답변 내역

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.심해 열수구에 사는 튜브웜은 성체가 되면 입, 위장, 항문 등 소화관이 완전히 퇴화해 사라지며, 대신 몸속 특수 장기인 영양체에 서식하는 황산화 화학합성 세균이 합성해 주는 영양분에 의존해 살아갑니다.튜브웜의 머리에 달린 붉은 깃털 형태의 에라는 바닷속의 산소, 이산화탄소, 그리고 열수구에서 나오는 치명적인 독성 물질인 황화수소를 흡수합니다. 튜브웜 혈액 속의 거대한 특수 헤모글로빈은 황화수소 독성에 중독되지 않으면서 이 기체들을 결합해 영양체로 안전하게 수송하며, 영양체 조직 내부에 공생하는 세균들은 튜브웜의 혈관에 의해 황화수소, 산소, 이산화탄소를 공급받습니다. 햇빛이 전혀 들지 않는 심해에서 세균은 태양광 대신 황화수소를 산소로 산화시킬 때 방출되는 화학 에너지를 이용해 이산화탄소를 유기물로 전환합니다.세균이 만든 탄수화물, 아미노산 등 유기물은 튜브웜의 혈류로 직접 방출되어 전신 세포로 공급되고, 튜브웜은 세균에게 거주지와 원료 기체를 제공하여 완벽한 상리공생을 이룹니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.해수담수화에 쓰이는 역삼투압 방식은 물 분자만 통과시키는 미세한 반투과성 막을 사이에 두고 바닷물 쪽에 강한 물리적 압력을 가해 순수한 물만 강제로 추출하는 기술입니다. 이와 관련하여 좀 더 자세하게 설명해 드릴게요.일반 삼투압은 반투과성 막을 가운데 두고 농도가 낮은 순수한 물이 농도가 높은 바닷물 쪽으로 스스로 이동하여 농도 균형을 맞추는 방식이라면, 역삼투압은 바닷물 쪽에 삼투압보다 더 강한 압력을 가하면 자연스러운 흐름이 거꾸로 뒤집혀 높은 압력에 밀린 바닷물 속 물 분자가 반투과성 막을 뚫고 순수한 물 쪽으로 빠져나가게 되는 방식입니다. 여기에 사용되는 고압 펌프가 바닷물을 강력하게 밀어붙이면 소금과 각종 미네랄은 막에 막혀 고농도 염수로 배출되고, 막을 통과한 순수한 물 분자만 모여 우리가 마실 수 있는 식수가 됩니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.스마트 섬유는 체온, 빛, 습도, 전기 등 외부 자극을 감지하는 감응형 소재를 섬유 표면에 코팅하거나 원사 내부까지 가공하여 분자 구조나 물리적 성질을 변화시키는 원리로 작동합니다. 이와 관련하여 설명해 드릴게요.색상이 변하는 원리는 체온이나 주변 온도가 변할 때 작동하는 것으로 캡슐 내부에 염료, 산성 물질, 용매를 함께 넣고 설정된 온도에 도달해 내부 용매가 녹으면 분자 간 상호작용으로 염료의 화학 구조가 열리거나 닫히면서 빛 흡수 파장이 달라져 색이 변하거나 투명해지는 원리입니다.형태가 변하는 원리는 체온이나 열을 받으면 소재 내부의 결정 구조가 달라지는 것으로 특정 유리전이온도 이상으로 체온이 올라가면 변형되어 있던 고분자 사슬이 유연해지면서 사전에 기억된 원래 형태로 돌아가는 원리입니다. 이를 통해 의류의 구김이 저절로 펴지거나 땀구멍 역할을 하는 기공이 열립니다. 스마트 섬유는 나노캡슐화 기술과 섬유 공학의 결합을 통해 정밀한 분자 단위 조절이 가능해짐에 따라, 일상 의류를 넘어 의료용 생체 센서, 국방용 위장복, 스마트 워크웨어 등으로 영역을 넓혀가고 있습니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.질문자님 말씀처럼 요즘은 병원에서 정밀검사에 사용되는 핵심장비가 MRI로 정말 중요한 것 같아요. MRI는 인체 성분의 대부분을 차지하는 수소 원자핵의 자성 특성을 강한 자기장과 무선주파수로 제어하여, 위치별 신호 차이를 고해상도 단면 영상으로 재구성하는 기술입니다. 이와 관련하여 좀 더 자세히 설명해 드릴게요.인체를 강력한 주자기장 내부에 넣으면 무작위로 배열되어 있던 수소 원자핵의 스핀축이 자기장 방향으로 정렬하고 원자핵들은 일정한 주파수로 회전하는 운동을 시작하는데, 이 회전 속도를 라모어 주파수라고 합니다. 라모어 주파수와 정확히 같은 주파수의 무선주파수 펄스를 몸에 쏘아주면, 수소 원자핵이 이 에너지를 흡수하여 자기장 방향에서 수직 횡축으로 기울어집니다. 신체 x, y, z 축 방향으로 미세하게 세기가 달라지는 경사자기장을 순간적으로 가해주면 머리부터 발끝까지 위치마다 수소 원자핵의 라모어 주파수가 달라지므로, 수신 안테나에 잡힌 신호가 신체 어느 부위에서 나왔는지 구별할 수 있게 됩니다. 수집된 복합 주파수 신호를 계산하여 각 위치의 신호 강도를 밝기로 전환함으로써 컴퓨터 화면에 정밀한 단면 영상으로 나타나게 됩니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.인공 유전체를 이용해 새로운 생명체를 만들어내는 원리는 필요한 최소한의 유전자만을 컴퓨터로 설계해 화학적으로 합성한 뒤, 효모의 재조합 과정을 거쳐 세포에 이식함으로써 생명체의 운영체제를 교체하는 방식입니다.먼저, 생명 유지와 복제에 불필요한 유전자를 제거한 다음 생존에 필요한 핵심 유전자만 남긴 최소한의 유전자 지도를 컴퓨터로 설계합니다. 화학적으로 합성한 짧은 DNA 조각들을 한 번에 기다란 전체 염색체로 잇는 것은 어렵기 때문에 유전자 재조합 기술을 활용하여 조각난 DNA들을 효모 세포 내로 주입하면, 효모 고유의 단백질들이 끝부분 서열이 같은 DNA 조각들을 스스로 인지하여 하나의 거대한 인공 염색체로 재조합시킵니다. 조립이 완성된 인공 유전체를 추출하여 수용체 미생물 세포 안으로 주입하며, 이때 수용체 세포가 원래 가지고 있던 천연 DNA는 제한효소 등으로 분해하거나 제거하여 인공 유전체만 세포 내에 남게 만듭니다.마지막으로 수용체 세포에 남아있던 RNA 폴리머라아제, 리보솜 등이 주입된 인공 DNA의 염기서열을 읽어 단백질을 만들기 시작합니다. 새로 합성된 단백질들이 세포의 대사 작용과 구조를 인공 유전자의 설계대로 전면 재편하면서, 기존 세포는 주입된 유전체 프로그램대로만 움직이는 완전히 새로운 인공 생명체로 탈바꿈합니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.저기압에서 흐리고 비가 오는 이유는 저기압은 누르는 공기의 힘이 약한 곳이어서 가벼워진 공기 덩어리가 위로 솟구쳐 오릅니다. 상공으로 갈수록 기압이 낮아지므로 공기 덩어리가 크게 팽창하며 기온이 급격히 떨어집니다. 기온이 떨어지면 공기가 품을 수 있는 포화 수증기량이 줄어들게 되어 활발하게 움직이던 기체 수증기 분자들의 에너지가 떨어지고 서로 끌어당겨 뭉치기 시작해 미세한 액체 물방울로 변합니다. 이 물방울들이 모인 것이 구름이며, 물방울들이 점점 커져 무게를 견디지 못하고 지상으로 떨어지는 것이 비가 되는 것입니다.고기압에서 맑고 햇빛이 쨍쨍한 이유는 고기압은 상공의 무거운 공기가 아래로 강하게 내려오는 곳으로 공기 덩어리가 아래로 내려올수록 높아지는 기압에 눌려 압축되고 기온이 상승합니다. 기온이 올라가면 공기가 품을 수 있는 포화수증기량이 증가함에 따라 공기 중에 떠돌던 구름이 열에너지를 받아 다시 눈에 보이지 않는 기체 수증기 상태로 증발해 버립니다. 구름을 이루던 액체 물방울들이 기체로 전부 사라지므로 날씨가 맑아집니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.오랫 동안 쌓인 극지방의 얼음은 과거 지구의 대기 환경을 알 수 있는 증거입니다. 빙하 코어 연구는 얼음 결정의 산소 동위 원소 비율로 당시의 기온을 알아내고, 얼음 속 미세 기포를 통해 당시의 대기 성분을 직접 추출하여 복원합니다.자연계의 산소는 대부분 가벼운 산소(질량 16) 이지만, 약 0.2%는 중성자가 2개 더 많아 무거운 산소(질량 18)로 존재합니다. 해수면에서 물이 증발할 때 가벼운 물 분자가 무거운 물 분자보다 더 쉽게 기체로 증발하기 때문에 수증기가 바람을 타고 적도에서 극지방으로 이동하는 동안, 무거운 수증기가 비나 눈이 되어 먼 저 중도에 먼저 내리는 성질이 있습니다.따뜻한 기후는 지구 대기 온도가 높으면 에너지가 충분하여, 무거운 수증기가 도중에 다 떨어지지 않고 극지방까지 많이 이동해 눈으로 내립니다. 따라서 극지방 빙하 속 무거운 산소 비율이 높아집니다. 반대로, 추운 기후는 대기 온도가 낮으면 무거운 수증기가 극지방에 도달하기 전에 중간 위도에서 대부분 응결되어 떨어집니다. 극지방에는 가벼운 수증기 위주로 내리므로 극지방 빙하 속 무거운 산소의 비율이 낮아집니다. 눈이 계속 쌓여 밑에 깔린 눈이 압력을 받아 굳어질 때, 눈 입자 사이사이에 있던 당시 대기가 밀폐되어 미세한 공기 방울로 갇힙니다.이처럼 빙하 코어를 분석하면 과거 수십만 년 동안 온실가스 농도가 높아질 때 산소 동위 원소 비율이 올라가며 지구 기온이 상승했다는 상호 연결 고리를 명확하게 증명할 수 있습니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.태풍의 중심부에 바람이 불지 않고 맑은 하늘이 드러나는 태풍의 눈이 형성되는 이유는 원심력에 의한 공기 진입 차단과 중심부 하강 기류로 인한 구름의 소멸 때문입니다. 이와 관련하여 설명해 드릴게요.태풍 중심은 기압이 극도로 낮아 주변의 공기를 강하게 끌어당기지만 공기가 중심을 향해 들어오면서 소용돌이치기 시작하여 중심에 가까워질수록 회전 속도가 증가합니다. 공기의 회전 속도가 빨라질수록 바깥으로 튕겨 나가려는 원심력이 비약적으로 커지며, 태풍 중심에 바짝 다가서면 중심으로 끌어당기는 힘과 '바깥으로 튕겨 나가려는 힘이 완벽하게 균형을 이루는 지점이 생깁니다. 따라서 공기가 태풍의 중심까지 파고들지 못하고, 중심 둘레에서 수직으로 강하게 솟구쳐 올라 공기 기둥들이 태풍에서 가장 시속이 빠르고 비구름이 두꺼운 눈을 형성합니다. 태풍의 눈 둘레를 타고 대기권 상층까지 강하게 올라간 공기는 대부분 바깥으로 흩어지지만, 일부 공기는 태풍 중심부 상공으로 흘러 들어가게 되고, 공기가 위에서 아래로 내려오면 아래쪽의 높은 기압에 의해 공기 덩어리가 압축되어 온도가 상승하고 포화 수증기량이 커지면서 상대 습도가 급격히 떨어집니다. 이로 인해 공기 중에 있던 구름과 물방울들이 모두 증발하여 사라지게 되면서 맑은 날씨를 유지하게 되는 것입니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.라니냐 현상은 적도 태평양 부근의 무역풍이 평년보다 강해지면서 발생하며, 이로 인해 동태평양의 심해 차가운 물이 위로 솟구치는 용승 현상이 발생합니다. 라니냐의 발생과정에 대해 설명해 드릴게요.적도 부근에서 태평양 동쪽에서 서쪽으로 부는 무역풍이 평년보다 훨씬 강력해지면서 태평양 표면에서 햇빛을 받아 따뜻해진 표층수가 강한 바람에 밀려 서태평양 쪽으로 이동합니다. 서쪽으로 밀려난 표층수를 채우기 위해, 동태평양 바다 깊은 곳의 찬 해수가 표면으로 대량 상승하여 동태평양 수온은 평년보다 0.5도 이상 떨어지는 이상 저온이 발생하여 한파가 발생합니다. 반면, 찬 해수가 올라오는 동쪽과 달리, 따뜻한 바닷물이 대량으로 밀려들어 쌓인 서태평양은 표층 수온이 평년보다 현저히 높아지게 되면서 서태평양의 뜨거워진 해수면은 왕성한 증발을 일으키고 강한 상승 기류를 형성하여 거대한 비구름과 저기압이 발달하면서 동남아, 호주, 서태평양 일대에 이상 고온과 폭우가 내리게 됩니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.우주 전체에 수소와 헬륨이 약 3:1의 질량비로 존재한다는 사실은 천체 스펙트럼 분석이라는 직접 관측과 빅뱅 핵합성 이론 및 우주배경복사 관측을 통해 입증되었습니다. 좀 더 자세히 설명해 드릴게요.우주의 별이나 성간 가스 구름에서 오는 빛을 스펙트럼으로 관측하면 원소마다 고유한 흡수선과 방출선이 나타나 빛의 강도를 분석하여 원소의 양을 측정합니다. 특히 중금속이 거의 없는 가장 오래된 가스 구름이나 초기 은하를 관측하여, 별 내부의 핵융합 반응으로 오염되지 않은 우주 초기의 수소와 헬륨 비율이 정확히 3:1이라는 것을 검증했습니다. 또한, 빅뱅 후 약 3분이 지났을 때, 우주의 온도가 낮아지면서 양성자와 중성자의 비율이 약 7:1이 되었을 때 헬륨 원자핵이 생성되면서 수소와 헬륨의 질량비가 3:1이라는 이론적 결과로 증명이 되었습니다.마지막으로 플랑크 위성 등이 촬영한 우주 초기 빛의 흔적인 우주배경복사의 미세한 온도 변동을 분석하면 우주에 존재했던 물질의 밀도와 헬륨의 비중을 역산할 수 있는데, 이 분석 결과는 실제 스펙트럼 관측값 및 빅뱅 핵합성 이론 예측값과 소수점 단위까지 정확히 일치합니다.