안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
화학
Q. 화학반응이 일어날 때 에너지 변화가 반드시 수반되는데 어떤 경우에는 열을 내고 어떤 경우에 외부에서 에너지를 공급해야 하는가요
안녕하세요.네, 질문해주신 것처럼 화학 반응이 일어날 때는 반드시 결합이 끊어지고 새로운 결합이 형성되는데요, 이 과정에서 에너지의 출입이 일어납 따라서 어떤 반응은 열을 내는 발열 반응, 어떤 반응은 열을 흡수하는 흡열 반응이 됩니다. 결합을 끊을 때에는 기존 결합을 끊는 데 에너지가 필요하며 반면에 새로운 결합을 만들 때에는 새로운 결합이 형성되면서 안정화되고, 에너지가 방출됩니다. 따라서, 새로 만들어지는 결합에서 방출되는 에너지가 더 크면 발열 반응이 되고 기존 결합을 끊는 데 드는 에너지가 더 크면 흡열 반응이 됩니다. 반응 후 생성물이 반응물보다 안정할 때 발열반응이 나타나며 엔탈피 변화 ΔH 0이고 대표적인 예시는 식물의 엽록체에서 일어나는 광합성입니다. 감사합니다.
화학
Q. 일반적으로 염기성도가 높을수록 친핵성도도 높아지는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 염기성도는 어떤 종이 양성자(H⁺)를 받아들이려는 경향을 의미하는데요 즉, 염기는 H⁺에 대한 친화력이며 이는 주로 평형 상수(pKₐ 값)로 정의됩니다. 반면에 친핵성도는 어떤 종이 전자쌍을 주어 전자를 부족하게 가진 탄소, 예를 들자면 카보닐 탄소, 알킬 할로겐화물의 탄소를 공격하는 반응 속도와 관련되며 즉, 친핵체는 탄소와 같은 전자 부족 중심에 대한 친화력입니다. 이때 염기성이 강하다는 것은 해당 종이 전자쌍을 강하게 보유하고 있으며 H⁺와 결합하려는 성향이 크다는 뜻인데요 이는 일반적으로 같은 전자쌍을 이용해서 탄소의 전자 부족 부위와도 잘 반응할 수 있음을 의미합니다. 즉, 전자밀도가 높고 결합 형성에 적극적인 종일수록, H⁺에도 잘 달라붙고, 전자가 부족한 탄소에도 잘 공격하며, 따라서 일반적으로 염기성과 친핵성은 같은 전자공여 능력을 반영하므로 비슷한 경향을 보이는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 전형 원소와는 다르게 전이원소는 다양한 전하를 띨 수 있는 이유가 무엇인가요?
안녕하세요.네, 질문해주신 것처럼 주족 원소와는 다르게 전이금속이 다양한 산화수를 가질 수 있는 이유는 전자배치와 결합 특성과 깊게 관련되어 있는데요, 전형 원소의 경우에는 화학적 성질 대부분 가장 바깥쪽 전자껍질(최외각 s, p전자)에 의해 결정되며 따라서 안정적인 전자배치를 위해 주로 1가지 산화수만 갖는 경우가 많습니다. 반면에 전이금속의 경우에는 d 전자가 최외각 전자껍질 바로 아래에 존재하며 s전자와 d전자 모두 화학반응에 참여 가능하기 때문에 여러 산화수가 가능한 것입니다. 말씀해주신 Fe 원자 전자배치는 [Ar] 4s² 3d⁶인데요, d전자 손실 여부에 따라 Fe²⁺, Fe³⁺ 등 다양한 산화수 형성 가능한 것입니다. 감사합니다.
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.