안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
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.
생물·생명
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.
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Q. 수명연장에대해 궁금해서 질문합니다..
안녕하세요.네, 질문해주신 것에 대해 답변해드리자면 1900년대 초에는 전 세계 평균 기대수명 약 40세였으나 현재(2020년대)에는 선진국 평균 기대수명 80세 이상으로 지난 100년간 위생, 백신, 항생제, 수술, 영양 개선 덕분에 거의 2배 가까이 연장되었는데요, 즉, 앞으로도 의학과 기술 발전에 따라 수명은 조금씩 늘어날 수 있습니다. 현재 연구되고 있는 수명 연장 기술에는 노화세포 제거(senolytics)가 있는데요, 노화된 세포가 쌓이면 염증과 질병을 유발할 수 있는데, 이를 선택적으로 제거하는 약물 연구 중입니다. 이외에도 세포 분열할 때마다 짧아지는 텔로미어를 연장하거나 안정화시키는 기술, 장수와 관련된 FOXO, SIRT 같은 유전자 연구 등이 진행되고 있습니다. 지금 연구되고 있는 기술로 사람의 평균 수명은 100세까지는 가능성이 있습니다. 하지만 120세 이상, "영생" 수준은 아직 생물학적 한계가 크고, 뇌·신경계 노화를 완전히 막는 것은 더 어려운 과제이며 다만, “단순히 오래 사는 것”보다 건강수명(건강하게 활동할 수 있는 기간)을 연장하는 쪽으로 연구가 집중되고 있습니다. 선진국에서 90~100세까지 올라갈 가능성 높으며 지금의 122세(프랑스 잔 칼망 기록)를 넘어설 수도 있고, 개인 맞춤형 유전자 치료, 인공지능 기반 질병 예측, 인공 장기 보편화 가능성 큽니다. 감사합니다.
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Q. 세포생물학 과목에서 노화세포에 대해서도 배우나요?
안녕하세요.네, 보통 학부 수준의 세포생물학(Cell Biology) 과목에서는 노화세포를 세포주기의 제한과 관련된 개념으로 다루고 있습니다. 헤이플릭 한계에 의하면 정상 체세포는 무한히 분열하지 않고 일정 횟수(약 40~60회)만 분열 후 노화 상태에 들어가게 되며, 텔로미어 단축이란 세포 분열이 반복되면서 텔로미어가 짧아지고, 결국 분열이 멈추는 현상을 말하며, 세포주기 조절 인자는 p53, p21, p16 같은 단백질이 세포 주기를 멈추게 하는 역할을 수행합니다. 즉 "세포가 무한 분열하지 못하는 이유부터 텔로미어와 세포주기 조절 단백질" 정도까지를 학부 기본 수준으로 배운다고 할 수 있으며, 심화 과정(세포노화·노화생물학 관련 전공 선택 과목)에서 노화세포가 염증성 인자, 성장인자 등을 분비해서 조직 환경에 영향을 주는 현상에 대해 배운다고 볼 수 있습니다. 감사합니다.
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Q. 식물성 대체육이나 실제 동물세포를 배양해 만든 배양육
안녕하세요.네, 질문해주신 "대체육"과 "배양육"은 식품 산업뿐 아니라 축산업, 환경, 사회·문화적 가치관을 바꿀 수도 있는데요, 식물성 대체육은 콩, 완두, 밀 단백질 등을 가공해 실제 고기와 비슷한 식감·맛을 구현한 것으로 전통 축산업의 일부 수요 대체했으며, 건강 및 채식주의·비건 시장 확장, 환경적 부담(메탄가스, 토지 사용, 물 소비) 감소의 결과를 만들었습니다. 배양육은 소, 닭, 돼지 등의 근육줄기세포를 배양해 실제 고기 조직으로 키운 것인데요, 진짜 고기와 동일한 성분을 가지므로, 채식주의자보다는 “동물을 죽이지 않고 고기를 먹고 싶은 소비자”에게 매력적이며 전통 축산업이 차지하고 있던 프리미엄 고기 시장을 대체할 잠재력이 크지만 다만 아직은 생산비용, 대량 생산 기술, 소비자 인식이 과제라고 할 수 있습니다. 장기적으로는 대량생산 체계가 확립되면서 지구 환경 문제 해결에 크게 기여할 수 있을 것이며 “진짜 고기”는 와인·치즈처럼 전통적·문화적 가치 상품으로만 소비될 가능성이 있습니다. 감사합니다.
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Q. 동물의 에너지원을 포도당이 아닌 글리코겐 형태로 저장하는 편이 이유는 무엇인가요?
안녕하세요.네, 질문해주신 것처럼 동물이 포도당(단당류) 대신 글리코겐(다당류)으로 에너지를 저장하는 이유는 크게 삼투압 조절과 효율적인 에너지 저장 때문인데요, 만약 세포가 에너지를 포도당 분자(단당류) 형태로 저장한다면, 같은 양의 에너지를 위해 엄청나게 많은 개수의 포도당 분자가 세포 안에 존재해야 합니다. 이렇게 세포 안에 작은 분자가 많이 존재하면, 삼투압(osmotic pressure)이 급격히 올라가서 물 분자가 세포 안으로 유입되어 세포가 붓거나 파열될 위험이 있는데요,하지만 포도당을 글리코겐이라는 거대 고분자(분자량 수백만 이상)로 연결하면, 세포 안에서 “하나의 큰 입자”처럼 행동하기 때문에 삼투압에 거의 영향을 주지 않으며, , 글리코겐 형태로 저장하면 삼투압 균형을 유지하면서도 많은 포도당을 저장할 수 있는 것입니다. 또한 글리코겐은 α-1,4 및 α-1,6 글리코시드 결합으로 가지(branch)가 많은 구조를 가지고 있는데요, 이 가지 구조 덕분에 여러 지점에서 동시에 효소가 작용해 빠르게 포도당을 잘라낼 수 있으며 급격한 에너지 요구(운동, 싸움-도망 반응 등)에 대응 가능합니다. 감사합니다.
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Q. 동물이 가지고 있는 세포 외 기질이 내부 충격을 방지해 줄 수 있는 원리는 무엇인가요?
안녕하세요.네, 식물은 세포벽(cell wall)이라는 단단한 구조물이 세포막 바깥쪽을 둘러싸서 기계적 지지와 보호를 해주지만, 동물 세포에는 세포벽이 없는데요, 대신 동물 조직에서는 세포 외 기질(ECM, extracellular matrix)이 중요한 방어·지지 역할을 수행합니다. ECM은 콜라겐(collagen), 엘라스틴(elastin), 당단백질(proteoglycan) 등으로 이루어져 있는데요, 콜라겐은 강한 인장 강도를 제공하고, 엘라스틴은 신축성을 부여하여 늘어났다 돌아오는 탄성체처럼 작용을 하며, 그래서 외부 힘이 가해졌을 때 변형되면서 충격을 흡수하고, 세포에 직접적인 손상이 가지 않도록 합니다. ECM에 있는 프로테오글리칸(proteoglycan)과 글리코사미노글리칸(GAGs)은 강한 음전하를 띠고 있어 많은 양의 물을 끌어당기는데요, 이로 인해 ECM은 점탄성(viscoelastic) 있는 수화 겔처럼 작동하여, 압박이 들어오면 물이 흡수·분산되면서 충격을 완화하게 되는 것입니다. 또한 세포막의 인테그린(integrin) 단백질이 ECM과 연결되어 있어, 물리적 힘이 세포막 한 곳에 집중되지 않고 ECM 전체 네트워크로 퍼져나가 분산되는데요 즉, 충격이 "망처럼 연결된 구조물"을 통해 나눠져 세포 내부가 보호됩니다. 감사합니다.
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Q. 용균성 바이러스와 용원성 바이러스 생활사의 차이는 어떻게 되나요?
안녕하세요. 네 말씀해 주신 것처럼 바이러스는 크게 용균성 바이러스와 용원성 바이러스로 나뉘는데요, 이는 바이러스가 숙주 세포에 들어간 뒤 어떤 방식으로 증식하고 숙주와 상호작용하는지를 나타냅니다. 우선 용균성 바이러스 생활사 (Lytic cycle)의 대표적 예시는 T4 박테리오파지인데요 우선 흡착(Attachment)단계에서 바이러스가 숙주 세포 표면에 붙고 침투(Penetration)단계에서 바이러스의 유전자가 숙주 세포 안으로 주입되며 합성(Synthesis)단계에서 숙주의 전사·번역 시스템을 이용해 바이러스의 단백질과 유전체를 대량으로 합성하고 조립(Assembly)단계에서 새 바이러스 입자(비리온)가 조립되며, 마지막으로 용균(Lysis)단계에서 숙주 세포막을 파괴(lysis)하여 다량의 바이러스가 방출하며 숙주 세포는 즉시 사멸하는데요, 즉 바이러스가 빠르게 증식하며, 숙주를 곧바로 파괴합니다. 반면 용원성 바이러스 생활사 (Lysogenic cycle)의 대표적 예시는 람다(λ) 파지인데요, 바이러스 DNA가 숙주 세포로 들어오고 바이러스 DNA가 숙주 세포의 염색체 속에 삽입하는데 이때 바이러스 DNA를 프로파지(prophage)라고 부르며, 숙주 세포가 분열할 때마다 바이러스 DNA도 함께 복제되어 다음 세대 세포로 전달되고, 특정 자극(자외선, 화학적 스트레스 등)이 가해지면, 프로파지가 다시 활성화되어 용균성 경로로 전환하며 새 바이러스가 합성되고 숙주는 파괴됩니다. 이는 숙주와 공생적·잠복적 관계를 유지하며, 숙주를 당장 죽이지 않고 유전체 안에 숨어 있다가 필요할 때 활성화됩니다.
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Q. 뱀은 휘파람이나 피리 소리에 특히 잘 반응하는 이유가 있나요?
안녕하세요.네 질문주신 것처럼 많은 분들이 "뱀이 피리 소리에 춤추듯 반응한다"고 생각하시지만, 사실 과학적으로는 차이가 있는데요, 우선 뱀은 포유류처럼 귓바퀴와 고막이 없어 공기 중 소리(특히 고주파)를 잘 듣지 못하는데요, 일반적으로 100–1000Hz 정도의 낮은 주파수 소리만 어느 정도 감지할 수 있습니다. 또한 뱀은 귀 대신 턱뼈와 피부를 통해 땅의 진동을 매우 잘 감지하며, 이 덕분에 땅을 기어가는 먹이나 포식자의 움직임을 효율적으로 인식합니다. 즉 사람이 내는 휘파람, 피리 같은 고주파 소리는 뱀이 실제로 잘 듣지 못하는데요, 대신 소리를 내면서 발생하는 진동(연주자의 몸 움직임, 바람, 기류, 땅 울림)에는 반응할 수 있습니다. 다시말해서 뱀이 피리 소리에 반응한다기보다는, 피리 부는 사람(사육사)의 손과 피리 움직임에 시선을 맞추고 몸을 따라 움직이는 것이며, 코브라는 위협을 느끼면 목을 펼치고 몸을 세우는데, 이 상태에서 움직이는 물체를 주시하며 고개를 흔들다 보니 마치 "음악에 춤추는 듯" 보이는 것입니다. 즉 어른들이 "휘파람 불면 뱀이 나온다"고 하는 전통적인 말은 사실 과학적 이유보다는 민속적 속설에 가까운데요, 옛날 야외 생활에서는 소리와 진동이 뱀을 자극할 수 있다는 경험적 지식에서 비롯된 것으로 보이며, 실제로는 휘파람 소리 자체보다는, 사람이 움직이거나 땅을 울리는 행동이 뱀에게 더 큰 자극이 됩니다. 감사합니다.