안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. 곤충중에 수명이 가장 큰 건 무엇일까요?
곤충의 수명은 종류에 따라 굉장히 다양하며, 며칠 만에 생을 마치는 초단명 곤충부터 몇 년을 넘게 사는 곤충까지 존재하는데요, 곤충 중 수명이 긴 대표적인 사례로는 흰개미 여왕개미가 있는데요, 이는 곤충 중 가장 오랫동안 사는 것으로 알려져 있습니다. 기록에 따르면 10년 이상, 어떤 경우에는 20년 이상 살기도 하며 여왕개미는 집단 내에서 번식을 전담하기 때문에, 다른 일개미나 병정개미와 달리 몸이 특수화되어 장수할 수 있습니다. 또한 매미가 있는데요 특히 주기성 매미는 유충 상태로 땅속에서 13년 또는 17년을 지내다가 한 번에 집단으로 출현합니다 다만, 성충으로서는 몇 주밖에 못 살지만, 유충 기간을 포함한 총 수명은 곤충 중 최상위에 속합니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 카로티노이드 색소가 활성산소를 제거해주는 원리는 무엇인가요?
네, 질문해주신 것처럼 식물은 주색소인 엽록소 이외에 보조색소로 카르티노이드 계열을 갖습니다. 이때 카로티노이드 색소는 단순히 빛을 흡수하는 보조 색소 역할뿐 아니라, 광합성 과정에서 발생할 수 있는 활성산소를 제거해 광계2를 보호하는 중요한 역할을 수행합니다. 광합성 과정에서 엽록소가 빛을 흡수하면 전자가 여기 상태로 올라가는데, 이 에너지가 정상적으로 전달되지 못하면 삼중항 엽록소(³Chl*)라는 불안정 상태가 만들어지며 삼중항 엽록소는 주위의 산소 분자(O₂)와 반응하여 매우 반응성이 큰 싱글렛 산소(¹O₂)라는 활성산소를 만들어냅니다.이 활성산소는 막 지질, 단백질, DNA 등을 산화시켜 세포에 치명적인 손상을 줄 수 있습니다. 이때 카로티노이드가 관여를 하는데요, 카로티노이드는 삼중항 엽록소(³Chl*)로부터 에너지를 받아서 자신이 여기 상태로 바뀐 뒤, 안전하게 열 형태로 방출합니다. 이렇게 하면 엽록소가 산소와 반응해 싱글렛 산소를 만드는 것을 막을 수 있는데요 즉 즉, 카로티노이드는 광합성 장치에서 발생하는 과잉 에너지를 흡수 및 분산하거나, 반응성이 큰 산소종을 소거함으로써 광산화적 스트레스를 줄여주는 역할을 하는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 님북극같은 극지방에도 공룡이 살았나요?
네, 공룡은 지금의 북극과 남극에 해당하는 지역에도 살았는데요 다만 당시의 극지방은 오늘날처럼 얼음과 눈으로 뒤덮인 환경이 아니었고, 기후와 생태계가 지금과는 많이 달랐다고 볼 수 있습니다. 우선 공룡이 번성했던 중생대, 즉 지금으로부터 약 2억 5천만 년 ~ 6천 6백만 년 전에는 지구 전체가 지금보다 훨씬 따뜻한 온실 기후였는데요 이때는 극지방에도 빙하가 없었고, 남극과 북극에는 침엽수림, 양치식물, 은행나무류 등의 울창한 숲이 자라 있었습니다. 하지만 극지방이기 때문에, 여전히 긴 겨울철의 극야와 낮은 온도, 그리고 짧지만 강한 여름철 햇빛 같은 특수한 환경이 있었습니다.알래스카, 캐나다 북부 같은 고위도 지역에서 다양한 공룡 화석이 발견되었는데요 예를 들어드리자면 하드로사우르스, 트리케라톱스류, 티라노사우루스류의 친적 정도에 해당하는 공룡들이 있습니다. 일부 연구에서는 이 공룡들이 계절 이동했을 가능성을 제시했으나, 뼈의 성장선 분석에 따르면 일부는 아예 북극에 상주하면서 긴 겨울을 버텼다는 증거도 있습니다. 즉 극지방에서의 공룡 생존이 가능했던 이유는 극지방이라고 해도 오늘날과 같이 빙하가 있었던 것이 아니고, 식물 또한 풍부한 환경이었기 때문입니다. 감사합니다.
화학
Q. 폭염과 비가 반복되면, 농작물에 어떤 영향을 주게 되는건가요?
폭염과 집중호우가 번갈아 나타나는 것은 농작물 생육 환경에 매우 큰 영향을 미치며, 실제로 농가의 수확량과 품질에도 큰 피해를 줄 수 있는 문제입니다. 우선 일정 온도를 넘어가면 광합성 효율이 떨어지고, 호흡이 지나치게 증가하는데요 이로 인하여 잎이 타거나 꽃이 떨어져 열매 맺기, 즉 결실률이 낮아집니다. 또한 증산 작용이 과도해지면서 토양 수분이 급격히 줄고, 뿌리가 수분을 충분히 흡수하지 못하는데요 이로 인해 잎 시듦 현상이 발생하게 되며 과일의 경우 당도가 불균형해지고, 채소는 조직이 약해져 저장성과 상품성이 떨어집니다.집중호우 역시 농작물에 많은 영향을 미치는데요, 뿌리가 물에 잠기면 산소 공급이 차단되어 뿌리 호흡이 불가능해지고, 뿌리썩음병이 발생합니다. 게다가 습한 환경은 곰팡이·세균성 병해의 확산에 유리한데요, 벼 도열병, 잎곰팡이병, 채소의 역병 등이 장마철에 급격히 퍼질 수 있습니다. 또한 빗물로 인해 질소, 칼륨 같은 필수 영양소가 씻겨 내려가 작물의 영양 결핍이 심해지게 됩니다. 감사합니다.
화학
Q. 헬륨3가 왜이리 비싸고 귀한건지 궁금해요
네, 질문해주신 것처럼 헬륨 동위원소 중에서 특히 헬륨-3(³He)는 헬륨-4(⁴He)에 비해 매우 귀하고 값비싼 자원으로 취급되는데요, 우선 지구 대기나 천연가스에서 얻어지는 헬륨의 대부분은 ⁴He입니다. ³He는 천연 헬륨 중 10만 분의 1 이하 수준밖에 존재하지 않는데요, 지구에서 자연적으로 생성되는 ³He의 주요 원천은 방사성 동위원소인 트리튬(³H, 삼중수소)의 붕괴인데, 이마저도 양이 매우 제한적입니다. 또한 인공적으로 ³He를 얻으려면 원자로에서 트리튬을 만들고, 트리튬이 붕괴될 때 나오는 ³He를 분리해야 하는데요, 트리튬은 군사용 핵무기와 연관성이 깊어 국제적으로 생산과 유통이 엄격히 통제되고 있으며 따라서 ³He의 생산 자체가 희소하고 고비용 구조입니다.이와 같은 헬륨-3는 희귀하지만 매우 특별한 성질 덕분에 과학과 산업에서 중요한 역할을 맡고 있는데요, ³He는 ⁴He보다 훨씬 낮은 온도에서도 액화가 가능합니다. 특히 ³He/⁴He 혼합 냉동기를 이용하면 밀리켈빈(10⁻³ K) 단위의 극저온까지 도달할 수 있어, 양자컴퓨터, 초전도 연구, 기초 물리학 실험에 필수적입니다. 또한 ³He는 중성자를 잘 포획하는 성질이 있어서, 공항 보안 검색, 원자력 시설에서의 방사선 탐지기에서 사용되며, 원래 미국에서 테러 방지용으로 수요가 폭발적으로 늘어나 가격이 치솟은 적도 있습니다. 감사합니다.
화학
Q. 제습기를 틀면 왜 따뜻한 바람이 나오는 건가요?
네, 말씀해주신 것처럼 제습기를 가동하면 따뜻한 바람이 나오는데요, 이는 제습기의 작동 원리 자체가 냉장고와 비슷한 냉매 압축 사이클을 활용하기 때문입니다. 제습기의 작동원리에 대해서 먼저 설명 드리자면, 우선 방 안의 습한 공기를 팬으로 빨아들이는데요 먼저 차가운 응축기를 통과하는데, 공기를 냉각 코일에 통과시켜 공기 중 수증기를 물방울로 응축시킵니다. 여기서 물은 물통으로 모이고, 공기는 수분이 제거된 건조한 공기가 됩니다. 그런데 냉매 사이클의 특성상, 냉각 코일에서 빼앗긴 열과 냉매 압축 과정에서 생긴 열이 다른 쪽 코일(콘덴서)에 모여 방출되는데요, 따라서 제습기를 나올 때는 차가워진 공기가 아니라 가열된 공기가 됩니다. 이때 냉장고는 열을 밖으로 내보내지만, 제습기는 구조상 그 열을 같은 실내로 방출하는데요, 그래서 제습기는 습도를 낮추지만, 방 안의 공기 온도를 몇 도 정도 올리는 부작용이 있습니다.즉 제습기는 냉매 압축기를 사용하는 냉장고 원리로 수분을 제거하지만 이 과정에서 발생한 냉매 압축열 및 응축열이 다시 실내로 방출되므로, 제습기를 틀면 항상 따뜻한 바람이 나오는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 페놀도 SP2 혼성 탄소에 OH가 붙어 있는 경우인데 산성도가 높은 이유는 무엇인가요?
네, 말씀하신 대로 페놀은 벤젠 고리에 붙은 OH기로서, 결합한 탄소가 sp² 혼성을 하고 있다는 점에서는 단순한 알코올과 비슷해 보입니다. 하지만 페놀은 pKa ≈ 10, 반면 에탄올은 pKa ≈ 16으로 알코올에 비해서 산성도가 훨씬 강한데요, 그 이유는 음이온(페녹사이드 이온)의 안정화 여부에 달려 있습니다.알코올이 H⁺를 잃으면 알콕사이드 음이온(RO⁻)이 생기는데요, 이 음이온의 전하(–)는 산소 원자에만 국한되어 있어서 전하 비편재화가 거의 일어나지 않으며 따라서 불안정한 것이고 산성도 약합니다. 반면에 페놀은 H⁺를 잃으면 페녹사이드 이온(Ph–O⁻)이 되는데요, 이때 음전하가 단순히 산소에 머무는 것이 아니라, 산소–벤젠 고리 사이의 공명을 통해 고리 전체로 피편재화가 가능합니다. 예를 들면, O⁻에서 생긴 전자가 π 전자계로 들어가면서 오르토(2,6 위치)와 파라(4 위치)에 음전하가 분산될 수 있으며 즉, 페녹사이드 이온은 여러 개의 공명 구조로 표현할 수 있습니다. 결과적으로 음전하가 벤젠 고리 전체에 퍼져서 상대적으로 안정화되며 이에 따라서 H⁺를 잃는 반응이 알코올에 비해 훨씬 더 잘 일어납니다. 감사합니다.
화학
Q. 벤젠은 동일하게 탄소 6개로 이루어진 사슬보다 왜 연소열이 적은가요?
탄소 원자 수가 같은 경우라면 일반적으로는 더 불안정한 구조일수록 연소 시 더 큰 에너지를 방출하게 되는데요, 그런데 벤젠은 같은 탄소 수(C₆)로 이루어진 헥세인과 같은 직선형 알켄에 비해 연소열이 적게 방출됩니다. 그 이유는 바로 방향족성에 의한 안정화 효과 때문입니다. 우선 연소열은 한 화합물이 완전히 연소하여 CO₂와 H₂O로 바뀔 때 방출되는 에너지인데요 화합물 자체가 불안정할수록, 즉 높은 위치의 에너지 준위에 있을수록, 연소할 때 더 많은 에너지가 방출됩니다.반대로 화합물이 안정할수록, 이미 낮은 에너지 상태에 있기 때문에, 연소 시 방출되는 에너지는 상대적으로 적습니다.또한 벤젠(C₆H₆)은 단순한 단일결합과 이중결합이교대로 나타나는 이중결합이 있는 고리(1,3,5-헥사트리엔)처럼 보이지만 실제로는 그렇지 않은데요, 벤젠의 6개의 π 전자는 고리 전체에 걸쳐서 완전히 공명화되어 있으며, Hückel 규칙(4n+2, n=1)에 해당하는 방향족 안정화를 얻습니다. 이 때문에 벤젠의 실제 구조는 3개의 이중결합이 국소화된 구조보다 훨씬 안정하며 이 안정화 효과는 약 150 kJ/mol 정도로 알려져 있으며, 이를 방향족 안정화 에너지라고 합니다. 즉 동일한 탄소 6개짜리 사슬 알켄(예: 1-헥센)은 공명 안정화가 없기 때문에 상대적으로 더 높은 에너지 상태에 있으며 이에 따라서 연소 시 더 많은 에너지를 방출합니다. 반면, 벤젠은 이미 안정화된 상태에 있으므로, 최종 생성물(CO₂, H₂O)과의 에너지 차이가 작아져 연소열이 상대적으로 작게 나타납니다. 감사합니다.
화학
Q. 생체 내 환경에서는 이온결합보다 공유 결합을 더 강력한 결합이라고 보는 이유가 무엇인가요?
네, 말씀해주신 것처럼 일반적으로 화합물에서는 이온결합이 공유결합보다 세다고 봅니다. 고체 상태의 NaCl(소금) 같은 이온결합 화합물은 양이온과 음이온 사이의 정전기적 인력으로 이루어져 있어 단단한 격자 구조를 형성하는데요, 이러한 이온 결정은 녹는점도 높고 강도가 크기 때문에, 단순 비교하면 이온결합이 공유결합보다 더 강력하다고 설명되곤 합니다. 반면 공유결합은 전자를 공유하여 특정 원자들 사이에 국소적으로 결합을 이루는 방식으로, 물질의 성질에 따라 강도가 달라집니다.생명체 내부 환경은 대부분 수용액인데요, 물은 극성 용매이기 때문에, 이온결합으로 이루어진 물질을 쉽게 분리할 수 있습니다. 즉, 생체 내에서는 이온결합이 물 속에서 쉽게 약화되거나 끊어지는 것입니다. 이로 인해 수용액 상태에서는 이온결합이 공유결합보다도 약하다고 보는 것입니다. 반면에 공유결합은 물 속에서도 끊어지지 않는 강한 결합인데요 DNA의 당-인산 골격, 단백질의 펩타이드 결합, 효소의 활성부위 아미노산의 결합 등은 모두 공유결합으로 유지되며 생체 분자의 구조와 안정성은 이러한 공유결합 덕분에 보존됩니다. 감사합니다.
화학
Q. 화학에서는 왜 농도에 -log값을 붙인 pH, pKa등을 사용하나요?
화학에서 pH, pKa와 같이 농도의 음의 로그값을 쓰는 이유는 단순히 표현의 편리함 때문만이 아니라, 농도의 스케일과 화학 반응의 성질을 잘 반영하기 위함인데요, 수용액에서 수소 이온 농도([H⁺])는 보통 1 M ~ 10⁻¹⁴ M까지 매우 넓은 범위를 가집니다. 이렇게 지수 형태로 매우 작은 수(10⁻⁷ 같은 값)를 그대로 다루는 것은 불편하기 때문에, 이를 로그 변환하여 간단한 0~14 범위의 값으로 바꿔 쓰는 것이 바로 pH입니다. 즉, 로그를 취하면 수십 억 배 차이가 나는 농도를 “간단한 숫자 범위”로 바꿀 수 있습니다.또한 화학 반응에서 중요한 것은 절대 농도보다는 상대적인 비율이나 지수적 변화인데요 산-염기 평형에서 [H⁺] 농도가 10배 변하면, 반응 조건이 크게 달라지는데, 로그를 취하면 이런 비율 변화(배수)가 덧셈/뺄셈으로 단순화됩니다. 즉, 로그는 화학 반응의 변화를 직관적이고 선형적으로 보여주는 수단인 것입니다. 감사합니다.