Doctor of Public Health 전상훈입니다
Q. 김치를 먹으면 어떤 미생물이 많이 들어있어서 장이 깨끗해지나요?
안녕하세요. 김치의 발효 과정은 다양한 미생물에 의해 촉진되며, 이들 중 일부는 장내 환경 개선에 기여하는 것으로 알려져 있습니다. 유산균(Lactobacillus)과 젖산균(Lactococcus) 이외에도, 김치에는 바실러스(Bacillus), 레우코노스톡(Leuconostoc), 바이피도박테리움(Bifidobacterium) 등의 미생물이 포함되어 있습니다. 이들 각각의 미생물은 김치의 맛과 향을 형성하는데 중요한 역할을 할 뿐만 아니라, 장내 유익균의 성장을 촉진하고 유해균의 성장을 억제하여 장의 건강을 도모합니다. 바실러스 종은 김치의 발효 과정 중에 단백질과 지바을 분해하여 다양한 생리활성 물질을 생성하며, 이는 소화 촉진 및 장내 환경 개선에 도움을 줄 수 있습니다. 레우코노스톡은 젖산 및 다른 유기산을 생산하여 김치의 pH를 낮추고, 이는 병원균의 성장을 억제하는 자연적인 보존 환경을 만듭니다. 또한, 바이피도박테리움은 장내에서 프리바이오틱스로 작용할 수 있는 올리고당을 분해하여 장 건강에 긍정적인 영향을 미칩니다.
Q. 왜 대부분의 생물은 눈이 두개인가요 ?
안녕하세요. 대부분의 생물이 두 개의 눈을 가진 이유는 복시를 가능하게 하는 스테레오 시각(stereoscopic vision)의 진화적 이점 때문입니다. 이는 두 눈이 서로 다른 각도에서 주변 환경을 보게 함으로써, 깊이 감각과 거리 추정을 가능하게 합니다. 이는 포식자로부터 효과적으로 피하거나 먹이를 사냥하는 데 필수적인 능력입니다. 진화의 관점에서 볼 때, 눈의 수가 늘어나는 것은 추가적인 자원을 필요로 하며, 이는 생존과 번식에 직접적인 이점을 제공하지 않는 한 선택될 가능성이 낮습니다. 대부분의 생물에서 두 눈은 이미 3차원 공간에서 충분한 시각 정보를 제공하고, 더 많은 눈이 필요한 특별한 환경적 요구가 없는 한, 추가적인 눈은 비효율적일 수 있습니다. 또한, 눈은 복잡한 기관으로서 개발과 유지에 상당한 에너지를 요구합니다. 에너지 비용 대비 이득이 명확하지 않은 경우, 자연 선택은 더 적은 수의 눈을 가진 생물을 선호할 가능성이 높습니다. 예외적으로, 일부생물은 환경적 요구에 따라 다양한 수의 눈을 가질 수 있습니다. 예를 들어, 어떤 절지동물은 다수의 눈을 가지고 있으며, 이는 그들의 생활 방식과 밀접하게 연관되어 있습니다. 이러한 진화적 선택은 생물이 생존과 번식에 가장 적합한 형태로 진화하도록 이끌었던 결과입니다. 따라서, 대부분의 생물이 두 개의 눈을 가진 것은 이중 시각의 이점을 극대화하고, 에너지 소비를 최적화하는 진화적 결과라고 볼 수 있습니다. 관련 내용을 심도 있게 더 살펴보고 싶으시다면, Principles of Neural Science (Eric kandel et al.)과 같은 논문을 추천드립니다.
Q. 박쥐는 왜 거꾸로 뒤집혀있는데 어지럽지않나요 ?
안녕하세요. 박쥐는 중력에 의해 머리로 혈액이 집중되는 것을 방지하는 특수한 혈관 구조를 갖추고 있습니다. 이 혈관들은 머리로의 과도한 혈류를 제어하고, 필요한 만큼의 혈액만을 뇌로 전달하여 박쥐가 매달려 있을 때도 정상적인 생리 상태를 유지하도록 돕습니다. 또한, 박쥐의 내이(vestibular system)는 그들이 거꾸로 매달린 상태에서도 방향 감각을 유지하도록 적응해 있습니다. 내이 내의 반고리관(semicircular canals)과 기타 감지 기관들은 박쥐의 몸이 뒤집힌 상태에서도 안정적인 지각 정보를 제공합니다. 이러한 생리적 적응은 박쥐가 거꾸로 매달려 있어도 뇌로의 혈액 공급과 균형 유지가 효과적으로 이루어지게 함으로써, 어지럼증이나 기타 부정적 영향을 최소화합니다.
Q. 토끼와 같이 털에 방수 능력이 없는 동물이 물에 젖었을 때 체온이 급격하게 떨어지는 이유는 무엇일까요?
안녕하세요. 토끼와 같이 털에 방수 능력이 없는 동물들이 물에 젖었을 때 체온이 급격하게 떨어지는 주된 이유는 물이 열을 효율적으로 전도하기 때문입니다. 이러한 현상을 이해하기 위해 열전도(thermal conduction) 및 증발 냉각(evaporative cooling)의 물리학적 원리를 살펴볼 필요가 있습니다. 먼저, 털이나 모피는 일반적으로 공기층을 함유하며, 이 공기층은 우수한 절연체 역할을 합니다. 공기는 열을 잘 전달하지 않기 때문에, 건조한 상태에서의 털은 동물의 체온을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다. 그러나 털이 물에 젖게 되면 이 공기층이 물로 대체되고, 물은 공기보다 열을 훨씬 잘 전달하는 매체입니다. 이로 인해 동물의 체열은 물을 통해 주변 환경으로 빠르게 전달되어 체온이 급격히 하락하게 됩니다. 또한, 젖은 털에서 물이 증발하면서 주변의 열을 흡수하는 증발 냉각 효과도 발생합니다. 증발 과정에서는 상태 변화가 일어나기 위해 에너지(열)가 필요하며, 이 열은 동물의 몸에서 가져가게 됩니다. 결과적으로, 이 증발 과정은 동물의 체온을 더욱 낮추는 원인이 됩니다. 이 두가지 원리ㅡ열의 효율적인 전도와 증발에 의한 냉각ㅡ는 특히 방수 능력이 없는 동물에서 더욱 두드러지게 나타납니다. 방수 코팅이 있는 동물의 털은 물이 털 사이로 침투하는 것을 막고, 공기층을 유지하여 열 손실을 최소화합니다. 그러나 방수 능력이 없는 동물은 이러한 보호 기능이 없기 때문에, 물에 젖었을 때 열 손실이 크게 증가하여 체온 유지에 심각한 영향을 미칩니다.
Q. 냉동실에 한시간정도 있던 소주를 흔드니까 어는데 왜그런가요?
안녕하세요. 소주가 냉동실에서 얼음으로 변하는 현상은 과냉각(supercooling)과 결정화(nucleation)의 원리에 기반을 두고 있습니다. 이 현상을 이해하려면 과냉각에 상태에 대해 선행된 설명이 필요합니다. 과냉각이란 액체가 그 녹는 점 아래의 온도까지 냉각되어도 고체 상태로 변하지 않는 상태를 말합니다. 이러한 상태에서 액체는 매우 불안정하며, 작은 외부 자극에 의해 급격하게 결정화하여 얼음으로 변할 수 있습니다. 소주와 같은 알코올 음료는 순수한 물보다 어는점이 낮습니다. 이는 알코올 분자가 물 분자 사이의 수소 결합을 방해하기 때문입니다. 따라서 소주는 일반적인 냉동실의 온도에서도 완전히 얼지 않고 과냉각 상태로 남아 있을 수 있습니다. 이 때 소주병을 흔드는 행위는 액체 내부에 작은 기포나 입자를 움직이게 하여 결정화를 촉진하는 "핵 생성 자리(nucleation sites)"를 제공합니다. 이 핵 생성 자리에서 물 분자들이 결집하기 시작하며, 이로 인해 소주 전체가 급속하게 얼음으로 변할 수 있습니다. 이러한 현상은 소주 뿐만 아니라 다른 알코올 음료에서도 관찰될 수 있으며, 알코올 농도가 결저오하 시작점을 낮추는 역할을 합니다. 이런 현상은 물리화학의 관점에서 바라보았을 때, 순수한 물질의 상태 변화와는 다른 복잡한 역학이 작동되는 것을 보여주는 예입니다. 소주를 드시면서 과학적 원리를 궁금해하는 질문자님의 물리학을 향한 학문적 추구를 응원합니다. ^^