국립중앙과학관 관람기 Part 3, 과학기술관

기초과학과 화학으로 이해하는 자연의 신비, 과학기술

우주과학공원

자연사관과 인류관을 마치고 밖으로 나왔다. 잠시 바람을 건물 밖으로 나와 로켓이 보이는 우주과학공원으로 향했다. 나로호를 비롯한 여러 로켓과 자기 부상 열차, 서너 대의 군용 장비가 세워졌는데 썩 볼만하진 않다. 다시 걸음을 돌려 과학기술관으로 입장했다.

과학기술관은 기초과학을 주제로 한 전시품과 체험기구가 많다. 일부 장비는 유료로 이용할 수 있다. 과학기술관은 세 개 층으로 이뤄졌다. 아이들을 위한 공간처럼 보이지만 막상 접하면 성인들도 잠시 생각을 해봐야 이해할 수 있는 내용으로 채워졌다. 그중에서도 일상에서 사용되는 기술을 예로 들어 설명해주는 점이 좋았던 공간이다.

귀의 구조

멀미의 방으로 입장했다. 바닥은 경사지고 벽면에 거울이 설치된 공간이다. 잠시 어지러움을 느꼈는데, 귀의 평형기관에서 받아들인 정보와 눈에서 뇌로 전달되는 시각 정보가 일치하지 않아 생기는 것을 경험했다.

대류현상은 알고 있었다. 따뜻한 공기와 물은 올라가고 찬 공기와 물을 내려가서 대류가 일어난다. 이유는 처음 알았다. 열을 받으면 부피가 팽창하고 밀도가 작아져 상승해서다. 그렇게 순환이 이뤄진다.

물이 담긴 투명 파이프의 속에 작은 공들이 들어있다. 하나는 액체보다 무겁고 다른 하나는 가볍다. 회전을 시키면 무거운 공은 바깥으로, 가벼운 공은 안쪽으로 들어온다. 원심력으로 성분이나 비중이 다른 물질들이 분리되는 것이다. 탈수기와 원심분리기가 이 원리를 이용한다.

사이렌 소리가 거리에 따라 다르게 들리는 것은 학창 시절 배웠다. 도플러 효과다. 소리는 파장이 짧으면 높게, 파장이 길면 낮게 들린다. 파장은 각 진동의 마루와 마루의 거리를 말한다. 골의 골이기도 하다. 여기서 파장이 짧아지는 현상을 청색 이동, 길어지는 현상을 적색 이동이라 한다. 가시광 영역에서 파장이 짧아지면 푸른색으로 보이고 길어지면 빨간색으로 보이기 때문에 붙은 이름이다.

케플러 법칙의 도표

케플러 법칙은 우주에 호기심을 가진 사람이라면 한 번이라도 들어본 용어다. 태양 주위를 타원 형태로 공전하는 행성의 속도는 일정하지 않다. 태양과 가까우면 빨라지다, 멀어지면 느려진다. 이런 현상을 발견한 케플러의 이름을 딴 법칙이다.

케플러의 법칙은 세 개의 법칙으로 설명된다. 첫째, 행성은 태양을 하나의 초점으로 하는 타원 궤도 위를 운동한다는 ‘타원 궤도의 법칙’. 둘째, 행성과 태양을 잇는 선분이 단위 시간에 스치고 지나가는 면적은 행성의 위치와 관계없이 항상 일정하다는 ‘면적 속도 일정의 법칙’. 선분은 두 점을 이은 선이다. 셋째, 행성의 공전 주기의 제곱은 타원 궤도의 긴 반지름의 세제곱에 비례한다는 ‘주기/조화의 법칙’이다.

다음은 도넛 연기의 원리다. 담배를 피우는 사람이라면 해봤을 도넛 만들기도 과학적으로 간단히 분석된다. 혓바닥을 내밀며 연기를 내뿜으면 그 가장자리에서 방출된 공기를 채우기 위해 주위의 공기가 다시 빨려 들어가면서 구름 도넛이 생기는 것이다.

놀이공원에 가면 보이는 자이로드롭은 자기장을 이용한다. 끝까지 올라가 내려올 때를 생각해보면 지면에 가까워질수록 속도가 서서히 줄어든다. 의자 뒤쪽에 자석을 장치하고 착지하는 땅 부분에 반자성체를 놓아 정지하는 것이다. 

빅뱅 상상도(Pixabay에 Gerd Altmann님의 이미지)

다음은 물질의 출발을 적어본다.

최초의 원소는 수소다. 빅뱅이 일어나고 1초가 지나 에너지가 물질로 전환되면서 수소가 생겨나고 3분이 지나 우주 질량의 25%가 헬륨으로 전환됐다. 수소는 지구상에 존재하는 원소 중에서 가장 가볍고, 태양은 거대한 수소 덩어리다.

빅뱅이 일어나고 3억 년이 지나면 최초의 별이 형성된다. 별은 수소핵융합으로 시작하는데 안정적인 핵융합이 진행되는 동안에 일정한 크기를 유지하면서 빛과 열을 낸다. 그러다 별의 중심에서 수소가 모두 헬륨으로 바뀌면 핵융합이 중단된다. 이처럼 수소의 핵융합이 끝나고 부풀어 오른 늙은 별을 ‘적색거성’이라고 말한다. 

적색 거성에서는 또다시 핵융합이 일어나는데, 헬륨은 탄소로, 탄소는 산소로 바뀌는 등 점차 무거운 원소가 만들어진다. 이 작용은 가장 안정적인 원소인 철까지 만들고 멈춘다. 태양보다 열 배 이상 무거운 별들은 초신성으로 폭발한다. 마지막 순간 중심의 온도와 밀도가 엄청나게 올라가서 금과 은, 우라늄 등 철보다 무거운 원소들을 합성하고 폭발하는 것이다.

Elements of the Human Body(출처: 위키미디어 공용)

여기서 인체는 어떤 원소로 이뤄졌을까. 산소 65%, 탄소 18%, 수소 10%, 질소 3%, 칼슘 1.5%, 인 1%, 미량 원소 1.5%로 구성됐다. 이 원소는 세포를 형성한다.

가장 큰 세포는 타조의 알이다. 인체에서 가장 큰 세포는 0.2mm인 난자다. 가장 긴 세포는 온몸에 신호를 전달하는 신경 세포다. 얇고 긴 모양이다. 가장 긴 신경세포는 대왕 오징어의 신경 세포다. 약 1m란다. 인체에서 가장 긴 세포는 50cm 이상의 길이를 가진 척수 신경 세포다.

코끼리만 한 세포가 없는 이유는 표면적 때문이다. 세포는 표면을 통해 영양분을 얻고 노폐물을 유지한다. 그런데 표면적이 커지면 세포의 중심부 물질이 외부로 나가고 들어오기가 힘들어진다. 이 때문에 표면적이 넓어야 생존에 유리하다.

수정의 도표(출처: 위키미디어 공용)

그럼 가장 작은 세포는? 미코플라즈마 미코이데스라는 박테리아다. 0.0002mm로 전자현미경으로만 관찰된다. 인간의 몸에서 가장 작은 세포는 정자다. 0.05mm로 난자보다 20배 작다.

세포는 핵막이나 세포 소기관의 유무에 따라 원핵세포와 진핵세포로 나뉜다. 원핵세포는 핵막이 없어 핵물질이 세포질에 퍼져있고 세포 소기관도 존재하지 않는다. 진핵세포는 핵막이 있어 핵물질과 세포질이 구분되고, 세포질에는 세포 소기관들이 존재한다.

핵막은 핵과 세포질을 나누는 막, 세포질은 핵을 제외한 나머지 부분, 세포 소기관은 세포 안에 존재하는 특정 기능을 가진 소단위체 기관이다. 글보다 그림으로 보면 이해가 쉽다.

핵의 모형

세포의 핵에는 무엇이 있을까. 일단 핵막에는 핵공이라는 구멍이 있어, 그곳으로 단백질 등이 통과한다. 핵에는 유전물질 DNA와 단백질로 구성된 고분자 물질의 복합체가 채워졌는데, 그것들을 염색질이라 한다. 

세포핵의 중심 부분은 인이라고 하며, 이곳에는 염색사가 있다. 염색사는 DNA와 히스톤 단백질이 꼬여 실처럼 풀어져 있는 것이며, 세포분열에 들어가면 이 염색사가 꼬여서 응축된 덩어리를 형성하게 되는데, 이것을 염색체라 한다.

그밖에도 세포는 에너지를 만드는 미토콘드리아, 단백질을 만드는 소포체, 유전정보를 저장하는 핵으로 이뤄졌다. 

우리가 보는 대부분의 생명체는 다세포 생물이다(Pixabay에 vilmarcoelho님의 이미지).

인간을 포함하여 눈으로 볼 수 있는 많은 생물은 다세포 생물이다. 다세포 생물의 특징은 각기 다른 기능을 하는 세포로 구성됐다는 점이다. 예를 들어 식물의 목섬유 세포는 나무가 버티고 서 있게 하는 기능을 담당하며, 세포벽이 두꺼운 단단한 구조다. 다세포 생물의 세포는 다양하다. 동식물은 수십, 수백 조의 세포가 각기 다른 역할을 한다.

지구상에서 가장 작은 원핵세포는 35억 년 전 나타났다. 그러다 15억 년 전 다른 원핵세포 안으로 들어가 공생하면서 하나의 세포 내 구조로 자리 잡아 진핵세포로 진화한다. 이후 진핵세포들이 다세포 생물로 진화한다.

정리한다. 원핵세포는 막으로 이루어진 기관과 핵이 없어, 염색체가 세포 속에 퍼져있다. 진핵세포는 막으로 이뤄진 기관과 핵이 존재하는 세포이며, 염색체를 그 안에 보관한다. 원핵세포와 진핵세포는 단세포 생물이다.

다세포 생물은 여러 개의 진핵세포가 모여 만들어진 생물이다. 진핵세포로 된 단세포 생물이 진화하여 다세포 생물이 됐다. 

진핵 생물의 DNA(출처: 위키미디어 공용)

모든 생물의 형질은 유전된다. 그것이 저장된 정보를 DNA라고 말한다. DNA는 deoxyribonucleic acid의 약자로, 데옥시리보핵산의 줄임 말이다. 염색체의 주성분으로 유전 정보를 염기 서열로 암호화하여 저장하고 있다.

유전 정보의 최소 단위를 ‘유전자’라고 말한다. 유전자가 저장된 곳을 ‘염색사’라고 한다. 염색사는 세포가 분열할 때 ‘염색체’로 뭉쳐 관찰된다.

우리 몸에는 염색체 23쌍, 총 46개가 있다. 염색체 안의 DNA에는 유전 정보가 기록됐다. 유전 정보를 기록하는 언어는 아데닌(A)과 구아닌(G), 시토신(C), 티민(T) 등 4개의 염기복합화합물의 조합으로 만들어진다.

여기서 염기는 산과 반응하여 염을 만드는 물질이 아니다. DNA와 RNA의 구성 성분인 질소를 함유하는 고리 모양의 유기 화합물을 말한다. DNA 구성 성분으로서의 염기는 퓨린의 아데닌(A)과 구아닌(G), 피라미딘의 시토신(C), 티민(T)이 존재한다.

아데닌과 구아닌은 2개의 링 구조로 돼 있어 1개의 링 구조인 시토신과 티민에 비해서 너비가 2배쯤이다. DNA 염기쌍은 2개의 링 구조를 가진 아데닌과 구아닌 중 1개와 시토신과 티민 중 1개가 결합하기 때문에 DNA 사슬의 지름은 3개의 링 구조가 가지는 너비에 해당한다. 그 너비는 약 2nm다. 나노미터는 10억 분의 1m다.

염색체에서 DNA까지의 구조

유전체는 유전자와 염색체를 붙인 말이다. 독일어로 게놈이라고 부른다. 영어로는 지놈이다. 유전자 지도, 게놈 지도, 지놈 지도, 모두 같은 말이다.

염색체는 평상시 세포의 핵 속에 풀어져 있어 잘 보이지 않는다. 그러다 세포 분열을 할 때 굵은 구조물로 실타래처럼 뭉쳐서 눈에 띈다. 그 실이 염색사다. 염색사는 히스톤 단백질에 DNA가 감겨 실처럼 이어진 것을 말한다. 그중 단백질과 엮인 부분을 뉴클레오솜이라고 말한다. 이때 DNA는 1.65바퀴를 감아 돈다.

인간의 DNA에는 약 30억 개의 염기가 들어있으며, 일렬로 나열하면 약 2m다. DNA는 일란성쌍둥이도 구분한다. DNA는 동일하지만 유전자 기능을 못 하도록 하는 메틸기(CH3)라는 물질 때문에 두 사람이 완전히 똑같은 유전자 형태를 보일 가능성은 없다.

생명체는 낡은 물질과 손상된 세포를 제거하고 손상된 물질이 축적되는 것을 막으면서 새로운 물질로 대체한다. 이것을 ‘동적 평형’이라 말한다. 쥐도 단 사흘 만에 존재하는 단백질의 50%를 새로 바꾼다. 인간의 DNA에도 어떤 물질을 합성할지, 합성된 물질을 어디에 이용할지, 낡은 물질은 어떻게 할지 등에 관한 정보가 저장됐다.

염색체 1번부터 22번까지는 암수 모두 갖는 ‘상염색체’, 23번은 ‘성염색체’다. 여자는 X염색체 두 개, 남자는 X염색체와 Y염색체를 가진다. 따라서 X염색체를 가진 정자가 난자를 만나면 딸, Y염색체를 가진 정자가 수정되면 아들을 낳게 된다. 이는 Y염색체에 들어있는 고환결정유전자의 유무에 의해 남녀 생식기의 차이가 발생하기 때문이다.

인간 유전자의 도표

2003년 인간 게놈 프로젝트가 완료되어 모든 염기 서열은 해석됐다. 이 프로젝트로 인간의 유전자 수는 약 20,000~25,000개로 밝혀졌다.

각 염색체에는 특정 유전자를 포함한다. 예를 들어 Y염색체는 성별을 결정한다. X염색체는 발작성 야행성 헤모글로빈뇨증, 근이영양증, 멘케증후군, 알포트 증후군, 심각한 복합 면역 결핍, 면역 결핍, 레쉬니한 증후군, 취약X증후군, 부산피질 영양증, 혈우병 등을 비롯한 1,400개의 유전자와 관계된다.

상염색체는 길이순으로 1번부터 22번으로 명명한다. 1번 염색체에는 포르피린증, 녹내장, 치매, 녹내장, 전립선암, 고셰병 등을 비롯한 3,000개 유전자가 속하며 가장 길다. 유전자 정보는 검색으로 찾아볼 수 있다.

대동여지도는 22첩으로 구성된 절첩식 지도다.

지금까지 과학기술관 1층 전시물에서 본 내용을 정리했다. 2층에는 겨레과학기술과 근현대과학기술 관련 내용이 전시된다. 그중 천장보다 높아서 기울여 걸어진 대동여지도가 기억에 남는다. 그 크기와 정밀함에 놀랐다. 

줄기세포 내용도 알려준다. 줄기세포는 여러 종류의 신체 조직으로 분화될 수 있는 미분화 세포다. 성체줄기, 배아줄기, 유도만능 줄기세포가 있다.

성체 줄기세포는 특정한 조직(골수세포는 혈구 세포로, 피부 줄기세포는 피부로, 후각신경세포는 후각신경세포로만 분화)을 구성하는 세포다. 우리 몸속에 극히 미량으로 존재하며 항상 건강한 상태를 유지하는 데 필요로 하는 최소한의 세포를 제공해준다.

배아 줄기세포는 수정란에서 유래하며 인체의 모든 세포가 될 수 있어 ‘전분화능 줄기세포’라고도 한다. 일반 세포와 달리 특별한 조건에서 배양하면 무한대로 세포가 증식하며, 배양 시에도 염색체 이상이 일어나지 않는다.

유도만능 줄기세포는 이미 분화가 끝난 체세포에 특정 유전자를 주입하여 분화 단계를 거꾸로 돌려 미분화 단계의 원시세포로 만다는 줄기세포다. 배아 줄기세포처럼 다양한 분화가 가능하다. 

미 민간 우주개발업체 스페이스 엑스가 이륙하고 있다(Pixabay에 SpaceX-Imagery님의 이미지).

지구중력에 대항하는 우주속도는 세 가지다. 제1우주속도는 지구 둘레를 타원 또는 원 궤도로 비행하기 위한 속도다. 7.9km/s면 원 궤도 비행, 그보다 크면 타원 궤도 비행을 한다. 제2우주속도는 지구에서 탈출하기 위해 필요한 속도로, 11.2km/s다. 태양계를 탈출하기 위한 제3우주속도는 16.7km/s로 쌍곡선 궤도를 그린다.

위성은 고도로 분류된다. 정지위성은 적도 상공 약 36,000km 정지궤도를 비행하며, 미세하게는 못 보지만 지구 절반을 볼 수 있다. 저궤도 위성은 보통 주회하며 좁은 지역을 꼼꼼히 본다. 

물체가 나아갈 때 공기 분자를 밀어내야 한다. 이때 공기 분자들이 저항하는 힘을 항력이라고 말한다. 형태에 따라 원기둥 1.15, 45도 회전 정육면체 0.80, 구체 0.47, 반쪽 날개 0.09, 날개꼴 0.04의 항력 계수를 가진다. 물체의 꽁무니까지 유선형으로 만드는 것은 공기 흐름의 분리를 최소화하기 위함이다.

그밖에도 2층에는 천리안 위성, 아리랑 1호, 제트엔진이 놓여있다.

바퀴의 회전이 사람 눈의 잔상보다 빠르면 반대로 도는 것처럼 보인다(Pixabay에 Rudy and Peter Skitterians님의 이미지).

지하 1층에서는 생활과학 관련 전시물을 볼 수 있다. 평소 아무 생각 없이 지나쳤던 것들을 과학적으로 다시 접했다.

예를 들어 바퀴가 역회전하는 것처럼 보이는 이유다. 사람 눈의 잔상은 1/16초인데 바큇살이 각 사이를 도는 데 1/16 배수로 걸리면 잔상이 맺혀 멈춘 것처럼 보이고, 빠르면 잔상이 뒤쪽에 있는 것처럼 보여 반대로 회전하는 것으로 보인다.

자판기가 동전을 구별하는 것도 흥미롭다. 동전은 구리, 아연, 니켈이 섞인 합금인데 자판기 안으로 들어가 자석 사이를 지날 때면 다른 유도전류가 생긴다. 그때 발생한 저항에 따라 떨어지는 속도가 달라진다. 아연이 많을수록 10원, 50원, 100원, 500원 순으로 가까운 거리에 떨어진다. 100원과 500원은 성분은 같지만 질량 차이로 500원이 멀리 떨어진다.

소금물 속에서 더 가벼운 이유는 무엇일까. 액체 속에 있는 물체는 액체가 밀어 올리는 힘, 부력을 받는다. 이는 액체의 밀도가 클수록 커지는데 소금물은 물보다 밀도가 높다. 

일본의 온천(출처: 위키미디어 공용)

온탕과 냉탕을 왔다 갔다 하면 왜 피부가 찌릿찌릿할까. 그건 뇌의 혼란이다. 피부에는 통각 냉각, 온각, 촉각, 입각 등이 있는데 보통 10~40도에서 피부가 오랫동안 자극을 받으면 감각을 잃어버린다. 그리고 온도의 변화로만 뜨거움과 차가움을 인지한다. 그때 차가움과 뜨거움을 동시에 느끼면 안전한 온도임에도 착각으로 통증이나 이질감을 느낀다. 

미세먼지 농도는 어떻게 측정할까. 적외선을 쏘면 공기 중에 미세먼지와 부딪친 빛이 산란하는데 그걸 측정하여 계산한다. 기관에서는 여과지에 포집된 먼지를 측정하는 베타선법을, 가정에서는 광산란법을 이용한다. 전자는 오래 걸리고 정확하고 후자는 빨리 측정되고 정확도가 낮다.

삶은 달걀과 날달걀의 구분은 간단하다. 회전하고 있는 물체가 회전을 지속하려는 것을 회전 관성이라 말한다. 이때 질량이 중심에 가까울수록 쉽게 회전한다. 날달걀은 내부 물질이 바깥으로 출렁거려 돌리기 어렵고, 삶은 달걀은 질량 분포가 일정하여 잘 돌아간다.

번개는 왜 지그재그로 칠까. 번개는 구름과 구름 사이 혹은 구름과 대지 사이의 방전이다. 구름 속의 물과 얼음에 음전하가 차면 지상의 양전하로 떨어지려고 한다. 이때 전기는 저항이 낮은 곳으로 가려는 성질 때문에 지그재그 형태로 나타난다. 피뢰침은 전기에너지를 안전하게 유도하기 위한 저항의 작은 길이다.