안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
화학
Q. 금속끼리 공유 결합을 하는 경우에는 어떤 경우인가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 일반화학에서 “공유결합 = 비금속–비금속, 금속–금속은 금속결합”이라고 배우다 보니, 금속 간에 공유결합이 있다는 게 조금 헷갈릴 수 있는데요 사실 금속 원자들끼리도 전자를 공유하는 경우가 존재합니다. 우선 전이금속은 d 궤도가 있어 전자를 다양하게 배치할 수 있는데요, 이 d 궤도들이 직접 겹쳐서 단일, 이중, 삼중, 심지어 사중 결합까지 형성할 수 있습니다. 대표적인 예시로는 레늄–레늄 4중 결합이 있습니다. 또한 여러 금속 원자가 모여 작은 덩어리(클러스터)를 이루는 경우, 금속 원자끼리 직접 공유결합을 맺기도 하는데요, 예를 들자면 Fe₂(CO)₉와 같은 금속 카보닐 클러스터가 있습니다. 마지막으로 일부 금속 고체에서도 금속–금속 거리가 보통 금속결합 거리보다 짧아, 부분적으로 공유성 금속–금속 결합이 존재한다고 봅니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 앵무새는 아이큐가 얼마나 좋길래 사람의 말을 할까요??
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 앵무새가 사람 말을 따라하는 건 단순히 목소리를 낼 수 있는 성대 때문이 아니라, 특수한 발성기관과 높은 지능이 결합된 결과라고 볼 수 있습니다. 사람은 성대로 소리를 내지만, 새들은 기관지 끝에 있는 발성기관으로 소리를 내는데요, 앵무새의 발성기관은 매우 정교해서 사람 목소리의 높낮이, 리듬, 억양까지 모방할 수 있습니다. 그래서 사람 목소리와 비슷한 소리가 나오는 것이지, 성대 구조가 사람과 같은 건 아닙니다. 또한 앵무새는 소리 학습 능력을 가진 몇 안 되는 동물인데요, 이건 단순히 자극-반응이 아니라, 특정 소리를 듣고 기억하고 자기 발성을 조절해서 비슷하게 재현하며 사회적 맥락(주인에게 관심 받기, 교감, 보상 기대) 속에서 소리를 활용하는 것으로 대표적으로 회색앵무는 연구에서 사람 단어를 흉내내는 것뿐 아니라, 색깔·숫자·사물 개념을 이해하고 단어를 상황에 맞게 사용하는 능력까지 보였습니다. 즉, 단순한 반사가 아니라 인지·기억·소리 모방 능력이 결합된 결과인 것입니다. 이러한 앵무새는 동물지능을 IQ로 직접 비교하기는 어렵지만, 인지 수준으로는 어린아이(약 3~5세) 정도에 비유되기도 합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 노화 세포와 암세포의 분열 기전을 이용한 실험사례가 있을까요?
안녕하세요.네, 말씀해주신 사항은 이론적으로는 가능합니다. 주로 배양접시(in vitro)에서는 증명될 수 있으나 생체(in vivo)에서는 암화 위험 때문에 제약이 있을 수 있는데요, 핵심은 노화세포의 분열 정지를 붙잡고 있는 p53–p21, 텔로미어 단축, 그리고 후성유전 및 염색체 손상 흔적을 어떻게 풀 것인가입니다. 먼저, 고전적인 연구에서 사람 섬유아세포의 복제노화는 주로 p53이 유지하며, p53 기능을 억제하면 세포주기 재진입이 가능함이 보여졌는데요, 그러나 p16이 높은 세포는 p53 억제만으로는 완전히 풀리지 않거나 증식 회복이 제한됩니다. 다음으로 텔로머레이스(hTERT) 도입으로 텔로미어 단축에 의한 복제노화를 우회해 분열능을 회복시키는 실험은 매우 잘 확립돼 있는데요, 다만 스트레스 유도 노화나 p16-주도 노화에는 단독으로 충분치 않을 수 있습니다. 따라서 노화세포의 분열 재개 자체는 실험적으로 가능하지만 종양화 위험과 같은 제약이 있을 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 메뚜기가 점프를 높이 할수 있는건 무엇일까요?
안녕하세요.네, 메뚜기가 자기 몸 크기에 비해 아주 높이 점프할 수 있는 비결은 단순히 다리 근육의 힘만이 아니라, 에너지를 저장하고 순간적으로 방출하는 독특한 기계적 구조 덕분인데요, 메뚜기의 뒷다리에는 강력한 굴곡근과 신전근이 있지만 근육은 단독으로는 순간적으로 아주 큰 힘을 내기 어렵습니다. 그래서 메뚜기는 근육이 수축한 힘을 곧바로 쓰지 않고, 먼저 다리 관절 부위에 있는 단단한 키틴질 구조에 에너지 형태로 저장하는데요, 이는 마치 활시위를 잡아당겨 장전에너지를 모으는 것과 같습니다. 또한 메뚜기의 무릎 관절에는 일종의 잠금장치가 있어, 근육이 수축해도 다리가 곧바로 펴지지 않게 막는데요, 그동안 근육이 계속 에너지를 쌓아두면, 키틴질 구조가 탄성체처럼 에너지를 저장하게 되는 것입니다. 이러한 잠금 장치가 풀리면 저장된 에너지가 단숨에 해방되면서, 근육만으로는 낼 수 없는 순간적이고 폭발적인 힘이 발생합니다. 이 힘으로 다리가 빠르게 펴지면서 메뚜기는 자기 몸길이의 수십 배에 달하는 점프를 할 수 있게 됩니다. 게다가 메뚜기는 상대적으로 몸이 작고 가볍기 때문에 중력의 영향을 적게 받는데요, 포유류 같은 큰 동물은 몸집이 커질수록 중력의 영향이 커져 점프력이 제한되지만, 작은 곤충은 저장된 에너지를 몸 전체에 훨씬 효율적으로 전달할 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 얀핀셴의 실험에서 요소와 DTT에 처리 순서가 중요한 이유는 무엇인가요?
안녕하세요.네, 질문해주신 것과 같이 얀 핀셴의 실험은 리보뉴클레아제 A라는 효소를 가지고 단백질의 1차 구조인 아미노산 서열만으로도 올바른 3차 구조가 자발적으로 형성될 수 있음을 보여준 고전적인 연구인데요, 여기서 핵심은 요소(urea)와 DTT(dithiothreitol)의 처리 순서가 단백질의 올바른 재접힘에 결정적이라는 점입니다. 우선 요소는 단백질의 수소결합이나 소수성 상호작용과 같은 비공유적 상호작용을 파괴하여 3차 구조와 2차 구조를 풀어버리는데요 즉, 전체적으로 단백질이 변성된 상태를 만듭니다. 다음으로 DTT는 단백질 내의 이황화 결합(-S-S-)을 환원하여 끊어버리는데요, RNase A에는 여러 개의 시스테인 잔기가 있어 정상적으로는 정확한 쌍끼리 결합해야 하지만, 잘못된 조건에서 형성되면 비정상적인 이황화 결합이 생겨 단백질이 엉뚱하게 접힐 수 있습니다. 먼저 요소로 단백질의 비공유적 구조를 완전히 풀어주며 그러면 단백질은 선형 사슬 상태가 되고, 이 상태에서 DTT가 작용하면 모든 이황화 결합이 끊어집니다. 이후 요소를 제거하고 산화 조건(공기 중 등)을 제공하면, 단백질은 아미노산 서열의 정보에 따라 자발적으로 가장 안정한 3차 구조를 형성하면서 정확한 이황화 결합이 다시 형성됩니다. 반면에 먼저 DTT로 이황화 결합만 끊으면, 단백질은 여전히 부분적인 3차 구조와 2차 구조를 유지하고 있는데요, 이 상태에서는 자유 시스테인 잔기들이 잘못된 위치에서 서로 결합할 가능성이 높습니다. 따라서 그 후에 요소를 처리하더라도 이미 잘못된 다리가 걸려 있기 때문에 단백질이 다시 풀리지 않고 비정상적인 misfolded 상태에 갇히게 됩니다. 따라서 원래의 생물학적 활성을 가진 구조로 돌아가지 못하는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. GPCR이 유전체 발현의 촉진하는 경우도 있나요?
안녕하세요.네, 말씀해주신 것처럼 세포막수용체에 해당하는 티로신인산화효소 수용체에 신호분자로서 성장인자가 와서 결합하여 세포 내에서 연속전인 인산기 전달 과정이 나타나고 최종적으로 myc 전사인자를 활성화시키면서 세포분열을 촉진합니다. 또한 GPCR도 충분히 유전자 발현을 촉진할 수 있는데요, 다만 방식이티로신인산화효소 수용체처럼 직접적인 인산화 경로가 아니라, G단백질과 2차 신호전달자를 매개로 전사인자를 조절하는 형태입니다. GPCR이 Gs 단백질을 활성화하면 adenylate cyclase가 활성화되어 cAMP 농도가 증가하는데요, cAMP는 PKA(단백질 인산화효소 A)를 활성화시키고, PKA는 핵 내 전사인자 CREB를 인산화하며, 결과적으로 인산화된 CREB는 DNA의 CRE(cAMP response element)에 결합하여 특정 유전자의 발현을 촉진할 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 활성산소가 세포에 악영향을 미치는 이유가 무엇인가요?
안녕하세요.네, 질문해주신 것처럼 세포에서 생성되는 활성산소종(reactive oxygen species, ROS)는 말 그대로 반응성이 매우 높은 산소 분자 혹은 라디칼인데, 전자를 불안정하게 가지고 있어 다른 분자와 쉽게 반응하려는 성질을 가집니다. 이러한 특성 때문에 ROS는 세포 내에서 과도하게 축적되면 여러 가지 구조적, 기능적 손상을 일으키게 되는데요, 우선 세포막은 주로 불포화지방산으로 이루어져 있는데, ROS가 이중결합을 공격하면 지질 과산화가 일어납니다. 그 결과 막의 유동성이 저하되고, 세포막이 손상되며, 세포 내외의 이온 균형이 무너져 세포 생존에 치명적인 영향을 줍니다. 또한 ROS는 단백질의 황화기, 방향족 아미노산 잔기 등에 쉽게 결합해 구조를 변형시키거나 변성시킵니다. 효소 단백질이 손상되면 촉매 기능을 잃고, 수용체 단백질이나 구조 단백질이 손상되면 세포 기능 전반이 흔들리게 됩니다. 게다가 ROS는 염기 산화, DNA 가닥 절단, 염기 교차 결합 등을 유발할 수 있는데요, 이는 유전자 변이, 암 발생, 세포 노화 등으로 이어질 수 있으며, 세포가 정상적으로 분열·증식하지 못하게 만듭니다. 즉, 활성산소는 원래 세포 신호전달이나 대식세포가 세균을 죽이는 경우와 같은 면역 반응 등 유익한 역할도 하지만, 과도하게 축적되면 세포 내 주요 분자(지질, 단백질, DNA)를 무차별적으로 산화시켜 손상을 일으키기 때문에 세포에 해로운 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 왜 춥거나 무서울 때면 몸에 닭살이 돋게 되는건지
안녕하세요.네, 말씀하신 닭살은 사실 우리 몸에 남아 있는 진화적 흔적인데요, 피부에는 털 한 올마다 털세움근(arrector pili muscle)이라는 아주 작은 근육이 붙어 있습니다. 인간이 추위나 공포·긴장 같은 자극을 받으면, 교감신경이 활성화되면서 털세움근이 수축하게 되면서 털이 곧게 서고, 그 부위의 피부가 오돌토돌하게 올라옵니다. 이것이 우리가 일반적으로 표현하는 소름, 닭살입니다. 인류 조상(유인원 계열) 시절에는 털이 훨씬 많았기 때문에 체온 유지와 방어에 실제로 도움이 되었지만 인류가 진화하면서 체모가 줄고, 옷·불·도구를 쓰게 되면서 이 기능은 사실상 필요 없어졌습니다. 그럼에도 불구하고, 털세움근과 관련된 신경 반사는 완전히 사라지지 않고 남아 있는 일종의 '퇴화된 반사작용'으로 남아 있는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 기후 변화 속에서 미래의 기술로 스마트팜이 진짜 대안이 될지?
안녕하세요.네, 질문해주신 것처럼 스마트팜(smart farm)은 기후 위기와 농업 생산성 문제의 대안 중 하나이긴 하지만, 동시에 한계와 조건이 있는데요, IoT·센서·자동화 시스템으로 온도, 습도, CO₂, 빛, 양액 등을 정밀 제어하여 폭염, 가뭄, 폭우 같은 기후 리스크를 최소화할 수 있으며, 실제로 네덜란드·이스라엘의 스마트 온실은 연중 일정한 생산이 가능합니다. 또한 자원 효율성의 측면에서 수경재배·폐쇄 순환 시스템으로 물 사용량은 노지 대비 최대 90% 절약, 비료 사용도 줄어드는데요, 또한 화학 농약 의존도가 낮아져 환경 부담 감소하게 됩니다. 하지만 초기 투자 비용의 측면에서 첨단 온실, ICT 시스템, 유지보수까지 포함하면 수억~수십억 원 단위의 금액이 필요하기 때문에 보조금 지원이 있어도 중소 농가에는 부담이 큽니다. 또한 단순히 자동화가 아니라, 데이터 해석·시스템 유지·작물학적 지식이 필요하기 때문에 고령 농민이나 소규모 농가에겐 장벽으로 작용할 수 있으며, 이로 인하여 숙련된 인력이 없으면 비싼 비닐하우스가 될 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 나방 같은 곤충들에 자란 털은 원리가 뭔가요
안녕하세요.네, 질문해주신 것처럼 사람을 포함한 포유류의 털과 곤충의 털처럼 보이는 구조의 원리에는 차이가 있는데요, 곤충의 몸 표면은 키틴질로 된 단단한 껍데기인 외골격으로 덮여 있고, 그 위에 다양한 돌기 구조가 있습니다. 나방이나 나비의 날개 비늘, 몸의 털처럼 보이는 것들은 사실 키틴질이 돌출된 구조물이지, 우리가 생각하는 털이 모공에서 자라는 것이 아닌데요, 즉 말씀하신 것처럼 포유류는 진피 속 모낭에서 털이 자라기 때문에 모공이 존재합니다. 하지만 곤충은 피부(외골격)가 단단한 키틴질이라서, 모낭 같은 기관이 없으며, 대신, 곤충의 털은 외골격이 돌출된 구조이며, 특정 세포(모세포)가 껍질 형성 과정에서 바깥쪽으로 키틴을 분비해 만든 돌기입니다. 즉, 곤충의 털은 살에서 자라는 것이 아니라 껍데기와 함께 형성되는 일종의 돌기라고 할 수 있겠습니다. 감사합니다.