Doctor of Public Health 전상훈입니다
Q. 바다에 사는 물고기가 민물에 들어 가면 죽는 이유가 무엇인가요?
안녕하세요. 물고기가 원래 서식하는 환경이 아닌 곳에서 생존하기 어려운 이유는 삼투압 조절(osmoregulation)과 체내 이온 균형 유지의 어려움 때문입니다. 민물과 바닷물은 염분 농도가 크게 다르며, 이에 따라 물고기의 신체는 특정한 환경에서 체내 수분과 전해질(이온)의 균형을 유지하도록 적응되어 있습니다. 바닷물에 서식하는 해수어(marine fish)는 주변 환경보다 체액의 염분 농도가 낮기 때문에, 삼투 현상에 의해 지속적으로 몸에서 물이 빠져나갑니다. 이를 보완하기 위해 해수어는 바닷물을 마시고, 아가미(gills)를 통해 과잉 염분을 배출하는 방식으로 체내 이온 균형을 유지합니다. 그러나 이러한 해수어가 민물에 들어가면, 삼투압 차이로 인해 물이 빠르게 몸으로 유입되면서 세포 내 삼투 스트레스가 발생하고, 신장이 과부하되어 결국 생존이 어려워집니다. 반대로 민물에서 서식하는 담수어(freshwater fish)는 주변 환경보다 체액의 염분 농도가 높아, 물이 지속적으로 몸속으로 들어오려는 경향이 있습니다. 이를 조절하기 위해 신장을 통해 과도한 수분을 배출하고, 아가미에서 나트륨(Na⁺)과 같은 필수 이온을 능동적으로 흡수합니다. 그러나 담수어가 바닷물에 들어가면, 체액보다 높은 염분 농도로 인해 몸에서 빠르게 수분이 빠져나가 탈수(dehydration) 상태에 빠지며 생존이 어렵게 됩니다. 일부 어종, 예컨데 연어(salmon)와 뱀장어(eel)와 같은 양수성 어류(euryhaline fish)는 특수한 삼투압 조절 능력을 갖추어 담수와 해수를 오갈 수 있습니다. 이들은 환경 변화에 따라 신장의 기능과 아가미의 염 조절 메커니즘을 조정하여 적응할 수 있지만, 대부분의 물고기는 특정한 염분 환경에서만 정상적으로 생존할 수 있도록 적응되어 있습니다. 이와 관련된 심도 있는 내용을 접근하고 싶으시다면, Marshall, W. S., & Grosell, M. (2006). Ion Tansport, Osmoregulation, and Acid-Base Balance. The Physiology of Fishes, 3rd Edition, 177-230. 또는 Evans, D. H., Piermarini, P. M., & Choe, K. P. (2005). The Multifunctional Fish Gill: Dominant Site of Gas Exchange, Osmoregulation, Acid-Base Regulation, and Excretion of Nitrogenous Waste. Physiological Reviews 85(1), 97-177. 과 같은 연구자료를 추천드립니다.
Q. 덩치가 크게 되면 근육도 많게 되는것인가요?
안녕하세요. 덩치가 크다는 것은 일반적으로 골격 크기(skeletal size), 체지방량(fat mass), 근육량(muscle mass)을 포함하는 개념입니다. 신체 크기가 클수록 절대적인 근육량(absolute muscle mass)이 증가하는 경향이 있으나, 이는 체지방 비율과 무관하지 않습니다. 골격이 크면 근육 부착 면적이 넓어지고, 이를 지탱하기 위해 상대적으로 더 많은 근육량을 가질 가능성이 높습니다. 그러나 체지방이 많으면 상대적으로 근육이 많더라도 외형적으로 뚜렷하게 드러나지 않을 수 있으며, 체중이 크다고 해서 반드시 근력이 높은 것은 아닙니다. 같은 체중을 가진 두 사람이라도 체지방률과 근육량의 비율이 다르면 신체 구성에 차이가 발생합니다. 또한, 운동 습관과 유전적 요인에 따라 근육의 발달 속도와 정도가 달라질 수 있습니다. 즉, 덩치가 크면 근육량도 많아질 가능성이 크지만, 이는 상대적인 개념이며, 체지방과 근육의 비율, 신체 활동 수준에 따라 그 관계가 달라질 수 있습니다. 따라서 덩치가 큰 사람이 반드시 근육이 많다고 할 수는 없지만, 골격이 크고 신체 활동량이 많다면 근육량이 증가할 가능성이 높습니다. 이와 관련된 심도 있는 내용이 궁금하시다면 Heymsfield, S. B., Gonzalez, M. C., Lu, J., Jia, G., & Zheng, J. (2015). Skeletal muscle mass and quality: Evolution of modern measurement concepts in the context of sarcopenia. Proceedings of the Nutrition Society, 74(4), 355-366과 같은 논문을 추천드립니다.
Q. 사람의 몸은 왜 씻지 않으면 냄새가 나나요?
안녕하세요. 사람의 몸에서 시간이 지나면서 냄새가 발생하는 현상은 피부 표면에서 분비되는 생리적 분비물과 피부 상재균(microbiota) 간의 생화학적 상호작용에 원인이 있습니다. 신체에서 특별한 물질이 묻지 않았음에도 불구하고 냄새가 나는 것은, 주로 땀(sweat), 피지(sebum), 각질(keratinized cells) 등이 피부에 축적되면서 미생물에 의해 분해되기 때문입니다. 이 과정에서 다양한 휘발성 유기화합물(volatile organic compounds ; VOCs)이 생성되며, 이는 체취(body odor)의 주요 원인으로 작용합니다. 신체에서 분비되는 땀은 주로 에크린선(eccrine gladns)과 아포크린선(apocrine glands)을 통해 생성됩니다. 에크린선은 전신에 분포하며, 주로 수분과 전해질(나트륨, 칼륨 등)을 포함한 맑은 땀을 분비합니다. 이 땀 자체는 무취에 가깝지만, 습한 환경을 제공하여 세균 증식을 촉진할 수 있습니다. 반면, 아포크린선은 겨드랑이, 서혜부(사타구니), 유두 주변과 같은 특정 부위에 집중되어 있으며, 단백질, 지질(lipids), 스테로이드(steroids) 등이 포함된 땀을 분비합니다. 이 아포크린선의 분비물은 피부 상재균에 의해 분해되면서 체취를 유발하는 다양한 지방산(fatty acids)과 암모니아(ammonia) 등의 휘발성 화합물을 생성합니다. 씻지 않으면 피부에서 나는 냄새가 더욱 심해지는 이유는 땀과 피지, 각질 등이 축적되면서 미생물이 더욱 활발하게 증식하고, 그 과정에서 휘발성 유기화합물(VOCs)이 다량 생성되기 대문입니다. 특히, 온도와 습도가 높아질수록 피부 표면의 미생물 활동이 증가하며, 체취가 더욱 강해질 가능성이 높습니다. 또한, 합성 섬유(polyester ; nylon)로 만들어진 의류는 면(cotton) 소재보다 땀을 흡수하지 못하여 미생물이 쉽게 번식할 수 있는 환경을 조성하며, 이는 냄새를 더욱 악화시키는 원인이 됩니다.
Q. 유기화학 거울상,거울상 관계 개념 질문
안녕하세요. 질문 1 : 분자 A와 분자 C가 거울상인지? 분자 A는 중심 탄소에 4개의 치환기(X, Y, Z, W)가 붙어 있는 분자이며, 분자 B는 분자 A를 거울에 비추었을 때 나타나는 거울상(mirror image)입니다. 그런데 분자 B를 시계방향으로 90도 회전한 분자 C는 단순한 회정(rotational transformation)을 거친 상태이며, 거울 반사(reflection)를 거친 것은 아닙니다. 따라서 분자 A와 분자 C는 서로 거울상이 아닙니다. 거울상 관계를 만족하려면 반드시 거울 반사(reflection)된 상태여야 하며, 회전(rotation)이나 이동(translation)만으로는 거울상이 되는 것이 아닙니다. 즉, 거울에 비춰서 얻어진 구조가 아니므로, 분자A와 분자C는 거울상이 아니라고 할 수 있습니다. 질문 2 : 거울상과 거울상 관계의 차이 거울상(Mirror Image)이란 어떤 분자를 거울에 비췄을 때 보이는 분자 구조를 의미합니다. 분자 A의 거울상은 분자 B이며, 이때 B는 단순한 회전이나 이동으로 A와 겹칠 수 없습니다. 바꿔말하면, 거울상을 말할 때는 거울 반사(reflection)에 의해 생성된 관계라고 할 수 있습니다. 거울상 관계(Mirror Image Relationship)는 서로 거울상인 두 분자 간의 관계를 의미합니다. 즉, 분자 A와 분자 B는 서로 거울상이므로, 거울상 관계에 있다 라고 말할 수 있습니다. 일반적으로 거울상 관계는 엔안티오머(enantiomers)의 관계를 정의하는 중요한 개념으로 사용됩니다. 하지만, 단순히 서로가 거울상은 아니지만 화학식 구조가 같고 겹쳐질 수 없는 경우는 거울상 관계라고 하지 않습니다. 즉, 거울 반사를 거치지 않았으면서 단순히 회전이나 이동으로 인해 겹쳐지지 않는 두 분자는 거울상 관계에 있다고 보지 않습니다. 이와 관련된 폭넓은 내용에 접근하고 싶으시다면 Eliel, E. L., & Wilen, S. H. (1994). Stereochemistry of Organic Compounds. Wiley. 또는 Clayden, J., Greeves, N., & Warren, S. (2012). Organic Chemistry. Oxford University Press. 와 같은 문헌을 추천드립니다.
Q. '오비탈'이 '전자 발견 확률'을 나타낸다는 것의 의미
안녕하세요. 일반적으로 오비탈은 특정 전자가 존재할 확률이 높은 공간적 분포를 나타내며, 이는 슈뢰딩거 방정식(Schrödinger equation)의 해를 통해 결정됩니다. 바닥 상태(ground stats)에서 질소(N ; 원자번호 7)의 전자 배치는 1s² 2s² 2p³ 입니다. 이는 전자들이 가장 낮은 에너지 준위에서 가장 안정적으로 배치된 상태를 의미하며, 각 오비탈 내에서 전자가 발견될 확률이 특정한 양자역학적 규칙을 따릅니다. 오비탈 자체는 단순한 '궤도'가 아니라, 특정한 공간에서 전자가 발견될 확률이 높은 영역을 나타내는 함수(Ψ² ; probability density function)입니다. 따라서 바닥 상태에서 질소 원자의 전자들은 특정한 오비탈 내에서 일정한 확률 분포를 가지며 존재합니다. 그러나 들뜬 상태(excited state)에서는 외부 에너지가 공급됨에 따라 전자들이 높은 에너지 준위로 전이할 가능성이 커집니다. 예컨데, 2p 오비탈에 있던 전자가 3s 오비탈로 들뜨게 되면, 3s 오비탈 내에서 전자를 발견할 확률이 증가하며, 2p 오비탈에서의 전자 존재 확률은 감소하게 됩니다. 이는 양자역학적으로 확률 분포의 변화를 의미하며, 오비탈의 개념이 확률적인 이유이기도 합니다. 또한, 그림에서 나타난 훈트의 규칙(Hund`s rule) 및 파울리의 배타 원리(Pauli exclusion principle) 를 위반하는 전자 배치는 양자역학적으로도 존재할 수 있지만, 매우 낮은 확률을 가집니다. 이러한 상태가 가능하더라도, 전자들이 특정 배치를 가질 확률이 현저히 줄어들며, 결과적으로 전자 발견 확률이 특정 오비탈에 집중될 가능성이 높습니다. 결론적으로, 바닥 상태에서는 질소 원자의 전자 배치가 특정한 오비탈에서 발견될 확률이 가장 크지만, 들뜬 상태에서는 전자가 여러 오비탈로 전이할 수 있으므로 발견 확률 또한 다양하게 변화할 수 있습니다. 따라서 오비탈이 전자 발견 확률을 나타낸다는 것은, 특정한 전자 배치에 따라 전자가 존재할 가능성이 공간적으로 분포하며, 이는 들뜸과 같은 에너지 변화에 따라 가변적일 수 있음을 의미합니다. 위의 내용에 대해 심도 있는 접근을 원하신다면 Griffiths, D. J. (2005). Introduction to Quantum Mechanics. Pearson Education. 또는 Levine, I. N. (2013). Quantum Chemistry. Pearson. 과 같은 문헌을 추천드립니다.