안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. DMZ에서 신기했던 곤충이 뭔지 궁금합니다
안녕하세요. 네, 말씀해주신 특징을 가지고 있는 곤충은 우리나라 산림지대, 특히 DMZ 같이 사람 손길이 적은 곳에서 흔히 볼 수 있는 “부전나방과” 또는 “명나방과" 애벌레일 가능성이 높은데요, 특히 “쐐기나방류 애벌레”는 꼬리 끝에 꽃이나 잔털이 뭉쳐 있는 것 같은 장식 구조를 가지고, 위협을 받으면 그 꼬리를 위로 치켜세우거나 말아 올리며 방어 행동을 보입니다. 이 구조는 천적에게 자신을 더 크게 보이게 하거나, 실제 꽃·식물 조각처럼 위장하기 위한 일종의 보호색이나 모방 전략으로 알려져 있습니다. 또 다른 후보는 “뿔나방 애벌레”로 예를 들어 박각시나방 애벌레인데요, 이들은 꼬리 끝에 뿔 같은 돌기가 있으며, 종에 따라 그 끝이 꽃받침처럼 보이기도 하고, 자극을 주면 몸을 구부리거나 꼬리를 세워 위협 자세를 취합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 거북이의 성 결정 방식이 온도에 의해서 조절되는 메커니즘 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 일반적인 생명체들은 태어날 때부터 성이 결정된 상태이지만 그렇지 않은 경우도 있는데요, 거북이와 악어·일부 도마뱀에서는 성염색체가 따로 없고, 알이 부화하는 동안의 온도가 성을 결정하는 핵심 요인이 됩니다. 거북이의 경우에는 부화 초반이 아니라 배 발달 중간 시기(대략 전체 배 발달의 1/3 ~ 2/3 구간)에 성이 결정되는데요, 이 시기에 온도가 성별 분화를 이끄는 신호로 작용합니다. 이때 핵심은 스테로이드 합성 효소들의 발현 차이인데요, CYP19A1 (aromatase)는 안드로겐(테스토스테론)을 에스트로겐(에스트라디올)으로 바꾸는 효소인데요, 고온에서는 aromatase 발현이 활성화되어서 에스트로겐이 증가하고 이로 인해서 난소가 발달하기 때문에 암컷이 되는 것입니다. 반면에 저온에서는 aromatase 발현이 줄어들기 때문에 테스토스테론이 유지되고 고환이 발달하여 수컷으로 성이 결정되는 것입니다. 즉, 온도가 호르몬 합성 경로를 바꾸어 난소,고환 발달을 유도하게 되는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 계절에 따라서 꽃이 개화하는 시기가 달라지는데 그렇게 개화를 조절할 수 있는 유전자는 무엇인가요?
안녕하세요.네, 말씀해주신 것처럼 계절에 따라서 개화하는 꽃에는 차이가 있는데요, 계절에 따라 꽃이 피는 시기가 달라지는 현상은 식물이 낮과 밤의 길이나 온도 등의 주변 환경 신호를 감지하고 이를 개화 관련 유전자 네트워크로 전환하는 과정에서 결정되는 것입니다. 개화 시기를 조절하는 주요 유전자로는 FT 유전자가 있는데요, 흔히 "플로리젠" 유전자라 불리며 잎에서 낮과 밤의 길이를 감지한 뒤, FT 단백질이 합성되어 체관을 통해 줄기의 분열조직으로 이동합니다. FT 단백질이 분열조직에서 FD 단백질과 결합하면, 꽃 형성 유전자들을 켜서 개화를 유도하는데요 이때 FT는 환경 신호를 꽃 개화 신호로 변환하는 핵심 스위치 역할을 합니다. 다음으로는 CO 유전자가 있는데요, 이는 빛의 길이인 광주기를 인식하는 데 중요한 전사인자입니다. CO 단백질은 낮 동안 안정화되고 밤에는 분해되는데, 낮이 긴 시기(장일성 식물에서는 여름)에는 충분히 축적되어 FT 유전자의 발현을 촉진합니다. 예를 들자면 애기장대와 같은 장일성 식물은 낮이 길어질 때 CO가 FT를 켜서 여름에 꽃을 피우고, 벼와 같은 단일성 식물은 낮이 짧아질 때 CO의 작용 방식이 달라져 가을에 개화합니다. 마지막으로 FLC 유전자는 개화를 억제하는 유전자인데요, 특히 겨울을 지나야 꽃을 피우는 식물은 FLC가 FT와 SOC1 같은 개화 촉진 유전자를 막고 있다가, 일정 기간 동안 저온에 노출되는 춘화 과정을 통해 FLC 발현이 꺼지면서 비로소 개화가 가능하며 이 때문에 식물은 "겨울을 지나야 봄에 꽃을 피운다"는 계절성을 확보하게 되는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 환경에 따라 성별이 바뀌는 생물들은 왜 그렇게 진화한 건가요?
안녕하세요.네, 질문해주신 것처럼 일반적으로 생물들은 태어날 때 성별이 정해져있지만 일부 어류나 파충류, 무척추동물에서는 환경이나 개체의 크기, 사회적 요인에 따라 성이 바뀌는 현상이 나타나는데요, 이 현상은 단순한 특이 현상이 아니라, 번식 성공도를 극대화하기 위해 진화적으로 선택된 전략입니다. 어떤 종에서는 큰 개체일수록 많은 알을 낳을 수 있고, 작은 개체일수록 알을 지키거나 정자를 뿌리는 쪽이 더 유리한데요, 예를 들어 청줄돔같은 어류는 작을 때는 암컷으로 살다가, 어느 정도 커지고 무리를 지배할 힘이 생기면 수컷으로 바뀝니다. 이렇게 하면 작을 때는 알을 낳으며 번식에 기여하고, 클 때는 무리를 지배하며 수컷으로 더 많은 암컷과 짝짓기를 할 수 있기 때문입니다. 반면 광어, 농어류 일부에서는 어릴 때 수컷으로 살다가, 나중에 덩치가 커지면 암컷으로 바뀌는데요, 왜냐하면 암컷의 번식 성공은 체격이 클수록 낳는 알의 수가 많아지기 때문에, 성적으로 큰 이득을 보기 때문입니다. 즉, 성별 전환은 개체의 크기·연령에 따라 어느 성으로 사는 것이 더 번식적으로 유리한가를 최적화하는 전략인 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 카멜레온이나 문어의 색의태는 어떤 원리인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것처럼 카멜레온과 문어가 보여주는 색 의태 현상은 단순히 피부에 색소만 있는 것이 아니라, 피부에 존재하는 특수 세포들의 다층적 구조와 신경·호르몬 조절에 의해 이루어집니다. 카멜레온의 피부는 여러 층의 특수 세포로 이루어져 있는데요, 멜라노포어는 검은색 계열 색소(멜라닌)를 포함한 세포로, 색소 입자를 확산시키면 피부가 어두워지고, 응축시키면 밝아집니다. 잔토포어는 각각 노란색, 붉은색 색소를 가진 세포로 피부의 기본적인 따뜻한 색을 만듭니다. 마지막으로 이리도포어는 가장 중요한 층으로, 구아닌 결정이 격자처럼 배열되어 있어 빛의 파장을 반사·굴절시킵니다. 카멜레온은 이 세포의 구조를 미세하게 조절해 반사되는 빛의 파장을 바꾸어 파란색·녹색·심지어 금속성 색까지 낼 수 있습니다. 즉, 카멜레온의 색 변화는 단순히 색소의 양에 의해 결정되는 것이 아니라, 피부 세포 결정 구조를 능동적으로 조절하여 빛의 간섭 효과를 바꾸는 것이 핵심인데요, 이 과정은 신경 신호와 호르몬에 의해 빠르게 일어납니다. 다음으로 문어나 오징어, 갑오징어 같은 두족류는 카멜레온보다 더 정교한 위장을 할 수 있는데요, 그 이유는 피부에 색소세포와 반사세포, 그리고 발광세포까지 갖추고 있기 때문입니다. 또한 문어의 경우 눈이 매우 발달해 주변 환경의 패턴과 색을 인식한 뒤, 뇌에서 즉시 신경 신호를 보내 피부 세포 배열을 바꾸므로, 색뿐 아니라 질감과 무늬까지 흉내 낼 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 식물의 2차세포벽은 왜 죽은 세포벽이라고 부르는 것인가요?
안녕하세요.질문해주신 것과 식물 세포벽을 "살아있는 세포벽"과 "죽은 세포벽"으로 구분하는 표현은 세포의 생리적 상태와 기능과 관련이 있는데요, 우선 1차 세포벽은 세포가 분열하고 자라날 때 처음 형성되는 세포벽으로 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 펙틴으로 구성되어 있기 때문에 비교적 유연하고 신장성이 좋습니다. 세포가 성장하면서 늘어나야 하기 때문에 가변적인 구조이며, 이 시기의 세포는 대사 활동을 활발히 하고 있으며, 살아있는 원형질(세포질)을 가지고 있기 때문에 살아있는 세포벽이라고 부릅니다. 반면에 2차 세포벽은 세포가 성장을 멈춘 후, 1차 세포벽 안쪽에 새롭게 침착된 세포벽인데요, 셀룰로오스가 훨씬 조밀하게 배열되고, 리그닌(lignin) 성분이 침착되어 있기 때문에 매우 단단하고 불투수성이 큽니다. 이로 인해 결과적으로 세포벽이 두꺼워져서 더 이상 신장이 불가능해지며, 리그닌 등의 성분으로 인하여 물질 교환이 불가능해지기 때문에 결국 내부 원형질이 죽게 되어서 죽은 세포벽이라고 부르는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 대체감미료를 먹었을 때 단맛을 느낄 수 있는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요.네, 질문해주신 것과 같이 설탕 이외의 대체감미료를 먹었을 때에도 단 맛이 느껴지는 이유는 혀의 단맛 수용체와 분자 구조의 상호작용 때문입니다. 혀의 맛봉오리에는 단맛 수용체(T1R2/T1R3 단백질)가 있는데요 이 수용체는 G-단백질 연결 수용체(GPCR)의 일종으로, 특정한 입체 구조를 가진 분자가 붙으면 활성화되어 뇌로 단 맛이라는 신호를 보냅니다. 즉, 꼭 포도당이나 자당이 아니더라도 수용체에 맞는 열쇠 모양(분자 구조)을 가진 물질이면 단맛을 느낄 수 있습니다. 천연 및 합성 감미료(아스파탐, 사카린, 스테비오사이드 등)는 설탕과 완전히 동일한 화학식은 아니지만, 수용체가 인식할 수 있는 공간적·전하적 배열을 가지고 있는데요, 그래서 설탕과 유사하게 단맛 수용체를 자극하는 것이며, 일부는 설탕보다 훨씬 강하게 결합하기 때문에 같은 양으로도 수십~수천 배의 단맛을 낼 수 있는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 물의 자동이온화 반응이 일어나는 원리는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것처럼 산-염기 반응이 나타날 때 물은 스스로 약한 산과 약한 염기로 동시에 작용할 수 있는데요, 자동이온화가 일어나는 이유는 물 분자가 양성자(H⁺)를 주고받을 수 있는 능력을 갖기 때문입니다. 물 분자는 O–H 결합이 극성이며, 산소는 전기음성도가 크기 때문에 전자 밀도가 산소 쪽으로 치우쳐 있는데요, 이 때문에 수소 원자는 부분 양전하(δ⁺)를 띠어 쉽게 떨어져 나갈 수 있습니다. 이때 한 분자의 물이 산(Acid)처럼 H⁺를 내놓을 수 있고, 다른 분자의 물이 염기(Base)처럼 H⁺를 받아들일 수 있는데요 따라서 물 분자끼리 충돌 시, 일부가 H⁺를 주고받게 되며 상온(25 ℃)에서 물 분자들이 끊임없이 운동하다가 일부가 이온화되며, 대부분은 다시 결합합니다. 즉 물은 순수해도 이온이 전혀 없는 것이 아니라 소량의 H+을 주고 받은 이온 상태로 존재하게 되며 이 때문에 pH 개념을 정의할 수 있고, 산성과 염기의 기준이 마련됩니다. 감사합니다.
화학
Q. 스테이크를 뒤집는 횟수와 타이밍이 열전달과 표면 갈변에 미치는 영향이 무엇인가요
안녕하세요.네, 말씀해주신 것과 같이 스테이크 조리에서 언제, 얼마나 자주 뒤집는가는 단순한 조리 습관이 아니라 열전달 방식과 화학 반응(특히 갈변, Maillard 반응)에 직접적으로 관여하는데요, 우선 스테이크가 팬이나 그릴에 닿으면 전도와 복사 및 대류를 통해 열이 내부로 퍼집니다. 이때 한쪽 면만 오래 두면 열이 한쪽에서 깊숙이 들어가고 반대쪽은 상대적으로 차가운 상태가 되어, 내부 온도 분포가 비대칭이 됩니다. 뒤집기를 적게 할 경우에는 한쪽 면이 오랫동안 가열되어 표면이 빠르게 갈변하고 바삭한 껍질이 잘 형성될 수 있지만, 내부 온도가 한쪽에서만 들어가므로 중앙부까지 고르게 가열되기까지 시간이 오래 걸리고 과열 및 수분 손실이 늘어날 수 있습니다. 반대로 뒤집기를 자주 할 경우 열이 양쪽에서 번갈아 들어오기 때문에 내부가 더 고르게 데워집니다. 이로 인해 스테이크 전체가 목표 온도에 빨리 도달하고, 내부 온도 기울기가 완만해져 균일한 미디움 레어나 미디움을 얻기 쉽습니다.대신 한쪽 면에 장시간 고온이 머무르지 않기 때문에 표면의 강한 갈변이나 두꺼운 크러스트는 다소 약해질 수 있습니다. 다음으로 Maillard 반응은 아미노산과 당이 140~165℃ 이상에서 반응하여 갈색 색소와 향미를 만드는 과정인데요, 한 면을 오래 구우면 해당 면이 지속적으로 높은 온도를 유지하므로 짙은 갈변과 진한 풍미가 납니다. 자주 뒤집으면 표면이 열을 받다가 곧 식는 과정을 반복하므로, 각 사이클에서 갈변 속도가 조금씩 끊기게 되며 따라서 고르게 얇은 갈변층이 형성되고, 강렬한 크러스트는 약할 수 있습니다. 그러나 충분히 예열된 팬에서 자주 뒤집더라도, 전체 누적 열량이 확보되면 갈변은 일어나므로 완전히 부족해지지는 않을 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 카페인 추출 실험 및 물벼룩 심장박동 실험에 대해서..
안녕하세요. 질문해주신 것처럼 카페인 추출 실험 및 물벼룩 심장박동 실험을 진행하실 때, 카페인 분자(C₈H₁₀N₄O₂)는 천연이든 합성이든 화학식과 구조가 완전히 동일하므로, 카페인만 순수하게 분리해서 물벼룩이나 식물에 투여한다면 생리학적 효과에 차이는 나지 않을 것입니다. 다만 실제 실험에서는 공저추출된 커피의 메틸잔틴이나 폴리페놀, 에너지음료의 타우린 등의 다른 성분이 미량만 섞여도 결과에 영향을 줄 수 있으므로 따라서 순도 관리와 대조군 설계가 중요할 것 같습니다. 감사합니다.