 불안정하게 증폭되는 경향이 강하기 때문에, 아버지로부터 유전될 때 더 빠르게 반복 수가 증가하는 경우가 많습니다. 감사합니다.
화학
Q. 2차전지주 같은 경우에는 전고체 배터리가 중요한것 같은데 언제부터상용화가 가능한가요
2차전지(리튬이차전지) 시장에서 전고체 배터리(All-Solid-State Battery, ASSB)는 안전성, 충전속도, 에너지 밀도 등 여러 면에서 차세대 핵심 기술로 주목받고 있지만 아직 한계가 존재합니다.우선 전고체 생산 비용은 기존 리튬이온 배터리 대비 아직 3~5배 높으며, 원가 경쟁력 확보가 필수적이며, 고체 전해질 간 계면 저항, 리튬 금속음극 안정성 등을 해결해야 하며, 깨끗한 환경에서의 정밀 조립이 요구됩니다. 현재 전고체 배터리는 2027년부터 하이엔드 EV에 탑재되는 첫 단계가 시작되고, 2028~2030년 사이 소량 생산을 진행한 뒤 본격 양산으로 진행, 2030년 이후 대중화 가능성이 높습니다. 감사합니다.
화학
Q. 화학반응의 자발성을 따질 때 자유에너지 변화와 표준자유에너지 변화는 어떤 차이가 있나요?
화학반응의 자발성을 평가할 때 등장하는 자유에너지 변화(ΔG)와 표준 자유에너지 변화(ΔG°)는 개념적으로 연결되어 있지만, 조건이 다릅니다.우선 일반적인 자유에너지 변화는 실제 반응 조건에서 반응이 진행될 때 계의 Gibbs 자유에너지 차이인데요, G는 실제 농도, 압력, 온도를 반영한 값이라서 현재 반응이 자발적으로 진행되는지를 직접적으로 알려줍니다.반면에 표준 자유에너지 변화는 모든 반응물이 표준 상태(1 M 농도, 1 atm 압력, 25℃)에 있을 때의 자유에너지 변화를 말하는 것인데요, 반응의 고유한 잠재적 자발성을 나타내는 값으로 평형상수와 직접적으로 연결되는 값입니다. 즉, ΔG°는 일종의 기준값이고, ΔG는 현재 조건에서의 실제값입니다. 예를 들어 ΔG°가 음수라도, 실제 조건에서 반응물 농도가 거의 없으면 ΔG가 양수가 되어 반응이 진행되지 않을 수도 있습니다. 반대로 ΔG°가 양수라도, 반응 조건(Q)이 매우 유리하게 조정되면 ΔG가 음수가 되어 반응이 진행될 수도 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 완전연소와 불완전연소는 어떻게 다른가요?
연소 중에서 완전연소와 불완전연소의 차이는 본질적으로 산소 공급량과 반응 조건에 의해 결정됩니다. 말씀하신 것처럼 연소란 물질이 산소와 결합하며 열과 빛을 방출하는 산화 반응인데, 이때 충분한 산소가 공급되면 완전연소, 산소가 부족하거나 반응 조건이 불리하면 불완전연소가 일어나게 됩니다.완전연소는 산소(O₂)가 충분히 공급되고, 연소 반응이 잘 일어날 수 있는 온도와 혼합 상태가 유지될 때 발생하는데요, 탄소계 물질은 주로 이산화탄소(CO₂)와 물(H₂O)을 생성하게 됩니다.다음으로 불완전연소는 산소가 충분히 공급되지 않거나, 불꽃 내부처럼 산소 확산이 제한된 영역이 존재하거나, 연소 온도가 낮아 반응이 완전히 진행되지 못하는 경우에 발생합니다. 생성물로는 일산화탄소(CO), 탄소(그을음, C), 또는 미연소된 탄화수소가 있습니다. 즉 완전연소와 불완전연소를 가르는 가장 핵심적인 조건은 산소양인데요, 산소가 충분하지 않으면 완전 산화(CO₂)까지 못 가고 중간 산화물(CO)이나 탄소가 남게 됩니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 남자들은 하나의 생각에 꽂히면, 왜 다른 생각을 하기 어려운건가요?
“남자는 하나에 꽂히면 다른 생각을 하기 어렵다”, “여자는 멀티태스킹이 잘 된다”라는 이야기는 흔히 들을 수 있는데요, 과학적으로는 이게 두뇌의 구조 차이 때문이라기보다는, 개인의 성향·환경·사회적 기대가 복합적으로 작용한 결과라고 볼 수 있을 것 같습니다. 과거에는 남성 뇌는 특정 영역 간 연결이 강하고, 여성 뇌는 좌·우 반구 사이 연결이 더 발달했다는 연구 결과가 발표된 적이 있지만, 최근 뇌과학에서는 이런 해석을 과장된 일반화라고 봅니다. 실제로는 남녀 간 차이보다 개인차가 훨씬 크며, “남자는 단일 집중형, 여자는 다중 처리형”이라고 딱 잘라 말할 수는 없습니다. 즉, 뇌 구조만으로 사고 방식의 차이를 설명하기는 어렵다는 것이 현재 주류 입장입니다.아무래도 어릴 때부터 남아는 한 가지 일에 몰입하는 것이 긍정적으로 평가되고, 여아는 동시에 여러 일을 잘 처리하는 ‘돌봄 역할’을 훈련받는 경우가 많은데요, 이런 경험이 성인이 된 후에도 사고방식에 영향을 줍니다. 또한 호르몬이 뇌의 신경전달물질 활동에 영향을 줄 수 있어, 집중력이나 주의 전환 방식에 미묘한 차이를 주기도 하지만, 이것도 개인차가 크고 단일 요인으로 설명하기는 어렵습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 세균은 어떤 종류의 광합성 색소를 가지고 있나요?
네, 맞습니다. 세균의 광합성 색소는 우리가 흔히 식물에서 보는 엽록소와는 구조와 종류가 다르며, 세균의 광합성 방식에 따라 다양하게 존재합니다. 말씀하신 것처럼, 남세균을 제외한 대부분의 세균은 엽록소 a를 갖고 있지 않습니다.남세균은 엽록체의 조상으로 여겨지는데요, 엽록소 a와 엽록소 b 또는 카로티노이드, 피코빌리단 단백질을 사용합니다. 하지만 남세균을 제외한 그린 황세균, 퍼플 세균, 녹황세균 등은 엽록소 대신 세균형 엽록소를 사용합니다. 이들 세균은 엽록소 a처럼 빛을 흡수하지만, 흡수 파장 범위가 달라 식물이 이용하지 못하는 적색광~적외선 영역의 빛까지 흡수 가능하며 산소를 생성하지 않고 전자를 공급하기 위해 황화수소(H₂S)나 유기물을 전자공여체로 사용한다는 특징이 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 드라이아이스가 승화할 때 나는 흰색 연기는 무엇인가요?
드라이아이스는 고체 이산화탄소(CO₂)로, 상온이나 상압에서 액체 상태를 거치지 않고 바로 기체로 변하는 승화 현상을 겪는데요, 이때 나오는 이산화탄소 기체 자체는 무색, 무취이기 때문에, 눈에 보이는 흰색은 사실 이산화탄소가 아니라 주변 공기와 수분이 만들어내는 결과라고 볼 수 있습니다.드라이아이스가 승화하면서 표면이 매우 빠르게 냉각되는데요 그 결과, 주변 공기 속 수증기가 급격히 냉각 및 응결하여 미세한 물방울을 형성합니다. 이 미세한 물방울이 빛을 산란시키면서 우리가 보는 것처럼 흰색 안개 같은 연기로 보이게 되는 것이며 따라서, 드라이아이스의 흰색 연기는 마치 겨울철에 입김이 보이는 원리와 비슷합니다. 말씀해주신 것처럼 드라이아이스에 물을 부으면, 물이 드라이아이스 표면을 더 빨리 가열하여 승화 속도를 급격히 높이는데요, 동시에 따뜻한 물의 수증기 양이 많아지면서, 냉각된 CO₂ 기체와 만나 더 많은 수증기가 응결하여 흰 연기가 대량으로 발생하는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 수소연료 전지와 기존의 이 차 전지와의 기술적 수준
수소연료전지는 수소(H₂)와 산소(O₂)의 전기화학적 반응을 통해 전기를 생산하는 방식인데요, 이때 연소 과정이 아닌 전기화학적 반응으로 에너지를 얻기 때문에, 부산물은 물(H₂O)이 전부라서 친환경적입니다. 또한 단위 질량당 에너지 밀도가 수소는 매우 높기 때문에 같은 무게라면 리튬이온전지보다 더 많은 에너지를 저장할 수 있어, 장거리 운행이 용이합니다. 게다가 연료전지는 연속적으로 수소를 공급받으면 전기를 끊임없이 생산할 수 있으므로 따라서 버스나 트럭, 선박, 기차 등의 대형 차량에 유리합니다.반면 기존 이차 전지의 경우 이미 전력망이 전 세계에 깔려 있어 전기차 충전소 설치가 상대적으로 쉽습니다. 하지만 수소는 충전소 인프라 구축 비용이 매우 높습니다. 또한 리튬이온전지는 전력 변환 효율이 약 90% 이상으로 매우 높은데요, 이에 반해 수소연료전지는 생산–저장–이송 과정까지 고려하면 30~40% 정도로 낮습니다. 즉 수소연료전지의 경우 수소 생산, 저장,운송 비용이 높고, 충전소 인프라 부족이 큰 걸림돌입니다. 현재는 주로 "그린 수소"(재생에너지 기반 전기분해)보다는 "그레이 수소"(천연가스 개질) 방식이 많아, 환경적 순기능이 완전히 발휘되지 못하고 있습니다. 감사합니다.