안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. 결핵균만 카르보 푹신으로 염색했을 때 염색이 되는 원리는 무엇인가요?
안녕하세요.네, 질문해주신 결핵균(Mycobacterium tuberculosis)은 흔히 그람양성균 계열에 속하지만, 일반적인 그람염색으로는 잘 보이지 않고, 대신 카르볼 푹신(carbol fuchsin) 같은 항산성 염색법(예: 지일-닐슨 염색, Ziehl–Neelsen stain)으로 염색되는데요, 결핵균은 세포벽에 마이콜산(mycolic acid)이라는 긴 사슬의 지방산을 다량 포함하고 있습니다. 이 마이콜산 때문에 세포벽이 두껍고, 밀랍처럼 소수성·방수성을 띠며, 그 결과 일반적인 수용성 염색액(그람염색 등)이 잘 침투하지 못합니다. 카르볼 푹신은 지용성 염료이며, 가열하면서 처리하면 세포벽의 밀랍층 속으로 강제로 스며드는데요, 일단 침투하면 마이콜산과 강하게 결합해서 세포벽 안에 남아있게 됩니다. 따라서 이후 강한 산성 알코올 용액으로 탈색을 시도해도, 일반 세균은 염색이 쉽게 빠지지만, 결핵균은 마이콜산 때문에 염색이 빠지지 않고 붉은색(카르볼 푹신색)을 유지합니다. 그래서 "산에 견디는 성질"을 가지고 있기 때문에 이를 항산성이라고 부릅니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 아밀로오스와 아밀로펙틴이 요오드화 반응에서 서로 다른 결과를 보이는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요.질문해주신 것처럼 아밀로오스와 아밀로펙틴은 둘 다 녹말에 속하지만 요오드(I₂/KI 용액)와 반응할 때 서로 다른 색을 나타내는데요, 우선아밀로오스의 구조적 특징은 α-1,4 글리코시드 결합만으로 이루어진 직선형 사슬 다당류라는 점이고, 수용액에서 긴 사슬이 나선형(helix) 구조를 형성하기 때문에 요오드 분자는 직선형 사슬이 만든 나선의 내부 공간에 들어가 안정적으로 포획됩니다. 이때 요오드 분자들이 나선 속에서 배열되면서 전자적 상호작용을 일으켜, 전자전이가 가능한 착물(complex)이 형성되며 이 복합체가 빛을 흡수하면서 특징적인 청남색(푸른색)을 띠게 됩니다. 반면에 아밀로펙틴은 α-1,4 결합으로 이루어진 기본 사슬에 더해, 일정 간격으로 α-1,6 결합에 의한 가지(branch)가 붙어 있는데요, 가지가 많아 전체적으로 덩어리진 불규칙한 구조로 가지 때문에 길고 규칙적인 나선 구조가 잘 형성되지 않으므로, 요오드 분자가 안정적으로 포획되지 못하게 되며 따라서 강한 청색은 나타나지 않고, 보통 적갈색 ~ 갈색에 가까운 색을 띠게 됩니다. 즉 아밀로오스는직선형우노 규칙적 나선 구조 형성하고 요오드가 나선 속에 들어가 안정적 착물 형성하면서 청남색을 띠는 것이지만 아밀로펙틴은 가지 구조로 불규칙적 배열, 짧은 나선만 형성하기 때문에요오드가 안정적으로 들어가지 못하면서 적갈색 내지 갈색을 띠는 것입니다. 감사합니다.
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Q. 유식물이 글리옥시좀을 갖는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요.네, 말씀해주신 것과 같이 안녕하세요. 글리옥시좀(glyoxysome)은 유식물(막 싹이 튼 어린 식물)에서만 관찰되는 독특한 세포소기관인데요, 이는 시간이 지나면 퍼옥시좀(peroxisome)으로 전환됩니다. 이때 글리옥시좀은 퍼옥시좀의 특수화된 형태인데요 주된 역할은 지질운 당으로 전환하는 글리옥실산 회로(glyoxylate cycle) 수행입니다. 즉 식물 종자, 특히 기름을 많이 저장한 종자(예: 해바라기, 유채, 피마자 등)에서는 발아 초기에 에너지원이 대부분 중성지방(triacylglycerol) 형태로 저장되어 있는데요, 글리옥시좀은 이 저장지방을 분해하여 생성된 아세틸-CoA를 TCA 회로가 아닌 글리옥실산 회로로 돌려 숙신산(succinate) 등의 중간체를 만들고, 이것을 미토콘드리아와 세포질을 거쳐 포도당(탄수화물) 합성에 사용하도록 합니다. 즉, 글리옥시좀은 지방을 탄수화물 전환을 가능하게 해 어린 식물이 광합성을 시작하기 전까지 생존할 수 있게 하는 기관인 것입니다. 따라서 발아 초기 유식물이 글리옥시좀을 갖는 이유는 광합성 전 에너지원 확보인데요, 발아 직후 유식물은 아직 잎이 작거나 엽록소가 발달하지 않아 광합성을 통한 에너지 생산이 불가능합니다. 따라서 종자에 저장된 기름을 글리옥시좀을 통해 포도당으로 전환하여 호흡 기질과 구조적 재료(세포벽 합성 등)로 사용합니다. 즉 단순히 ATP만 필요한 것이 아니라, 빠른 세포 분열과 신장 성장에 필요한 포도당, 자당 등 탄소원을 공급해야 하는데, 글리옥시좀은 이를 가능하게 하는 핵심 대사기관입니다. 이러한 유식물이 일정 수준 자라 엽록체가 발달하고 광합성을 시작하면 더 이상 저장지방을 포도당으로 바꿀 필요가 없기 때문에 이 시점부터는 광합성을 통해 탄수화물을 직접 얻을 수 있기 때문에 글리옥시좀의 기능은 불필요해집니다. 대신 세포 내에서 퍼옥시좀은 광합성과 호흡과 밀접히 연결된 광호흡(photorespiration), 과산화수소 분해, 지질 대사 등 일반적인 대사 기능을 담당합니다. 따라서 글리옥시좀은 구조적으로 퍼옥시좀으로 전환되거나 흡수되어 사라지고, 대신 광합성 조직에 적합한 퍼옥시좀이 유지되는 것입니다. 감사합니다.
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Q. 어릴 때는 갈색지방을 갖는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요.네, 질문해주신 것처럼 어린 시기에 나타나는 갈색지방(brown adipose tissue, BAT)의 존재 이유와 그것이 백색지방(white adipose tissue, WAT)과 어떻게 다른지 설명드리자면 우선 갈색지방의 역할은 열 생산(비떨림성 열발생, non-shivering thermogenesis)인데요, 세포 안에 작은 지방 방울이 여러 개(multilocular lipid droplets) 있으며, 미토콘드리아가 매우 많습니다. 이때 미토콘드리아 내막에 UCP1(uncoupling protein 1) 존재하며 산화적 인산화 과정에서 ATP 대신 열을 발생시키는데요, 미토콘드리아의 시토크롬과 풍부한 혈류 때문에 갈색을 띠는 것입니다. 어린 시기에 갈색지방이 필요한 이유는 체온 조절 능력 부족때문인데요, 신생아와 영아는 피부 면적 대비 체표면적이 넓어 열 손실이 빠르지만 근육량이 적어 떨림(shivering)에 의한 열 발생이 제한적이며 따라서 갈색지방의 비떨림성 열발생이 중요한 체온 유지 수단이 되는 것입니다. 또한 자궁 안은 일정한 온도(약 37℃)지만, 출생 직후 외부 환경은 훨씬 차갑기 때문에 이 급격한 온도 변화에 대응하기 위해 갈색지방이 빠르게 활성화되어 열을 생산합니다. 이외에도 영아 시기에는 에너지 대사가 빠르고, 모유 등에서 공급되는 지방을 곧바로 열 생산에 활용할 수 있으며 변온동물(예: 겨울잠 다람쥐)의 경우, 겨울잠을 자는 다람쥐도 갈색지방을 많이 보유하는데요, 이는 체온이 크게 떨어졌다가 각성할 때, 갈색지방에서 발생하는 열이 핵심 역할을 합니다. 즉, 갈색지방은 추운 환경에서 체온을 빠르게 회복하고 유지하는 데 필수적인 것입니다. 감사합니다.
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Q. 심해 먹이사슬의 구조와 표층 생태계와의 근본적 차이점은 무엇인가요?
안녕하세요.질문해 주신 심해 먹이사슬의 구조와 표층 생태계와의 차이를 비교해드리자면 우선 에너지 근원은 태양광을 이용한 광합성인데요, 이때 1차 생산자는 식물플랑크톤(광합성 미세조류)이며 1차 소비자는 동물플랑크톤, 작은 갑각류 등이고 중간 포식자는 소형 어류, 오징어, 젤리피시이며 최종적으로 상위 포식자는 대형 어류(참치, 상어), 해양 포유류(돌고래, 고래)입니다. 즉, 태양에너지 → 식물플랑크톤 → 동물플랑크톤 → 어류 및 상위 포식자로 이어지는 전형적인 광합성 기반 먹이망입니다. 심해(대체로 200m 이하, 특히 빛이 전혀 도달하지 않는 1000m 이하)에서는 태양광이 차단되므로 광합성 기반의 먹이사슬이 불가능한데요, 따라서 에너지 근원에 따라 두 가지 주요 구조가 나타납니다. 해양 눈(Marine Snow) 기반우 표층에서 죽은 플랑크톤, 유기물 찌꺼기, 배설물 등이 가라앉아 심해 생물의 먹이가 되는 것으로 가라앉은 유기물 → 세균 분해 → 저서성 무척추동물(다모류, 갑각류 등) → 어류 및 대형 심해 포식자(심해 상어, 뱀장어류) 순으로 진행되며 이 경우 심해 생태계는 표층 생산에 의존적입니다. 다음으로 화학합성(케모합성) 기반은 열수 분출구(블랙스모커)나 냉수 분출구 주변에서는 화학합성 세균이 황화수소(H₂S), 메탄(CH₄), 철 이온 등을 산화시켜 에너지를 얻는 것으로 화학합성 세균 → 심해 조개, 관벌레(튜브웜) 같은 공생 생물 → 새우, 게 → 심해 어류 및 상위 포식자 순으로 진행되며, 이는 태양광과 완전히 독립된 지구 내부 화학 에너지 기반 생태계라는 점에서 독특합니다. 따라서 표층 해양 생태계는 태양에너지 기반의 광합성 먹이사슬로 매우 활발하고 생산성이 높은 반면, 심해 생태계는 태양광과 독립된 먹이사슬을 가지며, 크게는 표층에서 떨어지는 유기물에 의존하거나 열수구 같은 특수 환경에서 화학합성 세균을 기초로 하는 독립적 생태계가 형성된다는 점이 가장 큰 근본적 차이라고 할 수 있습니다. 감사합니다.
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Q. 메미울음 소리가 어떻게 결정되는건가요?
안녕하세요.네, 질문해주신 것처럼 길을 걷다보면 다양한 매미 울음소리를 들을 수 있는데요, 메미는 목구멍이 아니라 배 안쪽의 ‘발음기관(팅발기, tymbal)’으로 소리를 내는데요, 배 양쪽에 얇은 막(팅발막)이 있고, 이를 근육으로 빠르게 당겼다 놓으면서 "딱딱" 진동을 발생시켜 큰 울음을 냅니다. 이때 배 속은 거의 빈 공간(공명강, resonating chamber)이라서 스피커처럼 울림통 역할을 합니다. 우선 매미의 울음소리는 종에 따라서 달라지는데요, 참매미, 말매미, 애매미, 털매미 등 각 종마다 고유한 울음 패턴이 있으며, 울음소리(진동 주파수, 반복 간격, 길이 등)는 짝짓기 신호 역할을 하므로, 종 구별을 위해 달라야 합니다. 또한 서로 같은 종이라고 하더라도 특성에 따라 개체의 크기, 힘, 공명강의 구조 차이에 따라 조금씩 다르게 들릴 수 있습니다. 마지막으로 온도, 습도에 따라 울음 주파수가 달라질 수 있는데요, 더울수록 근육 활동이 활발해서 속도가 빨라지기 때문에 더 빠르고 높게 울음소리를 내게 됩니다. 감사합니다.
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Q. 암정복에대해 궁금해서 질문합니다.
안녕하세요. 네, 질문해주신 것처럼 암 정복은 인류가 오랫동안 꿈꿔온 목표라고 할 수 있겠는데요, 우선 암은 폐암, 위암, 유방암 등 종류가 다를 뿐 아니라, 같은 암이라도 유전자 변이가 환자마다 다르기 때문에 즉, "만병통치약"식의 정복은 어렵습니다. 항암제나 방사선치료를 받아도 돌연변이를 일으켜 약에 내성을 가지게 되는데요, 세포 분열이 빠르기 때문에 진화 속도가 매우 높습니다. 또한 암세포도 결국 우리 몸의 세포가 변한 것이기 때문에, 암만 선택적으로 죽이고 정상세포는 살리는 게 쉽지 않습니다. 하지만 여러 방면으로 연구가 진행되고 있는데요, 면역항암제, PD-1 억제제 같은 약물이 실제로 많은 환자의 생존율을 크게 높였으며 정밀의학의 발달로 환자 유전자 정보를 분석해 맞춤형 치료 가능해졌고, 세포치료제(CAR-T)와 같이 환자의 면역세포를 강화해 암을 직접 공격하도록 하는 방법이 발달하면서 즉, "암 정복"이 꼭 모든 암을 없앤다는 의미는 아니고, 암을 만성질환처럼 관리하며 오래 살 수 있게 하는 것으로 점차 접근하고 있습니다. 따라서 완벽히 모든 암을 예방·치료하는 건 어려울 수 있지만, 지금 추세라면 대부분의 암을 조기 진단하고, 효과적으로 치료해 생존율을 크게 높이는 시대는 충분히 올 수 있습니다. 감사합니다.
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Q. 연역적 탐구 방법에서 양성 대조군이 갖는 의미는 무엇인가요?
안녕하세요.질문해주신 것과 같이 연역적 탐구에서 실험 설계 시 가장 기본은 말씀하신 대로 음성 대조군(negative control): "효과가 없어야 하는 조건" 실험군(experimental group): "효과를 검증하려는 조건"인데, 여기에 더해지는 것이 바로 양성 대조군(positive control)입니다. 양성대조군이란 "이미 효과가 입증된 조건"을 실험에 포함시킨 대조군으로 즉, 실험 방법이 제대로 작동하는지, 측정 체계가 정확한지 확인하기 위한 기준입니다. 이것이 필요한 이유는 실험의 타당성을 검증해야 하기 때문인데요, 만약 실험군에서 효과가 나타나지 않았다면, 그 이유가 정말 효과가 없는 것인지, 아니면 실험 자체가 잘못된 것인지를 구분해야 하는 것입니다. 이때 양성 대조군은 "실험 조건에서 효과가 반드시 나와야 한다"는 기준을 줍니다. 또한 결과 비교를 위한 기준치를 제공하게 되는데요, 실험군의 효과 크기를 이미 알려진 효과(양성 대조군)와 비교할 수 있습니다. 감사합니다.
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Q. 과학적 탐구 방법에서 가설을 설정할 때 귀무가설은 무엇을 의미하나요?
안녕하세요.과학적 탐구나 실험에서 "가설"을 세울 때, 우리가 보통 기대하는 건 "실험군에서 어떤 효과가 있을 것이다"라는 연구가설(대립가설, H1H_1H1)인데요, 그런데 통계적 검증에서는 반드시 비교 기준이 필요하기 때문에, 귀무가설(null hypothesis, H0H_0H0)이라는 개념이 등장하게 된 것입니다. 즉 귀무가설이란 "차이가 없다", "효과가 없다", "관찰된 현상은 단순한 우연의 결과다"라는 가정인데요, 즉, 실험군과 대조군 사이에 통계적으로 유의미한 차이가 없다고 가정하는 것이 귀무가설입니다. 예를 들어서 "비료 A를 사용하면 식물의 성장 속도가 빨라진다."가 일반적인 연구가설이라고 한다면, 귀무가설은 "비료 A를 사용해도 식물의 성장 속도에는 차이가 없다." 인 것입니다. 즉 과학에서는 "효과가 있다"는 것을 바로 증명하기보다는, "효과가 없다"라는 귀무가설을 기각하는 방식으로 증거를 쌓는데요 즉, 귀무가설을 기각할 수 있는지 확인하는 과정이 실험·통계 분석입니다. 감사합니다.
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Q. 하늘을 나는 새들 중에 여행알바트로스와 안데스콘도르 중 누가 더 클까요?
안녕하세요.여행알바트로스(Wandering Albatross)와 안데스콘도르(Andean Condor)는 둘 다 하늘을 나는 새들 중 최상급 거대 조류인데요, 하지만 "크다"라는 기준을 날개 길이로 보느냐, 몸무게와 덩치로 보느냐에 따라 답이 달라집니다. 여행알바트로스 (Wandering Albatross)의 경우 날개는 최대 3.5~3.7 m로 현존 모든 새 중 가장 긴데요, 좁고 긴 날개 덕분에 태평양·남극해 같은 거친 바다 위에서 수천 km를 활공할 수 있으며, 거의 날개짓을 하지 않고도 바람을 타고 며칠씩 비행 가능합니다. 안데스콘도르 (Andean Condor)의 날개 길이는 최대 3.0~3.3 m로 알바트로스보다 조금 짧지만 여전히 맹금류 중 최장인데요, 남아메리카 안데스산맥의 상승 기류를 이용해 활공. 무겁고 육중한 덩치 덕분에 바다보다는 육지·산악 지형에서 비행하기에 최적화되어있습니다. 감사합니다.