안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
화학
Q. 이온들끼리 결합하여 고체결정을 형성할 때 에너지는 왜 방출되나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 이온 결합에서 왜 격자에너지가 방출되는가는 화학 결합의 안정성과 직접적으로 연결되는데요, 개별적으로 떨어져 있는 양이온(+)과 음이온(-)은 전기적으로 강하게 서로 끌어당기는데요, 하지만 이때는 아직 서로 분리된 상태이므로, 이온 각각은 불안정하고 에너지가 상대적으로 높습니다. 이온들이 모여 규칙적인 고체 결정(이온 결정)을 만들면, 각 이온은 주변의 반대 전하 이온들에 의해 강하게 둘러싸이게 되는데요, 이로 인해 시스템 전체의 퍼텐셜 에너지가 크게 낮아집니다. 즉, 낮은 에너지 상태로 가면서 여분의 에너지 차이가 밖으로 방출되는데, 이것이 바로 격자 에너지이며, 이온들이 흩어져 있을 때보다 서로 결합해 결정 구조를 형성했을 때 에너지가 낮으므로, 이 낮아진 에너지만큼이 열(에너지)로 방출되기 때문에 발열반응으로 진행되는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 철새들이 계절에 따라 이동을 하며 얼마나 많은 에너지를 소비하며 휴식과 영양 보충을 어디서 어떻게 하는지?
안녕하세요.네, 질문해주신 철새들의 장거리 이동은 동물계에서 가장 극적인 에너지 소비와 생존 전략의 사례인데요, 새는 날개를 퍼덕이며 나는 동안 기초 대사량의 10~20배 이상 에너지를 소비하는데요, 이런 이동에는 체중의 40~60%를 지방 형태로 저장해 출발하게 되며, 지방은 단백질·탄수화물보다 에너지 밀도가 높아 장거리 비행에 최적입니다. 또한 대부분의 철새는 장거리 이동 중 중간 기착지에서 체력을 보충하는데요, 습지나 갯벌, 호수 주변 등의 장소에서 철새들이 곤충·무척추동물·씨앗·수생식물 등을 집중적으로 섭취하게 되며 예를 들어서 한국 서해안 갯벌은 동아시아–호주 철새 이동 경로(EAAF)의 핵심 중간 기착지로 작용합니다. 이 과정에서 철새들은 처음에는 지방을 사용하고 장거리 이동 중 후반에는 단백질(근육)까지 일부 분해해 에너지를 확보합니다. 또한 이동 중의 생존 전략으로는 많은 작은 철새는 낮에는 휴식, 밤에 날아 체온과 수분 손실 줄이고 무리를 지어 V자 대형을 이루면 선두가 공기 저항을 깎아주어 뒤따르는 개체는 약 20~30% 에너지 절약하게 됩니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 새들이 천적이나 포식자로부터 자신과 새끼를 보호하기 위해 사용하는 다양한 방어전략과 경고 신호 위장술은 어떤 것들이 있을까요?
안녕하세요.네, 질문해주신 것과 같이 새들은 오랜 진화 과정에서 자신과 알, 새끼를 보호하기 위해 다양한 전략을 발전시켜왔는데요, 땅에 둥지 짓는 새는 알 껍질 무늬가 자갈이나 풀색과 닮아 눈에 잘 띄지 않고, 갈색이나 회색 계열 깃털로 숲 바닥, 나무껍질에 섞일 수 있습니다. 또한 특정한 소리를 내어 무리에게 포식자가 접근했음을 알리기도 하며, 날개 펼치기, 부리로 쪼기, 날카로운 소리 내기 등으로 포식자 위협할 수도 있습니다. 이외에도 작은 새들이 모여 큰 포식자(올빼미, 매)를 집단으로 괴롭혀 쫓아내는 무리 지어서 공격하는 방식을 취할 수도 있으며, 나무 구멍, 절벽 틈, 수풀 깊은 곳 등 잘 보이지 않는 장소 선택하여 둥지를 은폐할 수도 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 왜 어떤 새는 나무 위에 둥지를 짓고 어떤 새는 땅에 둥지를 틀까요?
안녕하세요.네, 질문주신 것처럼 어떤 새는 나무 위에 둥지를 짓기도 하며, 어떤 새는 땅에 둥지를 틀기도 하는데요, 새들의 둥지짓기 전략은 단순한 습관이 아니라, 생존·번식 성공률을 극대화하는 진화적 적응의 결과라고 볼 수 있습니다. 나무 위에 둥지를 트는 새의 경우에는 포식자 회피를 하기 위함이 큰데요, 뱀, 여우, 고양이 같은 지상 포식자로부터 안전해지며 높은 위치에서 주변을 살피고 위험을 빨리 감지할 수 있고 바람, 햇볕 등을 활용해 알을 일정한 온도로 유지하기 용이합니다. 반면에 땅 위에 둥지를 짓는 새의 경우에는 풀, 자갈, 모래 속에 알과 둥지를 숨겨서 포식자가 발견하기 어렵게 하는 위장 효과가 있습니다. 즉 나무 위 둥지는 지상 포식자에게 안전하지만, 까마귀·뱀 같은 나무 오르는 포식자에게는 취약하며 반면에 땅 둥지는 포식 위험이 크지만, 위장 효과와 새끼의 일찍 걷기 능력으로 대응할 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 멜라토닌이 수면에 어떤 영향을 끼치는 건가요?
안녕하세요.네, 질문주신 사항에 대해 답변드리자면 많은 분들이 멜라토닌은 수면제라고 생각하시지만, 사실 멜라토닌은 직접 잠들게 만드는 약이 아니라 몸의 생체시계를 맞춰주는 호르몬인데요, 이때 멜라토닌은 뇌의 송과체에서 분비됩니다. 빛, 특히 푸른빛(블루라이트)이 줄어들면 분비가 증가하고, 햇빛이나 조명에 노출되면 분비가 억제되는데요 보통 저녁이 되면 자연스럽게 분비가 늘어나 잘 시간이라는 신호를 몸에 줍니다. 이러한 멜라토닌은 뇌의 시상하부(시교차상핵, SCN)에 작용하여 일주기 리듬(24시간 생체시계)을 조절하는데요, 이 과정에서 체온을 조금 낮추고, 심박수를 줄이며, 뇌를 밤 모드로 전환시켜 잠이 오기 쉽게 환경을 만듭니다. 즉 멜라토닌은 깊은 수면(특히 REM 수면)에 직접적으로 크게 영향을 주는 것은 아니지만, 잠들기까지 걸리는 시간을 단축시키는 데 효과가 있으며 그래서 시차 적응, 교대 근무, 빛 노출에 따른 불면 같은 상황에서 도움이 됩니다. 멜라토닌을 복용할 때에는 수면제처럼 강제로 잠들게 하는 것이 아니므로, 즉각적인 ‘강한 졸음’은 오지 않을 수도 있으며 장기간 과다 복용 시, 뇌의 멜라토닌 분비 리듬이 깨질 수 있어 의학적 조언 하에 사용하는 게 좋을 것 같습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 뱀은 같은 종류의 뱀독에 대해서는 내성이 있나요?
안녕하세요.네, 질문해주신 것처럼 뱀은 같은 종 또는 근연종의 독에 대해 일정한 내성을 가지는 경우가 많지만 절대적인 면역은 가지고 있는 것은 아닙니다. 많은 독사(살모사, 방울뱀 등)들은 자신의 독이나 같은 종의 독에 대해 어느 정도 내성을 가지고 있는데요, 이는 혈청 내에 독소와 결합해 중화하는 단백질(항독성 단백질, 항독소 단백질)이 존재하기 때문입니다. 하지만 완전한 면역은 아니기 때문에, 개체의 크기, 독 주입량, 주입 위치에 따라 치명적일 수 있습니다. 또한 살모사류와 방울뱀류와 같이 같은 계통끼리는 어느 정도 교차 내성이 있을 수 있지만, 계통이 멀리 떨어진 독, 예를 들자면 코브라의 신경독과 살모사나 방울뱀의 혈액독에는 내성이 약하거나 없습니다. 즉, 코브라가 살모사를 물면 살모사가 심각한 피해를 입을 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 새가 자연에서 먹이를 찾는 방법에는 어떤 것들이 있을까요?
안녕하세요.네, 질문해주신 사항에 대해 답변해드리자면 새들은 생태적 지위와 먹이 종류(벌레, 씨앗, 과일, 물고기 등)에 따라 다양한 방법으로 먹이를 찾는데요, 우선 낮에 활동하는 새 대부분이 시각이 매우 발달하였기 때문에 나뭇잎·나무껍질 틈새, 땅 위 곤충 탐색을 하며, 일부 새들은 낙엽 아래 움직이는 곤충 소리나 토양 속 벌레 소리를 듣고 잡기도 합니다. 먹이 경쟁에서 우위를 탐하는 전략은 시간적인 분할 방식을 활용할 수 있는데요, 같은 먹이를 먹더라도 먹이 활동 시간을 달리하거나 또는 공간적 분할을 통해 같은 숲이라도 새마다 먹이 찾는 장소를 다르게 할 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 식습관이나 생활 습관이 세포 노화 억제에 영향을 줄 수 있을까요??
안녕하세요.네, 질문해주신 것과 같이 식습관이나 생활습관은 세포 노화 진행 속도 억제에 도움을 줄 수 있습니다. 세포 노화는 유전적 요인과 식습관 및 생활습관을 포함한 환경적 요인에 모두 영향을 받는데요, 최근 연구들에서는 생활습관 관리가 세포 수준에서 노화 억제 신호를 유도할 수 있다는 근거들이 많이 제시되고 있습니다. 우선 세포 노화의 주요 원인 중 하나는 텔로미어 서열의 단축인데요, 세포 분열할 때마다 염색체 끝부분이 점차 짧아지는데 이로 인하여 세포 분열 한계에 도달하게 됩니다. 또한 체내에 활성산소(ROS)가 축적되는 산화적 스트레스로 인하여 체내 중요한 거대분자인 DNA나 지질 등이 손상될 수 있습니다. 따라서 베리류, 녹차, 토마토, 올리브오일 등의 항산화식품을 섭취하여 활성산소를 제거해주거나 적당한 유산소 운동을 통해 미토콘드리아 기능 강화, 활성산소 제거 효소 증가하는 것은 노화 억제에 도움을 줄 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 세포호흡 시에 유산소호흡을 안하는 경우는 최종 전자 수용체를 무엇을 쓰나요?
안녕하세요.질문해주신 것과 같이 세포호흡에서 최종 전자 수용체는 어떤 호흡 방식을 하느냐에 따라 달라지는데요, 인간과 같이 유산소 호흡을 하는 경우에는 O₂가 전자를 받아 물(H₂O)을 형성하며 이는 가장 효율적인 방식으로 ATP를 많이 합성하는 방법입니다. 반면에 무산소 호흡은 산소 대신 다른 무기물(산화제)이 최종 전자 수용체가 되는데요, 질산염(NO₃⁻)이나 황산염(SO₄²⁻) 등을 사용하게 되며, 이 방식은 단순히 산소가 없는 발효와는 다르고, 여전히 전자전달계(ETC)를 사용하지만 O₂ 대신 다른 전자 수용체를 활용하는 방식이라고 볼 수 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 베릴늄은 어떤 기능으로 쓰이는지 궁금합니다
안녕하세요.네, 말씀해주신 것과 같이 베릴륨(Be)은 말씀하신 것처럼 인체에 매우 유해하고 발암 물질로 분류되어 있어 직접 취급은 위험한데요, 우선 베릴륨은 알루미늄보다도 가벼울 정도로 매우 가볍고 강도와 경도가 높으며 높은 열전도도와 전기 전도도를 갖고, X-선에 대해 투명하며 다른 금속과 합금 시 탄성, 강도, 내식성이 크게 향상된다는 특징을 지닙니다. 베릴륨이 활용될 수 있는 분야로는 대표적으로 '항공우주'분야가 있는데요, 가볍고 단단해서 위성, 우주선, 제트기 부품에 사용되며 열 변형이 적어 정밀 기계 구조에 적합합니다. 또한 중성자를 잘 반사하고 흡수하지 않는 성질 때문에 원자로에서 중성자 반사체, 감속재로 활용될 수 있습니다. 또한 구리와 합금(베릴륨-구리 합금, Cu-Be)으로 제작하여 스프링, 전기 접점, 고강도 도구에 활용할 수도 있습니다. 하지만 베릴륨 먼지나 증기 흡입 시 치명적으로 작용할 수 있기 때문에 그래서 작업장은 반드시 밀폐, 환기, 보호 장비 착용이 필수이며 현재는 대체 소재 연구도 활발히 진행 중입니다. 감사합니다.