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박테리아는 어떻게 철광석을 만들었을까?

철은 현대 산업사회를 지탱하는 가장 중요한 광물 자원 중 하나로, 우리 주변의 거의 모든 곳에서 쓰이고 있습니다. 우리가 일상에서 접하는 대부분의 철은 약 25억 년 전 시생누대에서 원생누대로 넘어가는 시기에 형성된 호상철광층이라는 독특한 퇴적암층에서 기원합니다. 흥미로운 점은 이 거대한 철광층의 형성이 당시 지구상에 존재했던 아주 작은 미생물들의 활동과 밀접하게 연결되어 있다는 사실입니다. 눈에 보이지도 않는 미생물들이 어떻게 오늘날 인류 문명의 근간이 되는 거대한 자원을 만들어낼 수 있었는지 그 과정을 살펴보는 것은 지구 역사의 신비를 푸는 열쇠가 됩니다. 호상철광층은 그 이름처럼 뚜렷한 띠 모양의 무늬를 가진 것이 특징입니다. 지층의 단면을 관찰하면 철 광물이 풍부한 층과 규소 산화물이 주성분인 층이 정교하게 번갈아 나타나는 것을 볼 수 있습니다. 어두운 부분은 적철석이나 자철석으로 이루어져 있으며, 밝은 부분은 처트라는 암석에 미량의 철이 포함되어 형성되었습니다. 이러한 층상 구조는 과거 바닷속에서 철의 침전 작용이 일어났던 환경의 변화를 고스란히 간직하고 있는 소중한 지질학적 기록이며, 당시의 해양 상태를 추측하게 합니다. 이 암석은 지구의 역사를 담고 있는 일종의 타임캡슐과도 같습니다. 수십억 년 전의 바다에 오늘날보다 훨씬 많은 양의 철이 녹아 있을 수 있었던 이유는 당시 지구 환경이 지금과는 판이하게 달랐기 때문입니다. 시생누대에는 활발한 화산 활동을 통해 지표로 공급되는 철의 양이 현재보다 훨씬 많았을 뿐만 아니라, 결정적으로 바닷물 속에 산소가 거의 존재하지 않았습니다. 산소가 없는 환원 환경에서 철은 물에 잘 녹는 2가철 상태로 존재할 수 있었기에, 당시의 바다는 거대한 철의 저장고 역할을 할 수 있었습니다. 만약 당시에도 지금처럼 산소가 풍부했다면 철은 공급되는 즉시 산화되어 가라앉았을 것이고, 경제적 가치가 있는 거대한 광상은 형성되지 못했을 것입니다. 원생누대에 접어들면서 지구 생태계에는 광합성을 통해 산소를 배출하는 시아노박테리아라는 혁명적인 미생물이 등장하여 활동을 시작했습니다. 이들이 내뿜은 산소는 바닷물 속의 산소 농도를 높였고, 녹아 있던 2가철을 물에 녹지 않는 3가철로 산화시켰습니다. 산화된 철은 입자가 되어 해저면에 쌓이기 시작했으며, 때로는 산소를 직접 이용하지 않고 철을 산화시켜 에너지를 얻는 다른 미생물들의 활동까지 더해져 거대한 퇴적층이 만들어졌습니다. 이러한 미생물들의 대사 작용은 지구 전체의 화학적 조성을 바꾸어 놓았으며, 결과적으로 인류가 사용할 막대한 양의 철광석을 축적하는 계기가 되었습니다. 오늘날 지구상에서 호상철광층은 더 이상 만들어지지 않는 일종의 '멸종된 암석'으로 분류됩니다. 현재는 대기와 해양에 산소가 풍부하여 해저 화산 활동 등으로 공급된 철이 농축될 틈도 없이 곧바로 산화되어 침전물로 제거되기 때문입니다. 또한 지구가 점차 식어가면서 철의 공급원인 화성 활동 자체가 줄어든 것도 중요한 원인 중 하나입니다. 결국 우리가 사용하는 철광석은 수십억 년 전 미생물들이 특정 지질학적 시기에 만들어낸 일회성 선물인 셈입니다. 당연하게만 여겼던 철이라는 자원 속에 고대 미생물들의 치열한 생존 기록이 담겨 있다는 사실은 우리에게 자연의 경이로움을 다시금 일깨워 줍니다.

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생명과학
지구환경과학

[강연] 안진호_빙하에 숨겨진 공기 방울｜제32회 서울대 자연과학 공개강연_"과학의 탐험" | 1강

빙하는 과거의 대기 성분을 고스란히 간직하고 있는 천연 타임머신입니다. 남극이나 그린란드의 거대한 얼음층 속에는 수많은 공기 방울이 갇혀 있는데, 이는 눈이 쌓여 얼음으로 변하는 과정에서 당시의 공기가 함께 봉인된 것입니다. 과학자들은 이 작은 공기 방울을 추출하여 수십만 년 전의 기온 변화와 온실가스 농도를 정밀하게 분석합니다. 이를 통해 우리는 지구가 과거에 어떤 기후 변화를 겪었는지, 그리고 현재의 온난화가 얼마나 이례적인 현상인지 이해할 수 있는 중요한 단서를 얻게 됩니다. 빙하가 형성되는 원리는 매우 흥미롭습니다. 매년 내리는 눈이 겹겹이 쌓이면 하층부의 눈은 상층부의 무게에 눌려 점차 다져지게 됩니다. 약 50~100미터 정도의 두께가 되면 눈송이 사이의 틈이 완전히 닫히며 단단한 얼음으로 변하는데, 이때 공기가 빠져나가지 못하고 방울 형태로 남게 됩니다. 이렇게 만들어진 공기 방울은 외부와 차단된 채 수만 년 이상의 시간을 견뎌냅니다. 과학자들은 특수 장비를 이용해 얼음을 깨뜨리거나 녹여 이 공기를 추출하며, 이는 과거 지구의 대기 상태를 직접 확인할 수 있는 유일한 방법입니다. 지난 80만 년 동안의 기록을 살펴보면 이산화탄소, 메테인, 아산화질소와 같은 주요 온실가스 농도는 빙하기와 간빙기의 주기적 변화와 밀접하게 연동되어 왔습니다. 따뜻한 시기에는 농도가 높았고 추운 시기에는 낮아지는 경향을 보였으나, 최근 100년 사이의 변화는 과거의 자연적인 변동 범위를 완전히 벗어났습니다. 화석 연료 사용과 농축산업의 확대로 인해 온실가스 농도가 급격히 상승한 것입니다. 이러한 급격한 변화는 지구가 수십만 년 동안 경험하지 못한 새로운 환경적 위협으로 다가오고 있으며, 기후 시스템의 불안정성을 초래하고 있습니다. 온실가스 배출이 멈춘다고 해서 기후 위기가 즉각 해결되는 것은 아닙니다. 인류가 배출한 이산화탄소의 절반 정도는 대기에 남고 나머지는 해양과 육상으로 흡수되는데, 지구 온도가 상승하면 이러한 자연의 흡수 능력이 약화될 수 있습니다. 특히 영구 동토층이 녹으면서 그 안에 갇혀 있던 유기물이 분해되어 막대한 양의 온실가스가 추가로 방출되는 '되먹임 효과'가 발생할 수 있습니다. 이는 인간의 통제를 벗어난 가속화된 온난화를 유발할 수 있으므로, 과학자들은 빙하 연구를 통해 이러한 복잡한 탄소 순환 체계를 정밀하게 모델링하고 예측하려 노력합니다. 해수면 상승은 인류가 직면한 가장 확실하고도 장기적인 미래입니다. 이산화탄소 농도가 낮아지더라도 바닷물이 데워지며 발생하는 열팽창과 거대한 빙하가 녹는 과정은 수백 년에서 수천 년에 걸쳐 서서히 진행되기 때문입니다. 남극과 그린란드의 빙하가 모두 녹는다면 해수면은 무려 60미터 이상 상승할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 비록 당장 일어날 일은 아니지만, 우리가 현재 내리는 결정과 행동에 따라 해수면이 상승하는 속도와 최종적인 높이가 결정됩니다. 이는 미래 세대의 생존 환경을 결정짓는 중대한 사안입니다. 빙하 연구는 단순히 기후 변화를 추적하는 것에 그치지 않고 역사적 사건의 실마리를 제공하기도 합니다. 예를 들어 그린란드 빙하 속의 화산재 성분을 분석하면 약 1,000년 전 백두산 대폭발의 정확한 시기와 규모를 파악할 수 있습니다. 당시 화산 가스가 성층권 높이까지 도달하지 않았다는 사실을 밝혀냄으로써, 왜 그토록 거대한 폭발에도 불구하고 전 지구적인 기온 하강이 크지 않았는지에 대한 의문을 풀 수 있었습니다. 이처럼 빙하는 지구 곳곳에서 일어난 자연재해와 환경 변화의 기록을 세밀하게 저장하고 있는 거대한 도서관과 같습니다. 이제 과학자들의 시선은 더 먼 과거와 우주로 향하고 있습니다. 100만 년 이전의 기후 기록을 찾기 위해 남극의 '블루 아이스' 지역을 탐사하며, 빙하기 주기가 변하게 된 근본적인 원인을 규명하려 합니다. 또한 지구의 빙하와 영구 동토층에서 일어나는 미생물 활동과 화학 반응 연구는 화성이나 목성의 위성 유로파와 같은 외계 얼음 행성에서의 생명체 존재 가능성을 해석하는 데 중요한 기초 자료가 됩니다. 극한의 환경에서 묵묵히 연구를 이어가는 과학자들의 노력은 지구의 미래를 예측하고 인류의 지평을 우주로 넓히는 소중한 밑거름이 될 것입니다.

안진호

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지구환경과학

[인터뷰] 안진호_빙하에 숨겨진 공기 방울｜제32회 서울대 자연과학 공개강연_"과학의 탐험"

서울대학교 지구환경과학부 안진호 교수는 빙하와 온실가스를 통해 지구의 과거와 현재를 연구합니다. 남극과 그린란드의 빙하, 동토의 얼음, 심지어 도심의 공기까지 분석하며 온실가스의 이동 경로를 추적합니다. 특히 빙하 속 공기방울은 눈이 쌓일 당시의 대기 성분을 그대로 간직한 타임캡슐과 같습니다. 연구진은 이 공기를 추출해 과거의 온실가스 농도 변화를 분석함으로써 기후 변화의 원인과 메커니즘을 밝혀내고 있습니다. 2018-19 시즌 남극 라센 빙원 탐사에서는 푸른 빛을 띠는 고대 빙하를 시추했습니다. 이곳은 깊은 곳의 빙하가 표면으로 노출된 지역으로, 약 만 년에서 이만 년 전의 기록을 담고 있습니다. 연구진은 빙하기에서 간빙기로 넘어가는 시기의 기온 상승 폭을 측정하고, 빙하 표층에서 온실가스가 새롭게 생성되는 원인을 분석했습니다. 이러한 현장 연구는 과거의 기후 시스템을 복원하고 미래 변화를 예측하는 데 필수적인 기초 자료가 됩니다. 최근 연구에서는 빙하 내부에서 일어나는 예상치 못한 화학 반응을 발견했습니다. 얼음 속 온실가스가 햇빛이나 자외선의 영향으로 생성되거나 소멸하는 현상을 포착한 것입니다. 이러한 발견은 단순히 지구의 과거를 아는 것을 넘어, 얼음으로 이루어진 외계 행성에서 일어나는 현상을 해석하는 실마리가 됩니다. 연구팀은 실험실에서 이를 재현하며 우주 과학으로 연구 지평을 넓히고 있으며, 이는 미래의 새로운 탐험 영역이 될 것입니다. 남극과 북극의 빙하는 지형적 특성에 따라 큰 차이를 보입니다. 대륙인 남극은 적설량이 적어 최대 80만 년 이상의 오래된 빙하가 보존되어 있지만, 바다 위 그린란드의 빙하는 상대적으로 젊고 먼지가 많습니다. 남극 빙하의 약 10%는 압축된 공기방울로 이루어져 있어, 얼음이 녹을 때 고압의 공기가 톡톡 터져 나오는 독특한 현상을 관찰할 수 있습니다. 이러한 물리적 특성은 빙하가 단순한 얼음 덩어리가 아닌 살아있는 기록임을 보여줍니다. 극지 탐험은 영하 50도에 달하는 극한의 환경과 싸우는 과정입니다. 철저한 계획을 세워도 기상 조건에 따라 현장에서 유연하게 대처해야 하며, 이러한 의외성이 오히려 새로운 발견의 기회가 되기도 합니다. 미래의 과학자를 꿈꾸는 학생들에게는 특정 분야에 매몰되기보다 물리, 화학, 인문학 등 다양한 학문을 융합하는 사고의 폭이 필요합니다. 자신이 즐거워하는 일을 찾아 끊임없이 탐구할 때 비로소 창의적인 영감을 얻을 수 있기 때문입니다.

안진호

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지구환경과학

[카오스 짧강] 세상이 대칭인 이유를 수학으로 설명하면?

바이러스는 생존을 위해 놀라운 속도로 자가 복제를 수행하며 증식합니다. 이러한 과정에서 바이러스의 구조가 대칭성을 띠는 이유는 효율적인 유전 정보 전달과 관련이 깊습니다. 복잡하고 불규칙한 형태를 자가 복제하려면 방대한 유전 정보가 필요하지만, 대칭 구조는 최소한의 유전 정보만으로도 동일한 형태를 무한히 만들어낼 수 있게 합니다. 이는 마치 정삼각형을 그릴 때 변의 길이 하나라는 정보만 있으면 수많은 복제본을 쉽게 만들 수 있는 원리와 같습니다. 결국 바이러스의 대칭성은 생존을 위한 가장 경제적이고 빠른 전략인 셈입니다. 유전 정보의 관점에서 볼 때, 대칭은 규칙성을 의미하며 이는 곧 저장해야 할 유전 정보량의 감소로 이어집니다. 원주율처럼 불규칙한 숫자의 나열을 외우는 것보다 반복되는 숫자를 기억하는 것이 훨씬 쉬운 것처럼, 바이러스 역시 유전 정보를 담는 공간이 한정되어 있습니다. 특히 바이러스는 박테리아보다 훨씬 작기 때문에 유전 정보를 담을 수 있는 용량이 극도로 제한적입니다. 따라서 이들은 구조를 단순화하고 대칭화함으로써 적은 양의 유전 정보만으로도 자신과 똑같은 개체를 신속하게 자가 복제해 나가는 방식을 선택하게 된 것입니다. 바이러스의 기하학적이고 대칭적인 구조를 명확히 파악하는 것은 현대 의학에서 매우 중요한 의미를 갖습니다. 비록 구조를 아는 것과 실제 치료제를 개발하는 것은 별개의 복잡한 문제일 수 있지만, 적의 형태를 정확히 인지하는 것만으로도 대응 전략의 차이는 어마어마해집니다. 바이러스가 가진 대칭성의 원리를 이해하면 그들이 어떻게 세포에 침투하고 자가 복제되는지 예측할 수 있는 단서가 됩니다. 이러한 기초 과학적 이해는 결과적으로 백신이나 치료제 개발의 토대가 되어 인류가 바이러스의 위협에 효과적으로 맞설 수 있게 돕습니다.

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[연구뭐하지?] 해양 환경에서 성공적으로 생존하기? 미생물 입장에서 생각해보기_황청연 교수 | 서울대학교 "미생물해양학 연구실"

해양 생태계에서 미생물은 전체 생물량의 약 3분의 2를 차지할 정도로 압도적인 비중을 차지하고 있습니다. 이들은 눈에 보이지 않을 만큼 작지만, 해양의 먹이망을 유지하고 지구의 물질 순환을 조절하는 핵심적인 역할을 수행합니다. 특히 탄소 순환 과정에 깊이 관여하여 지구 온난화와 기후 변화를 예측하는 데 중요한 지표가 됩니다. 미생물 해양학은 이러한 미생물들의 종 다양성을 이해하고, 이들이 환경과 어떻게 상호작용하며 생태적 기능을 수행하는지 탐구하는 학문입니다. 최근 미생물 해양학 연구는 단순히 존재를 확인하는 수준을 넘어, 새로운 미생물을 분리 배양하고 유전체 분석을 통해 이들의 환경 적응 기작을 밝히는 데 집중하고 있습니다. 특히 동식물 플랑크톤부터 남극의 물범에 이르기까지 다양한 해양 생물과 공생하는 미생물에 대한 연구가 활발히 진행 중입니다. 이러한 공생 미생물들은 숙주 생물의 생존과 건강에 밀접한 영향을 미치며, 이는 곧 해양 생태계 전체의 건강성과 직결됩니다. 미생물이라는 미시적인 세계가 지구라는 거시적인 시스템에 미치는 영향력을 연구하는 것이 이 분야의 큰 매력입니다. 연구의 시작은 생생한 현장에서 이루어집니다. 연구자들은 동해, 서해, 남해는 물론이고 남극과 같은 극한의 환경까지 직접 찾아가 시료를 채집합니다. 연안의 갯벌에서 가슴 장화를 신고 진흙에 빠져가며 퇴적물을 채취하거나, 배를 타고 먼바다로 나가 해수를 길어 올리는 과정은 고되지만 필수적인 작업입니다. 현장에서 즉시 수온과 염분 등 환경 데이터를 측정하고, 미세한 구멍이 뚫린 필터지를 이용해 해수 속의 박테리아와 바이러스를 걸러내는 작업은 정밀한 분석을 위한 기초가 됩니다. 이러한 현장 활동은 실험실 안에서는 결코 얻을 수 없는 귀중한 데이터의 원천이 됩니다. 기술의 발달은 미생물 해양학 연구의 지평을 넓혀주고 있습니다. 과거에는 거대한 장비가 필요했던 유전체 분석이 이제는 휴대용 분석 장비를 통해 현장에서도 가능해졌습니다. 또한 대형 연구선을 이용한 대양 및 극지 탐사에서는 전 세계의 다양한 전문가들이 모여 공동 연구를 수행합니다. 몇 주 동안 선상에서 함께 생활하며 서로의 연구 분야를 공유하고 새로운 주제를 발굴하는 과정은 학문적 성장을 도모하는 소중한 기회가 됩니다. 이러한 협력은 복잡한 해양 생태계를 다각도에서 이해하고, 인류가 직면한 환경 문제에 대한 공동의 해답을 찾는 데 기여합니다. 훌륭한 미생물 해양학자가 되기 위해서는 미생물의 입장에서 세상을 바라보는 풍부한 상상력이 필요합니다. 자원이 제한된 척박한 해양 환경에서 미생물이 살아남기 위해 어떤 생존 전략을 세웠을지 고민하는 과정이 중요하기 때문입니다. 또한 반복되는 실험의 실패에도 좌절하지 않는 끈기와 섬세함, 그리고 지적 호기심을 행동으로 옮기는 실천력이 요구됩니다. 현장과 실험실을 오가며 얻은 직관적인 이해는 연구를 더욱 풍성하게 만들며, 작은 미생물을 통해 지구 전체를 이해하려는 열정은 미래 해양 과학을 이끄는 원동력이 됩니다.

황청연

카오스재단연구뭐하지

생명과학

빵🥐은 어떻게 발효될까? 효모(yeast)를 직접 눈으로👀 관찰하다!!ㅣ별별실험실x국립과천과학관

발효는 미생물이 산소가 없는 환경에서 당류를 분해하여 새로운 물질을 만들어내는 신비로운 생물학적 과정입니다. 이 과정에서 효모는 에탄올과 이산화탄소를 생성하고, 유산균은 젖산을 만들어내며 우리 생활에 유용한 변화를 일으킵니다. 눈에 보이지 않는 작은 생명체들이 생존을 위해 에너지를 얻는 이 화학적 활동은 인류의 식문화와 과학 기술 발전에 지대한 영향을 미쳐왔습니다. 효모가 발효를 진행할 때 가장 눈에 띄는 변화 중 하나는 기체의 발생입니다. 주스에 들어있는 당류는 효모에게 훌륭한 에너지원이 되며, 이를 섭취한 효모는 대사 과정의 부산물로 이산화탄소를 내뿜습니다. 실험을 통해 플라스크 입구에 풍선을 씌워두면, 시간이 흐름에 따라 보이지 않던 기체가 모여 풍선이 부풀어 오르는 것을 확인할 수 있습니다. 이는 미생물의 활동을 시각적으로 증명하는 흥미로운 현상입니다. 우리가 즐겨 먹는 빵의 폭신한 질감 역시 효모의 발효 작용 덕분입니다. 밀가루 반죽에 효모와 설탕을 섞으면 효모가 당류를 분해하며 이산화탄소를 방출하고, 이 기체가 반죽 사이에 갇히면서 스펀지 같은 공기층을 형성합니다. 반죽이 부풀어 오르는 과정에서 특유의 에탄올 향이 나는 것도 발효의 증거입니다. 설탕의 양에 따라 발효의 속도와 정도가 달라지며, 이는 맛있는 빵을 만드는 핵심적인 과학적 원리가 됩니다. 현미경을 통해 관찰한 효모의 세계는 더욱 경이롭습니다. 막걸리와 같은 발효주 속에는 수많은 효모가 존재하지만, 우리 눈에는 보이지 않을 만큼 작습니다. 하지만 400배에서 1,000배까지 확대하면 동글동글한 막을 가진 효모의 형태를 뚜렷하게 볼 수 있습니다. 미세한 생명체들이 액체 속에서 활발하게 존재하며 끊임없이 화학 반응을 일으키는 모습은 자연의 정교함과 생명의 신비를 다시금 깨닫게 해줍니다. 효모는 '출아법'이라는 독특한 방식으로 번식합니다. 모세포의 몸 일부가 혹처럼 튀어나와 자라나다가, 자신과 똑 닮은 모습이 되면 떨어져 나가 새로운 개체가 되는 방식입니다. 현미경상에서 두 마리가 살짝 연결된 듯한 모습은 바로 이 번식 과정을 보여주는 것입니다. 이처럼 작은 미생물들이 만들어내는 발효의 산물들은 우리 삶 곳곳에서 활용되고 있으며, 보이지 않는 곳에서 일어나는 이들의 활동은 여전히 탐구할 가치가 무궁무진합니다.

국립과천과학관별별실험실🥽

화학
생명과학

[강연] 곤충은 왜 해충이 되었을까? _ by신승관 ㅣ 2022 '진화가 필요한 순간' 7강 | 7강

곤충은 지구상에서 가장 번성한 동물군이지만, 인간의 관점에서는 종종 '해충'이라는 부정적인 이름으로 불리곤 합니다. 우리가 곤충을 해충으로 규정하는 기준은 대개 농작물에 피해를 주거나 질병을 매개하는 등 인간의 경제 활동과 보건에 끼치는 영향에 근거합니다. 하지만 진화의 관점에서 보면 이들은 단지 생존을 위해 환경에 적응해 온 생명체일 뿐입니다. 인간과 곤충은 같은 자원을 두고 경쟁하는 관계에 놓여 있으며, 이러한 경쟁은 양측 모두에게 끊임없는 진화적 변화를 요구해 왔습니다. 대표적인 해충인 모기는 인류에게 가장 치명적인 동물 중 하나로 꼽힙니다. 모기는 말라리아나 일본뇌염 같은 질병을 매개하며 인간의 생존을 위협해 왔습니다. 흥미로운 점은 바이러스의 진화 방식입니다. 직접 전파되는 바이러스는 숙주가 죽으면 전파가 중단되기에 독성이 약해지는 경향이 있지만, 모기와 같은 매개자가 있는 경우에는 숙주의 상태와 상관없이 전파될 수 있어 독성이 강하게 유지되기도 합니다. 이처럼 곤충은 미생물과 결합하여 생태계 내에서 강력한 영향력을 행사하며 자신들만의 생존 전략을 구축해 왔습니다. 겉모습이 징그럽다는 이유로 해충으로 오해받는 곤충들도 많습니다. 그리마는 바퀴벌레 알이나 파리를 잡아먹는 포식자로 실질적으로는 인간에게 도움을 주는 익충에 가깝습니다. 최근 대발생하여 주목받은 '러브버그' 역시 낙엽을 분해해 토양을 비옥하게 만드는 숲의 청소부 역할을 수행합니다. 이들은 단지 인간의 생활권에 대량으로 나타나 불편을 준다는 이유로 방제의 대상이 되곤 합니다. 하지만 이들을 무분별하게 살충하는 것은 생태계의 순환 고리를 끊고 천적 관계를 무너뜨리는 결과를 초래할 수 있음을 인지해야 합니다. 인간은 곤충에 맞서기 위해 화학 살충제라는 강력한 무기를 개발했습니다. 20세기 중반 DDT의 등장은 해충 박멸의 혁명처럼 여겨졌으나, 레이첼 카슨의 '침묵의 봄'은 화학 물질이 생태계 전체에 미치는 위험성을 경고했습니다. 더욱이 곤충은 살충제에 대한 저항성을 진화시키며 대응했습니다. 일부 개체가 우연히 가진 저항성 유전자가 생존을 통해 후대에 전달되면서, 웬만한 살충제로는 죽지 않는 '슈퍼 곤충'이 탄생하게 된 것입니다. 이는 인간의 기술 발전과 곤충의 진화가 벌이는 끝없는 군비 경쟁의 단면을 보여줍니다. 식물과 곤충의 관계는 단순한 먹이사슬을 넘어 정교한 공진화의 역사를 담고 있습니다. 식물은 곤충의 공격을 막기 위해 타닌이나 니코틴 같은 화학 독소를 개발했고, 곤충은 이를 극복하거나 오히려 이용하는 방식으로 진화했습니다. 반면 꽃과 화분 매개 곤충은 서로의 생존을 돕는 협력 관계를 구축했습니다. 특정 곤충만이 꿀을 먹을 수 있도록 꽃의 구조가 길어지면, 곤충의 주둥이도 그에 맞춰 길어지는 식입니다. 이러한 상호작용은 생물 다양성을 폭발적으로 증가시키는 핵심 동력이 되었으며 오늘날의 풍요로운 자연을 만들었습니다. 곤충 중에서도 가장 성공한 그룹으로 꼽히는 딱정벌레는 전체 동물의 약 25%를 차지할 정도로 다양성이 높습니다. 이들의 성공 비결 중 하나는 '딱지날개'라는 견고한 몸 구조에 있습니다. 부드러운 속날개를 보호하는 딱딱한 딱지날개 덕분에 딱정벌레는 거친 환경에서도 살아남아 대멸종의 위기를 극복할 수 있었습니다. 특히 속씨식물의 번성 시기와 맞물려 식물을 먹는 딱정벌레 그룹이 폭발적으로 분화했는데, 이는 새로운 먹이 자원을 확보하는 능력이 종의 번영에 얼마나 중요한지를 잘 보여주는 사례입니다. 딱정벌레가 식물을 효과적으로 섭식할 수 있게 된 결정적인 계기는 미생물로부터 유전자를 획득한 '수평 유전자 이동'에 있습니다. 본래 동물은 식물의 섬유질인 셀룰로스를 스스로 분해하기 어렵지만, 딱정벌레는 과거 어느 시점에 미생물의 분해 효소 유전자를 자신의 유전체로 받아들였습니다. 이 '훔친 유전자' 덕분에 딱정벌레는 공생 미생물에만 의존하지 않고도 직접 나무와 잎을 소화할 수 있는 강력한 능력을 갖게 되었습니다. 이러한 유전적 혁신은 딱정벌레가 지구상의 수많은 식물 자원을 점유하며 번성하게 만든 진화적 열쇠였습니다.

신승관

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 좋은 균, 나쁜 균, 이상한 균 _ 류충민 ㅣ 2022 카오스강연 '생명행성' 1강 | 1강

식물은 움직일 수 없다는 치명적인 단점을 안고 수억 년을 생존해 왔습니다. 그 비결은 미생물과의 긴밀한 상호작용에 있습니다. 린 마굴리스가 제안한 '홀로바이옴' 개념은 식물과 미생물을 별개의 존재가 아닌 하나의 연합체로 봅니다. 우리 세포 속 미토콘드리아나 엽록체도 과거에는 독립된 미생물이었으나 공생을 통해 세포의 일부가 되었습니다. 이처럼 식물은 보이지 않는 수많은 세균, 진균과 협력하며 지구 생태계의 당당한 주인공으로 자리 잡았습니다. 미생물은 현미경으로만 볼 수 있을 정도로 작지만, 지구상 어디에나 존재합니다. 섭씨 수백 도의 열수구나 산소가 없는 극한 환경에서도 그들은 삶을 이어갑니다. 흔히 미생물이라고 하면 병을 일으키는 나쁜 존재로만 생각하기 쉽지만, 실제로 병원균은 전체의 0.0001%도 되지 않습니다. 대부분의 미생물은 죽은 유기물을 분해하여 자연으로 돌려보내는 분해자 역할을 수행합니다. 이들이 없다면 지구의 생태 순환은 멈추고 말 것입니다. 인류 역사에서 미생물은 거대한 변화를 이끌어왔습니다. 19세기 아일랜드 대기근은 감자역병균이라는 작은 진균에서 시작되어 수많은 인명 피해와 대규모 이주를 초래했습니다. 이후 인류는 비료와 농약을 개발하며 '녹색 혁명'을 이루어 기아 문제를 해결하려 노력했습니다. 하지만 최근에는 농약에 대한 내성 문제가 대두되면서, 화학적 방제 대신 식물 본연의 면역력을 높이고 미생물 생태계를 활용하는 친환경적인 연구가 더욱 중요해지고 있습니다. 식물의 뿌리 주변인 근권은 미생물들에게는 거대한 먹이 창고와 같습니다. 식물은 광합성 산물의 약 30%를 뿌리를 통해 토양으로 내보내며 미생물을 유인합니다. 미국 워싱턴주의 밀밭 사례를 보면, 특정 병해가 창궐하다가도 시간이 지나면 자연스럽게 억제되는 현상이 나타납니다. 이는 뿌리 주변에 병원균을 억제하는 유익균인 '슈도모나스'가 늘어났기 때문입니다. 식물은 스스로를 보호하기 위해 특정 미생물을 선택하고 그들과 공생하는 지혜를 발휘합니다. 최근 과학자들은 단일 미생물이 아닌 미생물 공동체, 즉 네트워크의 힘에 주목하고 있습니다. 토마토 풋마름병 연구에 따르면, 건강한 식물 곁에는 병원균이 존재하더라도 이를 억제하는 핵심 미생물들이 네트워크를 형성하고 있었습니다. 마치 연예인들의 인맥 지도처럼 미생물 사이에도 중심 역할을 하는 '허브 균주'들이 존재합니다. 여러 유익균을 적절히 조합했을 때 단일 균주보다 훨씬 강력한 방어 효과를 나타낸다는 사실은 생태계의 다양성이 얼마나 중요한지 시사합니다. 병원균 또한 식물을 공격하기 위해 정교한 전략을 구사합니다. 세균은 식물의 호흡 통로인 기공을 강제로 열기 위해 특수한 물질을 분비하며, 세포벽을 뚫고 폭탄과 같은 단백질을 주입하는 '분자 주사기'를 사용합니다. 특히 이들은 '정족수 인식'이라는 소통 방식을 통해 동료의 수가 충분히 모일 때까지 숨어 있다가, 일제히 독소를 뿜어내어 식물의 면역 체계를 무너뜨립니다. 식물과 미생물은 수억 년 동안 이처럼 치열한 창과 방패의 전쟁을 이어오고 있습니다. 식물은 위급 상황에서 일종의 SNS와 같은 신호 체계를 가동합니다. 온실가루이 같은 해충이 잎을 공격하면, 식물은 체관을 통해 뿌리로 위험 신호를 보냅니다. 이 신호를 받은 뿌리는 평소보다 더 크게 자라나며 유익균인 슈도모나스를 대거 불러모읍니다. 놀랍게도 이렇게 모인 유익균은 식물의 면역력을 높일 뿐만 아니라 해충을 직접 공격하기도 합니다. 움직일 수 없는 식물이지만, 보이지 않는 미생물 군대를 동원하여 자신을 지키는 고도의 생존 전략을 펼치는 셈입니다.

류충민

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[인터뷰] 류충민_홀로바이옴? 미생물과 생물을 하나로 보는 관점 | 2022 카오스강연 '생명행성(Life planet)'

코로나19 팬데믹 상황에서 영장류 모델을 활용한 백신과 치료제 개발은 인류의 생존을 결정짓는 중요한 과제였습니다. 연구를 통해 개발된 항체 치료제와 백신은 실제 임상에서 큰 성과를 거두며 많은 생명을 구하는 데 기여했습니다. 바이러스는 생존을 위해 치명률과 전파력 사이에서 끊임없이 변이를 선택하는데, 최근의 흐름은 전파력은 높이되 치명률은 낮추는 방향으로 진화하고 있습니다. 이는 바이러스가 인간 사회에 적응해가는 과정으로 볼 수 있으며, 과학적 대응을 통해 충분히 관리 가능한 수준으로 나아가고 있음을 시사합니다. 미생물은 육안으로는 보이지 않지만 현미경을 통해 들여다본 세상 속에서 독자적인 생태계를 구축하며 살아가는 작은 생명체들입니다. 흔히 미생물을 병을 일으키는 존재로만 인식하기 쉽지만, 사실 대다수는 자연 상태에서 스스로 생존하며 지구 생태계의 균형을 유지합니다. 특히 이들은 특정 물질을 분비하여 주변 동료의 숫자를 파악하고, 일정 수치에 도달했을 때 비로소 특정한 행동을 개시하는 정족수 인식 기능을 갖추고 있습니다. 이러한 미생물의 소통 방식은 오징어와의 공생 관계처럼 자연계의 신비로운 상호작용을 만들어내는 핵심 동력이 됩니다. 환경 오염의 주범인 플라스틱 폐기물 문제 해결의 실마리를 의외의 장소인 곤충 연구에서 찾기도 합니다. 꿀벌부채명나방 애벌레가 스티로폼 박스를 뚫고 탈출하는 현상을 관찰한 결과, 이들이 플라스틱을 먹고 소화하여 전혀 다른 물질로 분해한다는 사실이 밝혀졌습니다. 장내 미생물과 효소를 활용한 이 발견은 향후 플라스틱을 대량으로 분해할 수 있는 혁신적인 기술로 이어질 가능성이 큽니다. 난민 수용소와 같이 폐기물 처리가 어려운 환경에서도 간편하게 활용될 수 있는 분해 시설을 구축하는 것은 현대 과학이 지향해야 할 중요한 사회적 가치 중 하나입니다. 최근 과학계에서는 생명체와 미생물을 별개의 존재로 보지 않고 하나의 통합된 시스템으로 파악하는 '홀로바이옴' 개념이 주목받고 있습니다. 과거에는 분석적 접근을 위해 미생물과 숙주를 분리하여 연구했으나, 이제는 이들이 태초부터 긴밀하게 연결된 하나의 생태계라는 관점으로 변화하고 있습니다. 인간이나 식물을 미생물과 분리된 개체가 아닌, 서로 끊임없이 상호작용하며 공존하는 하나의 생명 공동체로 인식하는 것입니다. 이러한 관점의 전환은 질병의 치료나 생명 현상의 이해에 있어 기존과는 전혀 다른 새로운 지평을 열어주고 있습니다. 지구 생명의 역사는 미생물, 특히 세균의 등장과 함께 시작되었습니다. 초기 지구에 산소를 공급하여 동식물이 살 수 있는 환경을 조성한 주역이 바로 미생물입니다. 광활한 우주의 시간 속에서 인간이 살아가는 백 년이라는 시간은 찰나에 불과하지만, 우리는 그 짧은 시간 속에서 생명의 근원을 탐구하며 존재의 의미를 찾아갑니다. 미생물이 지구 생태계의 밑거름이 되었듯, 과학적 탐구는 인문학적 성찰과 결합하여 우리가 누구인지, 그리고 어떤 미래를 만들어가야 하는지에 대한 답을 제시합니다. 거대한 우주적 시각에서 생명을 바라보는 태도가 필요한 시점입니다.

류충민

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[인터뷰] 강호정_땅속 미생물이 인간이 배출하는 CO2의 5배 이상 배출한다? | 2022 봄 카오스강연 '식물행성(plant planet)'

흙 속 미생물과 기후 변화를 연구하는 생태학의 세계에서 가장 주목받는 식물 중 하나는 '스파그넘'이라 불리는 물이끼입니다. 이 식물은 화려한 꽃도 없고 성장 속도도 매우 느리지만, 죽은 뒤에도 잘 썩지 않고 땅속에 층층이 쌓이는 독특한 성질을 지니고 있습니다. 주로 춥고 축축한 북미나 시베리아 지역에 분포하며, 광합성을 통해 흡수한 탄소를 장기간 저장하는 중요한 역할을 수행합니다. 기후 변화 대응의 핵심인 탄소 저장고로서 물이끼의 가치는 매우 높습니다. 지표면의 극히 일부만을 차지하는 습지는 지구 생태계의 거대한 스펀지와 같습니다. 비가 많이 올 때는 물을 머금어 홍수를 예방하고, 가뭄 시에는 저장했던 물을 조금씩 내보내 피해를 줄이는 조절 능력을 발휘합니다. 또한 수많은 동식물이 서식하는 생물 다양성의 보고이자, 전 지구적인 탄소 저장고로서 인류 문명사적으로도 막대한 가치를 지닙니다. 철새들이 긴 여정 중에 쉬어가는 기착지 역할까지 수행하며 지구의 생명력을 유지하는 데 기여하고 있습니다. 기후 변화로 인한 온도 상승은 땅속 미생물의 호흡을 가쁘게 만들어 탄소 분해를 가속화합니다. 이는 대기 중으로 더 많은 이산화탄소를 배출하는 결과를 초래하며, 강수량 변화에 따른 미생물 구성의 변화는 환경에 또 다른 연쇄 반응을 일으킵니다. 특히 미생물이 매년 내뿜는 이산화탄소의 양은 인류가 화석 연료를 태워 발생하는 양의 5배가 넘습니다. 메탄이나 아산화질소 같은 강력한 온실기체 발생에도 핵심적인 역할을 하기에 미생물 연구는 기후 위기 해결의 열쇠가 됩니다. 생태학은 실험실 안의 분석을 넘어 자연 그 자체를 연구 대상으로 삼는 학문입니다. 연구자들은 야외 조사지에서 장기간 생태계의 변화를 관찰하고, 때로는 인위적으로 온도를 높이거나 이산화탄소를 살포하여 미래 환경을 모사하는 조작 실험을 수행합니다. 현장 조사와 실험실 분석, 그리고 방대한 데이터를 처리하기 위한 통계학적 방법론이 결합된 융합적인 성격을 띱니다. 이러한 다각적인 접근을 통해 우리는 기후 변화가 생태계 전반에 미치는 영향을 보다 정밀하게 예측할 수 있습니다. 우리가 눈으로 보는 식물의 모습은 빙산의 일각에 불과하며, 땅속에는 그만큼 거대한 뿌리 시스템이 존재합니다. 뿌리는 단순히 식물을 지지하고 영양분을 흡수하는 것을 넘어, 주변 미생물 및 다른 식물들과 복잡한 네트워크를 형성합니다. 최근 연구에 따르면 나무들은 균류를 매개로 화학적 정보를 주고받으며 서로 소통하고 자원을 공유합니다. 겉으로 보이는 초록빛 잎사귀만큼이나 보이지 않는 땅속에서 일어나는 역동적인 상호작용에 주목할 때 식물의 진면목을 이해할 수 있습니다.

강호정

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[질문과 토론의 과학 #4] 👾🦠최초의 생명체 루카(LUCA)는 어떤 모습일까?

지구상의 모든 생명체는 거대한 시간의 흐름 속에서 하나의 뿌리를 공유하는 가족 공동체입니다. 인류의 조상인 루시를 넘어 영장류와 포유류의 기원을 거슬러 올라가면, 결국 모든 생명의 마지막 공통 조상인 '루카(LUCA)'를 만나게 됩니다. 루카는 'Last Universal Common Ancestor'의 약자로, 현재 지구에 존재하는 세균부터 인간에 이르기까지 모든 생물학적 계통이 갈라져 나오기 전의 공통 기원을 의미합니다. 이러한 관점은 생명의 다양성 이면에 존재하는 근본적인 통일성을 상기시켜 줍니다. 생명의 기원에 대해서는 다양한 가설이 존재합니다. 찰스 다윈은 화산 근처의 따뜻한 작은 연못에서 생명이 시작되었을 것이라고 추측했으나, 현대 과학에서는 심해 열수구 가설이 더욱 주목받고 있습니다. 열수구의 독특한 화학적 환경이 원시 세포 형성에 유리했기 때문입니다. 흥미로운 점은 루카 이전에 여러 형태의 조상이 동시다발적으로 탄생했을 가능성을 시사하는 '푸카(FUCA)' 가설입니다. 수많은 시도 끝에 단 하나의 계통만이 살아남아 오늘날 우리가 아는 루카가 되었을지도 모른다는 점은 생명 탄생의 신비로움을 더해줍니다. 최초의 생명체인 루카는 오늘날의 생물과는 사뭇 다른 극한의 환경에서 생존했을 것으로 추정됩니다. 당시 지구에는 산소가 없었기에 루카는 산소를 싫어하는 혐기성 생물이었을 것이며, 60도에서 100도에 이르는 뜨거운 열수구 근처에서 살아가는 호열성 생물이었을 가능성이 큽니다. 또한 태양 빛이 없는 심해에서 수소나 황 같은 무기 물질을 유기물로 전환하여 에너지를 얻는 자가 영양 방식을 취했을 것입니다. 이는 생명이 빛이 없는 어둠 속에서도 화학적 에너지만으로 충분히 번성할 수 있었음을 보여주는 증거입니다. 생명 진화의 역사에서 가장 결정적인 사건 중 하나는 서로 다른 두 미생물의 만남인 '세포 내 공생'입니다. 고세균과 세균이 결합하여 미토콘드리아를 가진 복잡한 진핵세포로 진화한 이 사건은 생물학적 대도약을 가능케 했습니다. 다윈주의적 관점에서는 점진적인 변이를 강조하지만, 세포 내 공생설은 두 생명체의 연합이라는 획기적인 변화를 통해 다세포 생물로 나아가는 발판을 마련했다고 설명합니다. 이러한 우연 혹은 필연의 만남이 없었다면 오늘날과 같은 복잡한 지적 생명체의 등장은 불가능했을지도 모릅니다. 만약 화성에 루카와 같은 미생물을 보낸다면 인간과 같은 고등 생명체로 진화할 수 있을까요? 이는 진화의 방향성과 환경적 제약을 동시에 고려해야 하는 문제입니다. 세균은 물리적인 구조상 에너지를 얻는 세포막의 면적 한계로 인해 무한정 커질 수 없으며, 진핵세포로의 도약 없이는 복잡한 구조를 갖추기 어렵습니다. 따라서 화성의 환경이 초기 지구와 유사하더라도, 세포 내 공생과 같은 역사적 사건이 재현되지 않는다면 그곳은 미생물만의 천국으로 남을 가능성이 큽니다. 생명은 환경에 적응하며 끊임없이 답을 찾아가는 존재이기 때문입니다.

카오스재단질토과 + 짧강

[카오스 짧강] 고세균 이름이 '토르' '로키' '오딘' '헤임달' 이라고? _ by 조장천 ｜2019 봄 카오스강연 '기원, 궁극의 질문들' 6강

미생물은 지구 생태계에서 압도적인 생물량을 차지하고 있습니다. 인류 전체의 몸무게를 합친 것보다 10배나 더 무거운 미생물들이 우리 주변에 존재하지만, 우리는 그들 중 극히 일부만을 배양하여 관찰할 수 있을 뿐입니다. 대부분의 미생물은 실험실에서 자라지 않아 그 실체를 파악하기 어렵지만, 과학자들은 이 보이지 않는 존재들 속에 생명 진화의 거대한 비밀이 숨겨져 있다고 믿고 연구를 지속해 왔습니다. 미생물은 단순한 유기체 이상의 의미를 지니며, 지구 생명의 역사를 기록한 살아있는 화석과도 같습니다. 1970년대 후반, 칼 워즈 교수는 리보솜 RNA 서열 분석을 통해 생명의 계보를 새롭게 정의했습니다. 그는 모든 생물을 세균, 고균, 그리고 진핵생물이라는 세 가지 영역으로 나누었으며, 외형은 세균과 닮았으나 분자적으로는 진핵생물과 유사한 고균의 독특한 특성을 밝혀냈습니다. 이러한 발견은 생명 진화의 흐름을 이해하는 데 획기적인 전환점이 되었으며, 진핵생물이 세균과 고균의 연합으로 탄생한 키메라와 같은 존재임을 시사하는 중요한 단서가 되었습니다. 진핵세포의 탄생 과정에서 가장 핵심적인 사건은 미토콘드리아의 획득입니다. 과거에는 미토콘드리아가 없는 원시 진핵세포가 존재할 것이라 예상했으나, 연구 결과 모든 진핵생물은 과거에 미토콘드리아를 가졌던 흔적을 보유하고 있음이 드러났습니다. 수소 가설에 따르면 수소를 생산하는 세균과 이를 이용하는 고균의 대사적 연합이 운명적인 만남을 이루었고, 이것이 오늘날 복잡한 생명체로 진화하는 결정적인 계기가 되었습니다. 이 과정은 생명체가 단순한 구조에서 벗어나 고도의 복잡성을 갖추게 된 역사적 사건입니다. 최근 분자생물학의 발전은 진핵생물의 기원에 대해 더욱 놀라운 사실을 알려줍니다. 심해 퇴적토에서 발견된 '로키 고균'을 비롯한 아스가르드 고균 그룹은 진핵생물과 유전적 특징을 상당 부분 공유하고 있습니다. 이는 진핵생물이 독립적인 영역이 아니라 고균의 한 갈래에서 파생되었을 가능성을 강력하게 뒷받침합니다. 북유럽 신화의 이름을 딴 이 고균들은 진핵생물의 조상과 가장 가까운 친척으로서, 우리가 어디에서 왔는지를 설명해 주는 중요한 열쇠가 되고 있습니다. 이들은 생명의 나무에서 진핵생물의 위치를 새롭게 정의하고 있습니다. 미생물학자들은 이제 유전자 분석을 넘어 이들의 실제 모습을 관찰하고 배양하기 위한 도전을 계속하고 있습니다. 로키 고균의 다양한 형태 변화나 헤임달 고균의 구조적 특징은 진핵세포의 초기 진화 과정을 이해하는 데 귀중한 정보를 제공합니다. 식세포 작용의 기원이나 공통 조상의 대사 방식 등 여전히 풀리지 않은 질문들이 많지만, 미생물에 대한 끊임없는 탐구는 결국 생명의 근원에 대한 답을 찾아가는 여정이 될 것입니다. 자연계의 미생물들이 보여주는 공생의 지혜는 우리에게 생명의 경이로움을 다시금 일깨워 줍니다.

카오스재단질토과 + 짧강

[2022 특별한 과학강연1] 흙 한 자밤의 우주 _이정모 관장

'자밤'이라는 예쁜 우리말이 있습니다. 엄지와 검지, 중지 세 손가락 끝으로 집을 수 있는 정도의 분량을 뜻하는데요. 이 작은 흙 한 자밤 속에는 우리가 상상하는 것보다 훨씬 거대한 우주가 담겨 있습니다. 토양학에서는 흙 속의 빈 공간인 '공극'을 매우 중요하게 여깁니다. 이 공극 속에 생명 유지에 필수적인 물과 공기가 가득 머물기 때문입니다. 흙은 단순히 발에 밟히는 딱딱한 지표면이 아니라, 수많은 생명체가 숨 쉬고 활동할 수 있도록 정교하게 설계된 삶의 터전이자 생명을 품는 거대한 그릇과 같습니다. 흙 속에는 지렁이부터 눈에 보이지 않는 미생물까지 경이로운 생태계가 펼쳐져 있습니다. 찰스 다윈은 무려 40년 동안 지렁이를 연구하며 이들이 지구 역사에서 얼마나 중요한 역할을 하는지 증명해냈습니다. 또한, 흙 속의 곰팡이 균사들은 마치 거대한 생물학적 네트워크처럼 식물의 뿌리들을 연결하여 정보를 주고받습니다. 흙 한 자밤에는 지구 인구보다 많은 약 10억 마리의 생명체가 살고 있으며, 이들의 공생과 연결은 수억 년 전부터 이어져 온 지구상에서 가장 오래된 생물학적 네트워크라 할 수 있습니다. 지구는 태양계의 암석형 행성 중에서도 물을 머금은 대지를 가진 특별한 곳입니다. 생명이 살기 위해서는 물이 필수적이지만, 그 물을 담아낼 흙이라는 그릇이 없다면 생태계는 유지될 수 없습니다. 탄소 역시 생명의 근간을 이루는 원소로, 우리 몸의 단백질과 DNA를 구성하는 핵심 요소입니다. 하지만 산업혁명 이후 화석 연료의 과도한 사용으로 대기 중 이산화탄소 농도가 급격히 높아졌고, 이는 기후 위기라는 거대한 과제를 우리에게 던져주었습니다. 탄소 자체는 죄가 없으나 그 균형이 깨진 것이 문제입니다. 기후 위기에 대응하기 위해 우리는 태양광이나 풍력 같은 재생 에너지로의 전환과 제로 에너지 빌딩 도입 등 다양한 기술적 노력을 기울이고 있습니다. 그런데 많은 이들이 간과하는 강력한 해결책이 바로 우리 발밑의 흙에 있습니다. 토양은 대기보다 훨씬 더 많은 양의 탄소를 저장할 수 있는 거대한 저장소입니다. 과학자들은 흙을 기후 변화에 대항할 '비밀 병기'라고 부르기도 합니다. 흙을 건강하게 살리는 것만으로도 대기 중의 탄소를 효과적으로 가두고 지구 온난화의 속도를 늦추는 데 큰 기여를 할 수 있습니다. 헨리 데이비드 소로는 천국이 우리 머리 위뿐만 아니라 발아래에도 있다고 말했습니다. 우리가 발밑의 토양을 어떻게 관리하느냐에 따라 그곳은 생명의 천국이 될 수도, 탄소가 뿜어져 나오는 지옥이 될 수도 있습니다. 육류 소비를 줄여 목초지를 숲으로 되돌리고, 토양을 황폐화하지 않는 지속 가능한 농법을 고민해야 합니다. 물과 공기처럼 흙 또한 결코 공짜로 주어지는 무한한 자원이 아님을 깨달아야 합니다. 흙의 가치를 재발견하고 가꾸는 일이야말로 인류가 지구에서 지속적으로 생존할 수 있는 유일한 길입니다.

국립과천과학관과학강연👨‍🏫

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[인터뷰] 노정혜_과학이 문화에 스며드는 사회의 품격

노정혜 교수는 한국연구재단 이사장직을 마치고 다시 연구 현장으로 돌아오며 큰 홀가분함과 행복을 느낀다고 전합니다. 재임 기간 동안 약 3만 개에 달하는 연구 과제를 관리하며 연구자들이 공정하고 전문적인 평가를 받을 수 있는 신뢰의 토대를 마련하고자 노력했습니다. 특히 연구자들이 창의적이고 자유롭게 연구할 수 있는 환경을 조성하기 위해 개인 연구 지원 비중을 높이고, 전체 연구 생태계의 건강성을 유지하는 데 주력했습니다. 이러한 노력은 단순히 성과를 내는 것을 넘어, 연구자들이 지속 가능한 연구를 이어갈 수 있는 든든한 기반이 되었습니다. 연구 과제 선정에서 가장 중요한 요소는 독창적인 연구 주제를 명확하게 표현하는 능력입니다. 선정률이 높지 않은 현실에서 연구자는 남들이 시도하지 않은 독창적인 연구 주제를 발굴해야 합니다. 아이디어가 애매하거나 이미 존재하는 것이라면 좋은 평가를 받기 어렵습니다. 따라서 연구자는 자신의 연구 목적과 가치를 논리적으로 설명할 수 있어야 하며, 이는 연구의 성패를 가르는 핵심적인 단계가 됩니다. 기술적인 실험 능력만큼이나 과학적 글쓰기 역량이 강조되는 이유입니다. 한국 과학은 지난 수십 년간의 축적을 통해 이제 본격적으로 열매를 맺는 단계에 진입했습니다. 과거에는 선진국의 연구 주제를 따라가는 경향이 있었으나, 이제는 세계 수준을 선도하기 위해 독창적인 연구 주제를 발굴하는 것이 필수적입니다. 또한 연구 결과를 논문으로 발표하는 데 그치지 않고, 국제 학계와 적극적으로 소통하며 교류하는 자세가 필요합니다. 국제 학술대회 참여나 해외 연구실과의 협력을 통해 한국 과학의 위상을 높이고, 우리만의 독특한 연구 성과를 세계 무대에 널리 알리는 노력이 한국 과학의 미래를 결정지을 것입니다. 카오스재단은 지난 10년 동안 훌륭한 과학자들을 대중 앞에 세워 과학 지식을 쉽게 전달하며 과학의 대중화에 앞장서 왔습니다. 율곡 이이의 '10만 양병설'처럼 과학을 깊이 이해하는 대중 10만 명을 양성하겠다는 목표는 이미 온라인 채널 구독자 20만 명을 돌파하며 가시적인 성과를 거두었습니다. 이제는 국내를 넘어 콘텐츠의 국제화를 도모해야 할 시점입니다. 영어 자막 제작이나 콘텐츠 가공을 통해 외국 유학생과 국제 커뮤니티에도 한국의 우수한 과학 콘텐츠를 제공한다면, 온라인 교육의 활성화와 맞물려 더 큰 파급력을 발휘할 수 있을 것입니다. 과학이 문화의 일부로 스며드는 것은 사회의 품격을 높이고 인간의 삶을 정확하게 이해하는 데 필수적입니다. 팬데믹이나 기후 변화와 같은 현대 사회의 복잡한 문제들을 객관적으로 바라보기 위해서는 기초 과학 지식이 탄탄한 기반이 되어야 합니다. 비록 짧고 감각적인 정보가 넘쳐나는 시대이지만, 깊이 있는 과학 콘텐츠를 지속적으로 생산하고 공유하는 활동은 우리 사회가 당당하고 풍요로운 미래로 나아가는 데 중요한 밑거름이 될 것입니다. 현상의 근본 원리를 이해할 때 우리는 비로소 세상을 더 넓고 깊게 바라볼 수 있는 안목을 갖게 됩니다.

노정혜

카오스재단석학인터뷰

생명과학
융합

[연구뭐하지] 강호정 교수_연세대학교 '생태공학연구실' | 미생물과 기후변화의 관계..?! 다양한 사람들이 다양한 미생물을 연구하는 곳

연세대학교 생태공학연구실은 기후 변화로 인해 급격히 변화하는 전 지구적 생태계를 연구하며, 이러한 변화가 생태계에 어떤 생물학적 피드백을 주는지 탐구하는 것을 핵심 목표로 삼고 있습니다. 연구원들은 각자 숲, 습지, 북극, 도시 생태계 등 서로 다른 환경을 대상으로 연구를 수행하며, 개별적인 연구 결과들을 하나로 합쳐 전 지구적 탄소 순환이 어떻게 변화하고 있는지 파악합니다. 기후 위기의 시대에 탄소의 흐름을 정확히 이해하는 것은 환경 변화에 대응할 수 있는 과학적 근거를 마련하는 매우 중요한 과정이라고 할 수 있습니다. 연구실의 주요 관심사 중 하나는 이산화탄소보다 강력한 온실효과를 일으키는 메탄입니다. 산림 토양이 메탄을 흡수하는 능력을 실측하고 추정하는 연구를 통해 전 지구적 산림의 역할을 규명하는 데 집중하고 있습니다. 또한, 갯벌에 침입 식물이 유입되었을 때 발생하는 메탄의 양을 측정하거나, 도시 공원의 미생물 분포가 지역별로 어떻게 다른지 분석하는 등 우리 주변의 다양한 생태계를 면밀히 조사합니다. 이러한 현장 중심의 연구는 기후 변화의 메커니즘을 구체적으로 이해하고 미래의 환경 변화를 예측하는 데 필수적인 데이터를 제공합니다. 지구상에는 우주의 별보다 많은 수의 미생물이 존재하며, 이들은 이산화탄소와 메탄 같은 온실가스를 생성하거나 제거하는 결정적인 역할을 수행합니다. 연구실은 북극의 영구동토층이 녹을 때 발생하는 기체의 변화를 예측하기 위해 알래스카와 노르웨이 등지에서 직접 샘플을 채취하고 실험을 수행합니다. 또한 '블루 카본'의 거대한 저장소인 맹그로브 숲과 습지의 탄소 저장 안정성을 연구하며, 미생물의 활성을 조절하여 기후 변화를 억제할 수 있는 해답을 찾고 있습니다. 이는 인류의 생존과 직결된 생태학적 과제를 해결하는 과정입니다. 이곳은 '다양성을 엮는 곳'이라는 철학 아래, 환경공학뿐만 아니라 생물학, 화학, 사회학 등 다양한 학문적 배경을 가진 인재들이 모여 협력하고 있습니다. 지금까지 13개국 출신의 연구자들이 거쳐 갔을 정도로 국제적이고 개방적인 연구 환경을 자랑하며, 구성원들의 다양한 경험은 연구의 깊이를 더해줍니다. 연구실 문화 또한 매우 민주적이고 평등하여, 교수와 학생이 격의 없이 소통하며 자유롭게 의견을 나눌 수 있는 분위기가 형성되어 있습니다. 이러한 인적 다양성은 복잡한 생태계 문제를 다각도에서 바라보고 창의적인 해결책을 도출하는 강력한 원동력이 됩니다. 기후 변화와 지구 환경에 깊은 호기심을 가진 많은 학생이 현실적인 불안감으로 인해 꿈을 주저하곤 합니다. 하지만 대학원은 자신의 잠재력을 극대화하고 본래 가졌던 학문적 열정을 실현할 수 있는 소중한 기회의 장입니다. 자신이 즐거움을 느끼고 남다른 강점이 있는 분야를 찾아 끈기 있게 도전한다면, 복잡한 지구 환경 문제를 해결하는 전문가로 성장할 수 있을 것입니다. 생태공학연구실은 앞으로도 전 지구적 생태계의 미생물 반응을 이해하고 기후 변화의 부정적 영향을 줄이기 위한 연구를 지속하며, 미래를 이끌어갈 연구자들과 함께 성장해 나갈 것입니다.

강호정

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생명과학

[강연] 외계생명체의 가능성, 극한생명체 ㅣ 2021 봄 카오스강연 'SPACE OPERA' 9강 미니강연 2 | 9강 ②

극지연구소는 남극과 북극에서 지구 환경 변화를 연구하는 전문 기관으로, 세종과학기지와 쇄빙연구선 아라온을 운영하며 해양학, 대기과학, 생물학 등 다양한 분야를 탐구합니다. 많은 이들이 화성에 외계 생명체가 존재할지 궁금해하지만, 과학적 관점에서 화성은 생명체가 살기에 매우 가혹한 환경입니다. 화성은 지구보다 태양에서 멀어 기온이 영하 20도에서 80도를 오르내리며, 극지방은 영하 140도까지 내려가는 거대한 얼음 행성입니다. 또한 대기가 희박해 산소 농도가 0.1%에 불과하며, 자기장이 없어 태양풍이 공기와 물을 앗아간 척박한 땅입니다. 화성의 얇은 대기권은 우주 자외선과 태양풍, 우주 방사선 등 강력한 이온 입자들을 여과 없이 지표면으로 통과시킵니다. 이러한 고에너지 입자들은 생명체의 설계도인 DNA를 직접 파괴하거나 치명적인 돌연변이를 유발합니다. DNA는 본래 수소 결합을 통해 유연하게 복제되고 단백질을 만들어내야 하지만, 강력한 자외선은 이 결합을 비정상적인 공유 결합으로 바꾸어 생명 활동을 방해합니다. 이처럼 극심한 추위와 산소 부족, 그리고 끊임없이 쏟아지는 우주 방사선은 화성에서 생명체가 진화하고 번성하는 데 있어 거대한 장벽으로 작용하고 있습니다. 하지만 지구의 극지방을 살펴보면 화성 생명체에 대한 새로운 희망을 발견할 수 있습니다. 과거 과학자들은 영하 80도까지 내려가는 남극의 혹독한 환경에는 생물이 살 수 없다고 믿었지만, 실제로는 얼음 속에서도 수많은 박테리아가 발견되었습니다. 그린란드의 곤충들은 털도 없이 영하 40도의 추위를 견디며, 어떤 애벌레는 땅속에서 14년을 버틴 끝에 성체가 되기도 합니다. 또한 영하 24도에서 광합성을 하는 지의류나 암석 속에서 수백 종의 미생물과 함께 살아가는 곰팡이들은 생명력이 우리가 상상하는 것보다 훨씬 강인하다는 사실을 증명합니다. 극한 환경에 적응한 생명체들은 산소가 희박하거나 염도가 높은 곳에서도 저마다의 생존 전략을 펼칩니다. 지하 2.7km의 고온 고압 환경에서 발견된 미생물이나 산소가 없는 혐기성 조건에서 포자를 만들어 버티는 박테리아들이 그 예입니다. 또한 '데이노코쿠스'라는 박테리아는 여러 벌의 염색체를 보유해 손상된 DNA를 즉각 복구하며 강한 우주 방사선을 견뎌냅니다. 바닷물보다 10배나 짠 호수에서 항산화 물질을 만들어내며 붉게 빛나는 녹조류처럼, 지구상의 극한 생물들은 화성의 열악한 조건에서도 생존할 수 있는 가능성을 충분히 보여주고 있습니다. 화성 생존의 가장 강력한 후보로는 완보동물을 꼽을 수 있습니다. 이들은 심해저부터 히말라야, 남극에 이르기까지 지구 전역에 서식하며 우주 공간에서도 살아남은 기록이 있습니다. 완보동물은 환경이 나빠지면 체내 수분을 내보내고 생명 활동을 멈추는 '튠(Tun)' 상태에 들어가는데, 이 상태에서는 영하 20도에서 30년 이상 생존하거나 강력한 우주 방사선과 압력도 견뎌낼 수 있습니다. 특수한 단백질로 DNA를 보호하는 이들의 능력은 우주 생물학 연구의 핵심이며, 극지연구소는 이러한 극한 생명체를 통해 화성 탐사의 해답을 찾아가고 있습니다.

이유경

카오스재단카오스강연

천문학

[인터뷰] 이유경_ 외계생명체를 극지생명체로 추측하는 이유 | 2021 봄 카오스강연 'SPACE OPERA'

북극은 흔히 얼음으로 뒤덮인 황량한 곳으로 생각하기 쉽지만, 사실은 무궁무진한 기회가 잠재된 광활한 땅입니다. 현재 북극 전체 거주 인구는 약 400만 명에 불과하지만, 매장된 자원은 매우 풍부하여 젊은이들이 자신의 인생을 걸고 도전해 볼 만한 가치가 충분합니다. 과학적 탐구뿐만 아니라 경제적, 사회적 측면에서도 북극은 새로운 개척지로서의 면모를 갖추고 있습니다. 미지의 세계를 향한 열망을 가진 이들에게 북극은 새로운 가능성을 제시하는 거대한 장소입니다. 기후변화로 인해 북극의 빙하가 녹으면서 과거에 보지 못했던 새로운 땅이 드러나고 있습니다. 연구에 따르면 지난 120년 동안 특정 지역의 빙하가 약 2km나 후퇴했을 정도로 변화의 속도가 빠릅니다. 이렇게 새롭게 드러난 토양에 미생물과 식물들이 어떻게 정착하고 생태계를 형성하는지를 관찰하는 것은 현대 과학의 중요한 과제입니다. 북극은 단순히 얼음만 있는 것이 아니라 습지, 사막, 초원 등 매우 다양한 지형을 포함하고 있어 생태학적으로도 매우 역동적인 공간이라 할 수 있습니다. 북극의 생태계는 생각보다 훨씬 풍성하고 다양합니다. 나무가 자라지 않는다는 특징이 있지만, 약 2,000여 종의 식물이 서식하며 수백만 마리의 순록이 떼를 지어 살아갑니다. 또한, 여름철에는 엄청난 수의 모기가 발견되기도 하는 등 생명력이 넘치는 곳입니다. 이러한 북극은 일반적인 항공편을 통해 알래스카나 캐나다, 노르웨이 등으로 비교적 편리하게 접근할 수 있습니다. 생태학자들은 단순히 위도뿐만 아니라 여름철 평균 기온과 수목한계선을 기준으로 북극의 경계를 정의하며 그 독특함을 연구합니다. 극지 연구의 가치는 지구를 넘어 우주로까지 확장됩니다. 남극과 북극의 혹독한 환경은 화성과 가장 유사한 조건을 갖추고 있어, 외계 생명체의 흔적인 '바이오시그니처'를 찾는 연구의 최적지입니다. 과학자들은 극지의 암석이나 토양에서 생명체의 흔적을 분석하는 기술을 개발하여, 향후 화성이나 목성의 위성에서 가져올 시료에 적용하고자 합니다. 산소 유무를 제외하면 화성과 매우 흡사한 환경을 지닌 극지는 인류가 우주로 나아가기 위한 전초 기지이자 거대한 실험실과 같은 역할을 수행하고 있습니다. 꽁꽁 얼어붙은 동토 속에서도 생명은 강인하게 살아 숨 쉽니다. 1g의 토양 속에 무려 1,000만 마리에 달하는 미생물이 존재한다는 사실은 화성과 같은 외계 행성에도 생명체가 존재할 수 있다는 강력한 희망을 줍니다. 우주생물학은 생물학뿐만 아니라 천문학, 지질학, 공학 등 다양한 분야의 협력이 필요한 융합 학문입니다. 과학에 대한 순수한 호기심을 가진 이들이라면 누구나 이 거대한 여정에 동참할 수 있습니다. 북극에서의 연구는 결국 인류의 기원과 우주 생명의 신비를 푸는 열쇠가 될 것입니다.

이유경

카오스재단2021 카오스강연 'SPACE OPERA'

천문학

[술술과학] 건강과학(5) | 우리 몸의 면역계 대강 정리! (백혈구의 정체)

우리 몸은 30조 개가 넘는 세포로 이루어진 거대한 국가와 같습니다. 이 거대한 사회를 유지하기 위해 가장 중요한 과제는 바로 자기와 비자기를 구별하는 것입니다. 면역의 본질은 자기(Self)와 비자기(Non-self)의 투쟁이며, 우리 몸은 태어날 때부터 자국민인 세포와 외부 침입자를 구분하는 법을 배웁니다. 이러한 정교한 식별 시스템 덕분에 면역 세포는 우리 몸을 스스로 공격하지 않고 외부 물질에만 반응하며 건강을 지켜낼 수 있습니다. 신체는 외부 물질을 차단하기 위해 강력한 1차 방어선인 피부를 성곽처럼 두르고 있습니다. 피부는 자연계의 병원체가 쉽게 뚫을 수 없는 튼튼한 천연 장벽이며, 입이나 코처럼 열려 있는 통로에는 화학적 부비트랩이 설치되어 있습니다. 눈물, 콧물, 침, 위산 등은 침입자를 물샐틈없이 경계하며, 심지어 귀지도 세균과 먼지를 포획해 배출하는 면역계의 일부로 작동합니다. 이러한 다각도의 방어 기제는 우리 몸을 외부 환경으로부터 보호하는 핵심적인 역할을 수행합니다. 우리 몸은 모든 외부 존재를 배척하기만 하는 것이 아니라, 때로는 이로운 미생물과 공존하는 전략을 취하기도 합니다. 이를 마이크로바이옴이라 부르는데, 이들은 우리 몸의 세포 수보다도 많지만 체중의 약 2%만을 차지하며 신체 활동을 돕습니다. 이들은 일종의 영주권을 얻은 이주민처럼 정착하여 해로운 미생물이 자리를 잡지 못하도록 텃세를 부리며 피부를 돕는 또 하나의 강력한 천연 장벽이 되어줍니다. 이러한 공생 관계는 면역 체계의 유연함을 보여주는 사례입니다. 1차 방어선이 뚫리면 백혈구가 주역인 2차와 3차 방어선이 가동됩니다. 선천 면역계는 태어날 때부터 가진 기본 방어 체계로 흔한 병원체에 즉각 대응하지만, 처음 마주하는 강력한 적에게는 한계가 있습니다. 이때 등장하는 것이 후천 면역계인 B세포와 T세포 군단입니다. 이들은 적의 약점을 간파해 맞춤형 무기를 생산하여 침입자를 정밀 타격합니다. 병원체와 함께 진화해 온 이 특수 부대는 우리 몸을 지키는 가장 영리하고 강력한 저승사자와 같은 존재들입니다. 결국 면역이란 비자기를 찾아내어 대응하는 과정이며, 이는 곧 나의 정체성을 확립하고 환경과 관계를 맺는 일입니다. 면역계는 바이러스나 세균 같은 물리적 위협뿐만 아니라 우리의 마음 상태에도 민감하게 반응합니다. 과도한 스트레스나 우울감은 면역력을 떨어뜨려 질병에 취약하게 만들 수 있으므로, 긍정적인 마음으로 행복하게 사는 것이 건강한 면역의 출발점입니다. 우리 몸의 방어 체계를 이해하고 돌보는 것은 곧 나 자신을 사랑하는 길입니다.

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천문학

[술술과학] 건강과학(2) : 바이러스vs박테리아

바이러스는 생물과 무생물의 경계에 서 있는 아주 독특하고 애매모호한 존재입니다. 유전 물질인 RNA나 DNA를 단백질 껍질인 캡시드가 감싸고 있는 매우 단순한 구조를 가지고 있습니다. 스스로 단백질을 합성하거나 에너지를 만들 수 있는 설비가 전혀 없기에, 다른 생명체의 세포를 빌려야만 자손을 증식할 수 있는 절대 기생체입니다. 마치 컴퓨터 시스템을 해킹하는 칩처럼 세포의 공장을 점거하여 자신을 복제하는 특성을 지니고 있어, 생명 활동의 근간을 흔드는 위험한 존재로 인식되기도 합니다. 박테리아는 하나의 세포로 이루어진 독립적인 생명체입니다. 바이러스보다는 훨씬 복잡한 구조를 갖추고 있으며, 스스로 생명 활동을 유지할 수 있는 다양한 물질을 포함하고 있습니다. 17세기 레이우엔훅에 의해 처음 발견된 박테리아는 그 모양이 작은 막대기를 닮았다고 해서 붙여진 이름입니다. 흔히 박테리아라고 하면 해로운 존재로만 생각하기 쉽지만, 사실 우리 몸의 마이크로바이옴처럼 인체에 유익하거나 해가 없는 미생물이 대다수를 차지하며 생태계의 중요한 축을 담당하고 있습니다. 바이러스와 박테리아는 크기 면에서도 확연한 차이를 보입니다. 박테리아가 바이러스보다 대략 10배에서 100배 정도 더 크며, 이는 인체 세포 하나에 바이러스 천 마리를 일렬로 세울 수 있는 수준입니다. 이러한 미세한 존재들 중에는 인류에게 치명적인 위협이 되는 'A급 병원체'들이 존재합니다. 천연두와 에볼라 바이러스, 그리고 페스트균과 탄저균 같은 박테리아들이 여기에 속합니다. 이들은 역사적으로 엄청난 감염 속도와 높은 치사율을 기록하며 인류 사회에 극심한 공포와 공황 상태를 몰고 온 공통점이 있습니다. 역사상 가장 악명 높은 킬러로는 천연두와 흑사병을 꼽을 수 있습니다. 천연두는 20세기에만 3억 명 이상의 목숨을 앗아갔으며, 14세기 유럽을 휩쓴 흑사병은 당시 세계 인구의 절반 가까이를 감소시킬 정도로 참혹했습니다. 특히 흑사병은 몽골군이 사체를 성 안으로 던져 넣은 최초의 박테리아전에서 비롯되었다는 설이 있을 만큼 그 전파 과정이 극적이었습니다. 천연두는 현재 완전히 박멸되었으나, 흑사병은 여전히 세계 곳곳에서 간헐적으로 발생하며 인류를 위협하는 가공할 살상 능력을 증명하고 있습니다. 모든 미생물이 인류의 적은 아닙니다. 암세포만을 골라 공격하는 바이러스나, 박테리아를 잡아먹는 바이러스인 '박테리오파지'처럼 흥미로운 존재들도 많습니다. 특히 박테리오파지는 항생제 내성을 가진 슈퍼 박테리아를 퇴치할 대안으로 주목받으며 현대 의학의 새로운 희망이 되고 있습니다. 바이러스와 박테리아는 인간의 관점에서는 정복해야 할 대상일지 모르나, 사실 이들은 지구 생명체의 출발선에서 다채로운 생태계를 일궈온 위대한 개척자들입니다. 따라서 우리는 이들을 편견 없이 이해하려는 겸손한 자세가 필요합니다.

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생명과학

[연구뭐하지?] 심민섭 교수_서울대학교 '지구미생물학 연구실' | 인류보다 더 오래된 지구의 원주민, 미생물

우리가 살고 있는 현재의 지표 환경은 지난 45억 년이라는 기나긴 시간 동안 지구와 생명체가 끊임없이 상호작용한 결과물입니다. 초기 지구는 지금보다 훨씬 뜨거웠으며, 지구가 점차 식어가는 과정에서 지표의 화학적 조성이 변화했고 그에 맞춰 생명체의 생태도 진화해 왔습니다. 특히 산소를 발생시키는 광합성 생명체의 등장은 인류가 숨 쉴 수 있는 대기를 형성하는 결정적인 계기가 되었습니다. 이처럼 지구의 역사는 단순히 암석의 변화가 아니라, 지구와 생명체가 서로 영향을 주고받으며 만들어온 거대한 서사시라고 할 수 있습니다. 지구의 역사를 이해하기 위해 연구자들은 미생물에 주목합니다. 미생물은 지구 탄생 초기부터 거주해 온 원주민과 같은 존재로, 매우 다양한 원소를 이용해 대사 작용을 수행하며 지구 환경에 깊숙이 관여해 왔습니다. 하지만 미생물은 크기가 매우 작고 형태가 단순하여 일반적인 화석 기록으로는 그 흔적을 찾기가 매우 어렵다는 한계가 있습니다. 따라서 눈에 보이는 형태적 화석보다는 미생물이 남긴 미세한 화학적 흔적을 추적하는 것이 과거의 생태계를 복원하는 데 있어 핵심적인 열쇠가 됩니다. 미생물이 남긴 암석 속의 흔적을 해석하기 위해서는 먼저 현대의 미생물들이 어떤 화학적 흔적을 만들어내는지 연구해야 합니다. 이를 통해 일종의 '암호표'를 만드는 과정이 필요합니다. 현재의 생태계에서 얻은 데이터를 바탕으로 과거 암석에 기록된 화학적 흔적을 대조하고 해석함으로써, 수십억 년 전의 생태계를 생생하게 복원할 수 있습니다. 이러한 연구 방식은 단순히 과거를 돌아보는 것에 그치지 않고, 지구의 미래나 생명체가 존재할 가능성이 있는 외계 행성을 탐사하는 데에도 중요한 기초 자료로 활용될 수 있습니다. 지구생물학은 지질학적 증거인 암석과 생물학적 원리를 결합한 융합 학문입니다. 연구실에서는 지질학을 전공한 연구자들이 암석에서 화학적 흔적을 추출해 과거 미생물의 활동을 추적하는 한편, 생물학적 배경을 가진 연구자들은 가상의 생태계를 조성해 미생물을 직접 배양하기도 합니다. 미생물의 대사 과정에서 발생하는 화학적 흔적들이 왜, 어떻게 만들어지는지 정밀하게 분석함으로써 지질학적 기록의 신뢰도를 높이는 것입니다. 이러한 다각적인 접근은 지구라는 거대한 시스템을 이해하는 데 필수적인 과정입니다. 연구의 대상은 거대한 공룡에서 눈에 보이지 않는 미생물로 옮겨왔지만, 미지의 세계를 탐구하고자 하는 열정은 변함이 없습니다. 눈에 보이는 거대한 화석 대신 화학적 흔적 분석에 집중하면서 연구의 스케일은 과거에 비해 작아졌을지라도, 그 속에 담긴 지구의 비밀은 결코 작지 않습니다. 과거의 환경을 복원하고 생명의 기원을 찾아가는 여정은 지금도 척박한 현장 조사와 정밀한 실험실 분석을 통해 계속되고 있습니다. 이러한 탐구는 우리가 발을 딛고 있는 이 행성의 과거와 미래를 연결하는 소중한 통로가 됩니다.

심민섭

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생명과학
지구환경과학

[술술과학] 건강과학(1) : 균, 세균, 고세균의 차이

우리가 흔히 '균'이라고 부르는 미생물은 사실 그 종류와 분류가 매우 다양합니다. 가장 흔한 오해 중 하나는 균과 세균을 동일시하는 것이지만, 생물학적으로 이들은 엄연히 다른 존재입니다. 진균은 효모, 곰팡이, 버섯 등을 포함하며 식물보다는 오히려 동물에 가까운 족보를 가지고 있습니다. 특히 효모는 빵이나 맥주 발효에 쓰이는 단세포 생물로, 단백질인 효소와는 구분되어야 합니다. 곰팡이 역시 해로운 존재로만 인식되기 쉽지만, 발효 식품이나 항생제 원료로 쓰이며 인류에게 큰 도움을 주기도 합니다. 생물의 계통도를 살펴보면 가장 큰 분류 단위인 도메인은 세균, 고세균, 진핵생물로 나뉩니다. 세균과 고세균은 핵막이 없는 원핵생물에 속하며, 진핵생물은 다시 원생생물, 진균, 식물, 동물로 세분화됩니다. 여기서 헷갈리기 쉬운 원생생물은 아메바나 짚신벌레처럼 원핵생물보다 진화한 단세포 생물을 의미합니다. 이러한 분류 체계를 이해하면 우리가 막연하게 미생물이라 부르던 존재들이 각자 얼마나 독자적인 생태적 위치를 차지하고 있는지 명확히 알 수 있으며, 생명의 다양성을 깊이 있게 이해할 수 있습니다. 고세균은 이름 때문에 세균보다 오래된 생물로 오해받기 쉽지만, 실제로는 세균과 동시에 존재하며 독자적인 진화의 길을 걸어왔습니다. 이들은 주로 심해나 고온의 극한 환경에서 서식하며, 분자 생물학적으로는 세균보다 진핵생물에 더 가깝습니다. 특히 고세균이 세균을 포획해 미토콘드리아나 엽록체가 되었다는 '세포 내 공생설'은 매우 유력한 가설입니다. 우리 몸의 세포 하나당 수백에서 수천 개의 미토콘드리아가 존재한다는 점을 고려하면, 인간의 몸은 거대한 고세균의 집합체라고도 볼 수 있는 셈입니다. 미생물의 실체는 17세기 현미경의 발명 이후에야 비로소 드러나기 시작했습니다. 이후 파스퇴르와 코흐에 의해 감염병의 원인이 미생물임이 밝혀졌고, 바이러스와 세균, 진균 등이 주요 병원체로 지목되었습니다. 흥미로운 점은 고세균이 오랫동안 인간에게 무해한 존재로 여겨졌으나, 최근 연구를 통해 질병의 원인이 될 가능성이 제기되고 있다는 것입니다. 이처럼 미생물학은 고정된 지식이 아니라 새로운 발견을 통해 끊임없이 확장되는 학문 분야이며, 우리 삶과 보이지 않는 곳에서 밀접하게 연결되어 있습니다. 감염병 치료에 쓰이는 항미생물제는 대상에 따라 항바이러스제, 항세균제, 항진균제 등으로 나뉩니다. 우리가 흔히 말하는 항생제는 주로 세균을 죽이는 항세균제를 의미하며, 푸른곰팡이에서 추출한 페니실린이 그 시초입니다. 무좀과 같은 질환은 세균이 아닌 곰팡이에 의한 것이므로 항생제가 아닌 항진균제를 사용해야 합니다. 최초의 항생제를 발견한 플레밍은 노벨상 시상식에서 항생제 남용으로 인한 내성 문제를 경고했는데, 이는 현대 의학이 직면한 중요한 과제이자 우리가 미생물을 정확히 알아야 하는 이유이기도 합니다.

카오스재단술술과학

생명과학

[코로나TALK-8] 코로나 치료제는 없다, 치료방법은 있다!_김홍빈 교수 | 8강

인류의 역사는 끊임없이 새로운 미생물과의 만남으로 이어져 왔습니다. 감염병은 사람과 환경, 그리고 미생물이라는 세 가지 요소가 맞물릴 때 발생하며, 코로나19는 우리가 아직 충분히 알지 못하는 낯선 존재입니다. 과거에도 수많은 인수공통감염병이 야생동물로부터 사람에게 옮겨와 유행과 소멸을 반복해 왔습니다. 특히 아시아 지역은 지리적 특성상 새로운 감염병이 발생할 가능성이 높은 곳으로 꼽힙니다. 따라서 이번 사태가 처음이 아니듯, 앞으로도 우리는 예기치 못한 새로운 병원체와 마주할 가능성을 항상 염두에 두어야 합니다. 많은 이들이 코로나19의 종식을 꿈꾸지만, 미생물의 생태를 고려할 때 이는 매우 어려운 과제입니다. 지구의 역사를 되짚어보면 미생물은 인류보다 훨씬 이른 시기에 나타나 환경에 적응해 왔으며, 생물학적 관점에서는 지구의 진정한 주인이라고도 볼 수 있습니다. 인류가 미생물을 완전히 정복하거나 이기는 것은 불가능에 가깝기에, 우리는 이들을 박멸의 대상이 아닌 공존의 대상으로 바라보아야 합니다. 바이러스와의 싸움에서 승리하기보다는 어떻게 하면 피해를 최소화하며 함께 살아갈 수 있을지를 고민하는 것이 더욱 현실적인 접근입니다. 코로나19가 통제하기 까다로운 이유는 독특한 전파 특성에 있습니다. 기초 감염 재생산 수(R0)가 일반 인플루엔자(독감)보다 높을 뿐만 아니라, 증상이 나타나기 약 48시간 전부터 이미 타인을 감염시킬 수 있는 능력을 갖추고 있기 때문입니다. 또한 바이러스 배출량이 증상 초기나 무증상 시기에 가장 많다는 점도 방역을 어렵게 만드는 요소입니다. 환자가 스스로 증상을 자각하고 격리하기 이전에 이미 주변에 바이러스를 퍼뜨릴 가능성이 크기 때문에, 단순히 확진자를 찾아 격리하는 방식만으로는 유행의 고리를 완전히 끊어내기가 매우 어렵습니다. 진단과 면역의 측면에서도 불확실성은 여전합니다. 현재 주로 사용되는 유전자 증폭 검사(PCR)는 매우 민감하여 초기 진단에 유용하지만, 항체 검사는 과거 감염 여부를 확인하는 용도에 가깝습니다. 문제는 항체가 형성되었다고 해서 반드시 완벽한 면역력이 생겼음을 의미하지는 않는다는 점입니다. 증상의 경중에 따라 항체 생성 정도가 다르고, 생성된 항체가 얼마나 오랫동안 지속될지도 아직 명확히 밝혀지지 않았습니다. 이러한 면역의 불확실성은 집단 면역을 통한 종식 시나리오를 낙관하기 어렵게 만들며, 재감염의 가능성 또한 배제할 수 없게 합니다. 백신과 치료제가 완벽한 해결책이 되기 전까지 가장 강력한 무기는 마스크 착용과 손 위생입니다. 비말 전파를 차단하는 마스크는 나뿐만 아니라 타인을 보호하는 가장 비용 효율적인 방법임이 과학적으로 증명되었습니다. 또한 3밀(밀폐·밀집·밀접) 환경을 피하는 사회적 거리두기가 필수적입니다. 특히 환기가 잘 되지 않는 밀폐된 공간에서는 비말뿐만 아니라 에어로졸을 통한 전파 위험이 커지기 때문에 주의가 필요합니다. 지난 수개월간의 경험은 개인 위생 수칙 준수가 코로나19뿐만 아니라 다른 호흡기 질환까지 획기적으로 줄일 수 있음을 보여주었습니다. 감염병 유행 시기에는 의료 자원의 효율적인 배분이 생사와 직결됩니다. 코로나19는 고령층과 기저질환자에게 치명적이기 때문에 이들을 보호하기 위한 집중적인 치료 체계가 필요합니다. 하지만 확진자 급증으로 의료진과 병상이 부족해지면, 코로나 환자뿐만 아니라 응급 처치가 필요한 일반 환자들까지 적절한 치료를 받지 못하는 2차 피해가 발생하게 됩니다. 따라서 의료진의 피로도를 관리하고 숙련된 인력을 확보하는 시스템 구축이 시급합니다. 의료 자원이 감당 가능한 범위 내에서 유행 규모를 유지하는 것이 치명률을 낮추는 핵심 전략입니다. 결국 우리는 코로나19와 함께 살아가는 '위드 코로나' 시대를 준비해야 합니다. 백신이 개발되더라도 인플루엔자(독감)처럼 매년 유행할 가능성이 크며, 완벽한 종식보다는 관리 가능한 수준으로 유지하는 것이 목표가 되어야 합니다. 가을과 겨울철에 인플루엔자(독감)와 코로나19가 동시에 유행하는 상황에 대비해 예방 접종을 철저히 하고, 사회적 거리두기를 일상화하는 지혜가 필요합니다. 정부의 방역 대책과 더불어 시민 개개인이 스스로를 보호하는 노력을 멈추지 않을 때, 우리는 비로소 일상의 평화를 유지하며 이 긴 싸움을 지속해 나갈 수 있을 것입니다.

김홍빈

카오스재단코로나19 과학토크

생명과학

[코로나 인터뷰] 김홍빈_ 바이러스, 어떻게 대응할 것인가? 어떻게 어우러질 것인가?

코로나19는 이전의 감염병들과는 확연히 다른 특성을 보여주며 전 세계적인 유행을 일으켰습니다. 과거의 치명적인 바이러스들은 대개 증상이 나타난 후에야 전파력이 생겼지만, 코로나19는 증상이 나타나기 전부터 타인에게 전파될 수 있는 강력한 전파력을 가졌습니다. 이로 인해 감염 사실을 모르는 채 일상생활을 영위하는 과정에서 바이러스가 전 세계로 빠르게 확산되는 결과를 초래했습니다. 우리 의료계는 이러한 위기에 대응하기 위해 국가지정 입원치료 병상을 확충하고, 환자의 중증도에 따라 진료 체계를 나누는 등 과거보다 진일보한 대응 시스템을 구축하며 맞서 싸워왔습니다. 메르스 사태 이후 우리나라는 감염병 대응 역량을 강화하는 데 주력해 왔으며, 이는 이번 팬데믹 상황에서 중요한 밑거름이 되었습니다. 가장 큰 변화 중 하나는 정보의 투명한 공개와 역학조사관의 확충입니다. 중앙과 시도 단위에서 활동하는 역학조사관들이 늘어나면서 보다 정밀한 추적이 가능해졌고, 의료진의 교육 훈련도 체계적으로 이루어졌습니다. 국가지정 병상뿐만 아니라 지역 의료원들이 역할을 분담하여 경증과 중증 환자를 효율적으로 관리한 점은 향후 발생할 수 있는 또 다른 신종 감염병에 대비하는 데 있어 매우 중요한 자산이 될 것입니다. 백신과 치료제가 개발되면 모든 공포에서 해방될 것이라는 기대가 크지만, 전문가의 시각은 조금 더 신중하고 냉철합니다. 치료제는 이미 아픈 환자를 대상으로 하기에 어느 정도의 부작용을 감수할 수 있지만, 백신은 건강한 대다수 국민에게 접종하기에 훨씬 높은 수준의 안전성이 요구됩니다. 또한 매년 유행하는 인플루엔자처럼 백신과 치료제가 존재하더라도 여전히 많은 환자와 사망자가 발생할 수 있다는 점을 간과해서는 안 됩니다. 따라서 바이러스의 완전한 박멸이라는 낙관론에 기대기보다는, 피해를 최소화하며 함께 살아가는 지혜로운 대응 전략이 필요합니다. 감염내과는 단순히 환자를 진료하는 것을 넘어 병원 전체의 안전과 보건 체계를 책임지는 핵심적인 역할을 수행합니다. 머리끝부터 발끝까지 발생하는 모든 감염병을 다룰 뿐만 아니라, 항생제 오남용을 막아 내성균의 출현을 억제하고 병원 내 감염이 확산되지 않도록 관리하는 등 보이지 않는 곳에서 막중한 책임을 다하고 있습니다. 하지만 이러한 중요성에 비해 전문 인력은 여전히 부족한 실정입니다. 업무의 강도와 책임은 나날이 무거워지고 있지만, 이에 대한 사회적 인정과 제도적 보상이 획기적으로 뒷받침되지 않는다면 미래의 위기에 대응할 인력을 확보하기 어려울 것입니다. 신종 감염병은 지난 20년간 약 5~6년 주기로 인류를 위협해 왔으며, 앞으로도 새로운 미생물의 등장은 계속될 것입니다. 인류보다 훨씬 먼저 지구에 존재했던 미생물을 완전히 이기는 것은 결코 쉽지 않은 과제입니다. 따라서 세균, 바이러스, 곰팡이 등 다양한 분야를 연구하는 전문가들이 폭넓게 양성되어야 하며, 일상적인 의료 환경에서의 감염 관리 또한 상시적으로 이루어져야 합니다. 신종 감염병의 유행 여부와 상관없이 기존의 방역 체계를 충실히 유지하고 각자의 위치에서 역할을 다하는 것만이 예기치 못한 미래의 위기를 극복할 수 있는 유일한 길입니다.

김홍빈

카오스재단코로나19 과학토크

생명과학

[강연] 생명의 기원, 그리고 세포내 공생을 통한 식물의 진화 _ by윤환수｜2019 봄 카오스강연 '기원, 궁극의 질문들' 6강 | 6강

생명의 기원을 밝히려는 노력은 무기물에서 유기물이 합성되는 '화학 진화' 단계에서 시작됩니다. 오파린의 가설을 바탕으로 밀러와 유리는 원시 지구 환경을 재현한 실험을 통해 아미노산이 생성될 수 있음을 증명했습니다. 단백질의 기본 단위인 아미노산뿐만 아니라 유전 정보를 저장하는 RNA의 핵산 역시 특정 조건에서 고분자로 변환될 수 있다는 사실이 확인되었습니다. 이러한 유기물들이 지질막으로 둘러싸여 외부와 구별되는 독립된 계를 형성하면서, 비로소 생명으로 나아가는 첫걸음이 시작되었습니다. 최초의 생명체인 '루카(LUCA)'는 뜨겁고 산소가 없는 극한의 환경에서 탄생했을 것으로 추정됩니다. 특히 심해의 알칼리 열수구는 수소 이온 농도 차이를 이용해 에너지를 생성할 수 있는 최적의 장소로 꼽힙니다. 이곳에서 초기 생명체는 태양광 없이도 황이나 수소 같은 무기물을 이용해 스스로 유기물을 합성하는 독립 영양 생물로 살아가기 시작했습니다. 약 35억 년 전의 화석 기록은 이미 정교한 세포 구조를 가진 생명체가 존재했음을 보여주며, 이는 생명의 역사가 지구 형성 초기부터 매우 역동적으로 전개되었음을 시사합니다. 지구의 환경을 근본적으로 바꾼 사건은 약 24억 년 전 남세균의 출현과 함께 시작된 산소 농도의 급증입니다. 광합성을 통해 산소를 배출하는 남세균은 당시 혐기성 생물들에게는 치명적인 독성 환경을 조성했습니다. 하지만 이 격변의 시기는 오히려 생명 진화의 새로운 기회가 되었습니다. 산소 농도가 높아지면서 철광석 지층이 형성되었고, 생명체들은 활성산소의 위협에 대응하거나 이를 이용해 더 높은 에너지를 얻는 방식으로 진화해야 했습니다. 이러한 환경적 압박은 서로 다른 성질을 가진 세포들이 결합하는 공생의 발판이 되었습니다. 진핵생물의 탄생은 고세균과 세균의 운명적인 만남에서 비롯되었습니다. 최근 발견된 '로키 고세균'은 진핵생물과 유사한 유전자를 가지고 있어, 이들이 세균을 세포 내로 받아들여 미토콘드리아로 변화시킨 주역임을 암시합니다. 세포 내 공생을 통해 에너지를 전담하는 기관을 갖게 된 진핵세포는 더 큰 몸집과 복잡한 구조를 유지할 수 있는 동력을 얻었습니다. 이는 단순히 개별 세포의 진화를 넘어, 서로 다른 생명체가 하나로 합쳐져 완전히 새로운 형태의 생명으로 거듭난 진화사적 대사건이라 할 수 있습니다. 식물의 기원은 광합성을 하던 남세균이 진핵세포 안으로 들어가 엽록체가 되면서 시작되었습니다. 약 16억 년 전 발생한 이 '1차 세포 내 공생' 사건을 통해 홍조식물, 녹색식물, 회색식물이라는 세 갈래의 식물 그룹이 형성되었습니다. 남세균의 유전자는 숙주 세포의 핵으로 이동하여 효율적으로 통제되었고, 이를 통해 안정적인 광합성 시스템이 구축되었습니다. 이 과정은 지구상에 산소를 공급하고 유기물을 생산하는 거대한 생태계의 기초를 닦았으며, 훗날 육상 식물이 출현하여 동물이 살 수 있는 환경을 만드는 결정적인 계기가 되었습니다. 진화의 신비는 여기서 멈추지 않고, 이미 엽록체를 가진 세포가 다시 다른 세포의 먹이가 되어 공생하는 '2차 세포 내 공생'으로 이어졌습니다. 미역이나 다시마 같은 갈조류와 적조를 일으키는 와편모조류 등이 바로 이러한 복잡한 과정을 거쳐 탄생한 생명체들입니다. 이들의 엽록체는 3개 이상의 막으로 둘러싸여 있으며, 때로는 원래 세포의 핵 흔적인 '뉴클레오모프'를 간직하고 있기도 합니다. 이러한 다중 공생 구조는 마치 러시아 인형인 마트료시카처럼 생명 안에 또 다른 생명이 겹겹이 쌓여 있는 진화의 역사를 고스란히 보여줍니다. 오늘날에도 '폴리넬라'와 같은 생물은 남세균을 획득하여 식물로 진화하는 과정을 실시간으로 보여주는 살아있는 실험실 역할을 합니다. 16억 년 전의 거대한 사건이 현대에도 반복될 수 있음을 보여주는 이 사례는 세포 내 공생이 생물 다양성을 폭발시키는 강력한 촉매제임을 증명합니다. 무기물에서 시작된 작은 움직임이 공생과 연합을 거쳐 오늘날의 복잡한 생태계를 이룬 과정은 경이롭기까지 합니다. 결국 생명의 역사는 각자도생이 아닌, 서로를 받아들이고 함께 생존하는 방식을 찾아온 끊임없는 협력의 여정이라 할 수 있습니다.

윤환수

카오스재단카오스강연

생명과학

[카오스 술술과학] 진화 타임머신, Evol호!

진화론은 우주론만큼이나 인류가 고안해 낸 가장 극적인 아이디어 중 하나입니다. 생명체가 아주 조금씩 변화하며 새로운 종으로 분화한다는 이 이론은 언뜻 황당하게 들릴 수 있지만, 우리 자신의 삶을 돌이켜보면 이해의 실마리를 찾을 수 있습니다. 세 살 아이가 여든 살 노인이 되는 과정처럼, 매일의 변화는 눈에 띄지 않지만 수십 년이 흐르면 완전히 다른 모습이 됩니다. 생명은 멈추지 않고 아주 조금씩, 그러나 확실하게 변화를 거듭하며 긴 역사를 만들어냅니다. 수만 년 전 늑대에서 갈라져 나온 수백 종의 개들을 떠올려 보면 진화의 힘을 실감하게 됩니다. 가상의 타임머신 '에볼호'를 타고 과거로 거슬러 올라가면, 우리는 수많은 생명체와 조우하게 됩니다. 약 700만 년 전에는 침팬지와의 공통 조상을 만나고, 더 거슬러 올라가 7,000만 년 전에는 원숭이들과의 공통 조상을 마주하게 됩니다. 이 여정은 인간이 홀로 존재하는 것이 아니라, 지구상의 수많은 영장류 및 포유류와 깊은 혈연관계로 얽혀 있음을 보여줍니다. 시간의 단위가 '억 년'으로 바뀌면 진화의 여정은 더욱 역동적으로 변합니다. 3억 년 전후로는 파충류와 조류, 그리고 양서류와의 공통 조상을 차례로 만나게 됩니다. 4억 년이 넘어서면 타임머신은 바닷속을 달리기 시작하며, 폐어나 실러캔스 같은 희귀한 물고기들의 조상과 마주합니다. 6억 년 전에는 바다 밑을 기어 다니던 기이한 모습의 곤충 조상을 만나게 되는데, 이는 오늘날 지구를 가득 채운 수십만 종의 곤충들이 하나의 뿌리에서 시작되었음을 상기시킵니다. 생명의 역사를 더 깊이 파고들수록 생명체들의 크기는 점차 작아져 육안으로는 볼 수 없는 세계에 진입합니다. 타임머신의 창을 현미경 모드로 전환해야만 비로소 꾸물거리는 미생물들의 활기찬 움직임을 관찰할 수 있습니다. 약 35억 년 전에는 식물뿐만 아니라 고세균이나 박테리아와의 공통 조상까지 만나게 됩니다. 이 시점의 조상들은 우리와 형태적으로 너무나 다르지만, 생명의 설계도를 공유하는 엄연한 가족의 일원으로서 그 존재감을 드러내며 생명의 신비를 더해줍니다. 마지막으로 38억 년 전의 과거에 도달하면 모든 생명체가 하나의 점으로 수렴하는 경이로운 순간을 맞이합니다. 지구상의 모든 종이 공유하는 마지막 공통 조상인 '루카(LUCA)'를 만나는 지점입니다. 루카로부터 시작된 생명의 줄기는 수십억 년의 세월을 거치며 거대한 나무처럼 뻗어 나가 현재의 다양한 생태계를 이루었습니다. 대기권 밖에서 바라본 지구의 모든 생명체는 결국 하나의 거대한 가족이며, 우리는 그 유구한 역사의 한 페이지를 장식하고 있는 소중한 존재입니다.

카오스재단술술과학

생명과학

[석학인터뷰] 그것이 알고 싶다?! 현대 과학이 풀지 못한 최대의 미스터리는? _ 2편ㅣ 미스터리 릴레이

현대 과학이 비약적인 발전을 이루었음에도 불구하고, 우리가 우주에 대해 알고 있는 지식은 여전히 빙산의 일각에 불과합니다. 주기율표에 나열된 118개의 원소 중 우주에 존재하는 94개의 원소가 차지하는 비중은 고작 4%에 그치며, 나머지 96%는 정체를 알 수 없는 암흑물질과 암흑에너지로 가득 차 있습니다. 20세기의 성과가 우리가 우주의 대부분을 모르고 있다는 사실을 깨달은 것이라면, 21세기의 진정한 과제는 그 베일에 싸인 96%의 실체를 규명하는 일입니다. 이는 인류가 직면한 가장 거대한 과학적 수수께끼이자 새로운 시대를 여는 열쇠가 될 것입니다. 우리가 발을 딛고 살아가는 지구 역시 여전히 수많은 미스터리를 품고 있습니다. 특히 지구 자기장의 형성 원리를 설명하는 다이나모 이론은 학술적으로 널리 알려져 있지만, 그 구체적인 메커니즘은 아직 명확히 밝혀지지 않은 지구과학의 최대 난제 중 하나입니다. 더욱 놀라운 점은 인류가 태양계 바깥으로 탐사선을 보내는 시대에 살면서도, 정작 우리 발밑 수백 미터 아래에서 어떤 일이 벌어지고 있는지조차 제대로 파악하지 못하고 있다는 사실입니다. 지표면 아래 숨겨진 단층의 상태나 지진, 화산 활동의 정확한 시점을 예측하지 못하는 현실은 인류가 자연재해로부터 여전히 취약한 위치에 있음을 시사합니다. 생명 과학의 영역으로 눈을 돌리면 미생물의 세계가 우리를 기다리고 있습니다. 자연계에 존재하는 수많은 미생물 중 현재의 기술로 배양 가능한 종은 1% 미만에 불과하며, 나머지 99% 이상의 미생물은 여전히 실험실 밖의 미지의 영역으로 남아 있습니다. 이들이 어떤 기능을 수행하며 지구 환경에 어떠한 영향을 미치는지 이해하기 위해서는 특수한 환경을 재현하고 배양할 수 있는 새로운 방법론이 절실합니다. 21세기 미생물학자들에게 주어진 과제는 이 보이지 않는 거대한 생태계를 우리 인류의 관찰 범위 안으로 가져와 그들의 대사와 재생산 과정을 과학적으로 규명하는 일입니다. 생명의 탄생과 진화 과정 또한 경이로운 신비로 가득 차 있습니다. 단 하나의 수정란이 분열하여 10조 개의 세포로 이루어진 복잡한 인간 개체를 형성하는 과정은 현대 과학으로도 온전히 설명하기 힘든 기적에 가깝습니다. 특히 인간 유전체(게놈)의 약 98%를 차지하면서도 단백질을 부호화하지 않아 과거에 '정크 DNA'라고 불렸던 영역은 생물학의 새로운 화두로 떠오르고 있습니다. 이들이 단순한 진화의 흔적인지, 아니면 우리가 아직 발견하지 못한 핵심적인 기능을 수행하고 있는지는 여전히 베일에 싸여 있습니다. 만약 이들의 정체가 밝혀진다면 암 치료나 생명 연장의 새로운 돌파구가 마련될지도 모릅니다. 현대 생물학의 최첨단 프런티어라 불리는 뇌과학은 인간의 의식과 사고라는 궁극의 질문에 도전하고 있습니다. 매일 아침 잠에서 깨어날 때 회복되는 의식이 뇌의 어느 부위에서 어떤 과정을 거쳐 발생하는지는 뇌과학 최대의 미스터리입니다. 특히 외부 자극과 그에 따른 반응 사이에 존재하는 긴 '생각'의 시간 동안 신경세포들이 어떻게 상호작용하는지를 과학적으로 측정하고 모델링하는 것은 매우 어려운 작업입니다. 하지만 측정 장치의 발전과 수학적 모델링을 통해 뇌의 작동 원리를 명확히 이해하게 된다면, 인류는 비로소 인간이라는 존재의 본질에 한 걸음 더 다가갈 수 있게 될 것입니다.

서민아, 이강근, 이대열, 이일하, 이정모, 이현숙, 조장천, 최덕근

카오스재단릴레이 인터뷰

물리학
생명과학
지구환경과학
융합

[석학인터뷰] 조장천_ 1등을 죽여라!! | 2019 봄 카오스강연 '기원, 궁극의 질문들'

20대는 단순히 전공 지식을 습득하는 시기를 넘어, 자신의 삶에 대한 방향성과 가치관을 정립하는 매우 중요한 시기입니다. 이 시기에는 책상 앞에 앉아 이론을 공부하는 것만큼이나 사회적 경험과 실천적인 활동을 통해 세상을 몸으로 직접 체득하는 과정이 필요합니다. 연애를 글로만 배울 수 없듯이, 다양한 현장에서 겪는 시행착오와 실천적 경험의 축적은 청년들이 자신만의 확고한 지향점을 만들어가는 데 있어 무엇보다 소중한 밑거름이 됩니다. 지구상에는 헤아릴 수 없이 많은 미생물이 존재하지만, 그중 대부분은 인공적인 배양이 불가능하여 여전히 미지의 영역으로 남아 있습니다. 과거 미생물 분류의 큰 단위인 문(Phylum) 중에서 실제로 발견된 것은 22개에 불과했으나, 연구를 통해 23번째 문인 '렌티스패라'를 새롭게 발견하는 성과를 거두었습니다. 이 미생물은 해저 열수공이나 '바다의 눈'이라 불리는 해중설을 형성하는 존재로 추정되며, 생물학적 진화 계통을 이해하는 데 있어 매우 중요한 학술적 의미를 지닙니다. 과학 연구의 세계는 1등만이 기억되는 치열한 경쟁의 장이기도 합니다. 과거 SAR11 미생물 배양 연구 당시, 경쟁자에게 단 2주 차이로 선취권을 내주며 '과학에 2등은 없다'는 냉정한 현실을 마주하기도 했습니다. 하지만 이러한 실의의 순간에 찾아온 렌티스패라의 발견은 연구자에게 커다란 선물과도 같았습니다. 실패와 좌절을 딛고 일어선 끝에 마주한 새로운 발견은 과학적 성취를 넘어, 포기하지 않고 탐구를 지속하는 학자로서의 삶에 소중한 이정표가 되었습니다. 바이러스는 스스로 물질대사를 하거나 재생산할 수 없기에 엄밀한 의미에서 완전한 생명체로 정의하기에는 어려움이 따릅니다. 그러나 이들은 숙주 세포와 끊임없이 교류하며 유전 물질을 전달하고 생태계의 진화에 깊숙이 관여해 왔습니다. 특히 '붉은 여왕 가설'처럼 세균과 바이러스가 서로 뒤처지지 않기 위해 끊임없이 경쟁하며 상호 진화하는 과정은 생명의 역동성을 잘 보여줍니다. 이러한 보이지 않는 군비 경쟁은 과거부터 현재까지 이어지며 지구 생명체의 다양성을 형성하는 핵심 동력이 되고 있습니다. 세포의 진화 과정을 설명하는 내부공생설은 이제 현대 생물학의 확고한 정설로 자리 잡았습니다. 동물의 미토콘드리아와 식물의 엽록체가 본래 독립된 세균이었다는 사실은 생명 진화의 신비로움을 극명하게 보여줍니다. 다만 진핵세포가 형성되는 과정에서 미토콘드리아가 유입된 구체적인 시점을 두고는 여전히 다양한 가설이 대립하며 학술적 논쟁이 이어지고 있습니다. 이처럼 풀리지 않은 수수께끼를 해결하려는 학자들의 끊임없는 노력은 생명의 근원적 기원을 이해하려는 인류의 위대한 여정입니다.

조장천

카오스재단2019 카오스강연 '기원, 궁극의 질문들'

생명과학

[강연] 생명체의 탄생 (1) _ 노정혜 교수 | 2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 1강 | 1강 ①

분자생물학은 생명 현상을 구성하는 분자들의 상호작용을 통해 생명의 본질을 이해하려는 학문입니다. 우리가 생명체라고 부르는 유기체는 무생물과 구분되는 몇 가지 핵심적인 특징을 공유합니다. 단순히 숨을 쉬거나 자라는 외형적 변화를 넘어, 생물학적으로는 유전과 증식, 대사, 환경에 대한 반응, 그리고 진화라는 네 가지 요소가 필수적입니다. 이러한 특징을 모두 갖춘 가장 작은 단위가 바로 세포이며, 단세포 생물인 세균은 그 자체로 완벽한 생명체의 조건을 충족합니다. 반면 바이러스는 스스로 대사할 수 없어 살아있는 세포 안에서만 증식할 수 있기에 완전한 생명체로 보기 어렵습니다. 생명의 기원을 찾는 과정은 결국 우리 모두의 조상을 찾아가는 거대한 족보 탐구와 같습니다. 과거에는 기록이나 유물에 의존해 뿌리를 찾았지만, 현대 과학은 DNA 염기서열 분석이라는 강력한 도구를 사용합니다. 세포 핵 속의 염색체를 구성하는 DNA는 아데닌, 구아닌, 사이토신, 티민이라는 네 가지 염기의 배열을 통해 방대한 유전 정보를 저장합니다. 이 서열을 비교하면 친자 확인은 물론, 현생 인류인 호모 사피엔스와 멸종한 네안데르탈인이 약 50만 년 전에 공통 조상에서 갈라져 나왔다는 사실까지 정밀하게 파악할 수 있으며, 이는 모든 생명체로 확장될 수 있는 원리입니다. 찰스 다윈은 모든 생명체가 공통의 조상으로부터 가지를 치며 변해왔다는 진화의 개념을 체계화했습니다. 생물 종 사이의 연관성은 공통으로 가진 유전자의 염기서열이 얼마나 유사한지를 나타내는 '상동성'을 통해 측정됩니다. 예를 들어 사람과 원숭이, 쥐, 물고기의 유전자를 비교하면 그 유사도에 따라 유연관계의 거리를 숫자로 산출할 수 있습니다. 이렇게 도출된 데이터를 바탕으로 생물 간의 계통을 나무 모양으로 시각화한 것이 바로 '계통수'입니다. 계통수는 생명체들이 서로 얼마나 가까운 친척인지, 그리고 언제 어떻게 갈라져 나왔는지를 보여주는 유전적 지도가 됩니다. 현대 미생물학자 칼 워즈는 모든 생명체가 공유하는 리보솜 RNA 서열을 분석하여 생명의 계통도를 새롭게 정의했습니다. 과거에는 생물을 단순히 동물과 식물, 혹은 다섯 가지 계로 분류했지만, 유전자 분석 결과 지구상의 모든 생명체는 세균, 고균, 진핵생물이라는 세 개의 거대한 도메인으로 나뉜다는 사실이 밝혀졌습니다. 특히 고균은 극한 환경에서 살아가는 독특한 특성을 지니며, 진핵생물 내부의 미토콘드리아나 엽록체 역시 과거 특정 세균과의 공생에서 비롯되었음을 유전자 서열의 유사성을 통해 확인할 수 있습니다. 이는 생명의 분류 체계가 외형이 아닌 유전적 뿌리에 근거해야 함을 시사합니다. 생명의 계통수에서 가장 뿌리에 해당하는 지점에는 모든 생명체의 최후 공통 조상인 '루카(LUCA)'가 존재합니다. 루카는 현재 지구상에 존재하는 모든 생물의 공통된 기점이 되는 존재로, 약 35억 년보다 훨씬 더 이전에 출현했을 것으로 추정됩니다. 계통수에 화석 기록과 돌연변이 속도를 결합하면 시간의 개념이 더해진 정교한 생명의 역사가 완성됩니다. 이를 통해 우리는 인간과 곰팡이가 약 15억 년 전에 갈라졌다는 사실 등을 알 수 있으며, 지구 탄생 이후 끊임없이 이어져 온 생명 탄생의 경이로운 여정을 과학적으로 이해하게 됩니다.

노정혜

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생명과학

[강연] 지구 내부로의 여행 (4) _ 패널토의 | 2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 2강 | 2강 ④

지구과학은 수학, 물리, 화학, 컴퓨터 과학 등 다양한 학문적 방법론을 도입하여 지구를 연구하는 대표적인 융합 학문입니다. 나노미터 단위의 원자 구조 변화를 이해함으로써 수천 킬로미터에 달하는 전 지구적 현상을 해석하는 과정은 이 학문만이 가진 독특한 아름다움이라 할 수 있습니다. 이러한 연구는 단순히 우리 행성에 머물지 않고 다른 행성이나 위성으로까지 지식의 지평을 넓혀가며 우주 전체를 이해하는 중요한 열쇠가 되고 있습니다. 지구 내부의 극한 환경을 재현하기 위해 연구자들은 멀티 앤빌 프레스와 같은 거대 장비를 활용하여 고압 실험을 수행합니다. 이는 손으로 만질 수 있는 크기의 시료를 합성하여 깊은 지구 내부의 물성을 직접 확인하는 과정입니다. 한편, 시공간적 한계로 인해 직접 관찰하기 어려운 현상들은 정교한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 구현됩니다. 가상의 공간에서 물리 법칙을 적용해 판의 이동이나 에너지 흐름을 재현함으로써 우리는 가보지 못한 지구 내부의 비밀을 밝혀냅니다. 생명의 기원은 지구 형성 과정과 밀접하게 연결되어 있습니다. 초기 지구가 액체 암석 상태인 마그마 바다였을 때, 지표로 올라온 가벼운 원소들이 지각과 바다를 형성하며 유기물 합성의 토대가 되었습니다. 판 구조론은 단순한 지질 현상을 넘어 생명체에 필수적인 에너지와 다양한 지형적 환경을 제공하는 역할을 합니다. 판의 움직임이 활발해진 시기와 대기 중 산소가 급증한 시기가 일치한다는 점은 지구의 역동성이 생명 진화의 핵심 동력이었음을 시사합니다. 지구 내부로의 물질 순환은 섭입대를 통해 끊임없이 일어납니다. 매년 수천만 톤의 탄소와 막대한 양의 물이 암석에 포함되어 맨틀 깊숙이 운반되며, 이는 지구 전체의 화학적 균형을 유지하는 데 기여합니다. 특히 암석 내에 흡착된 물은 고온 환경에서 탈수 반응을 일으켜 지진의 원인이 되기도 하고, 암석의 녹는점을 낮춰 마그마를 형성하기도 합니다. 이러한 물의 존재는 판이 부드럽게 움직일 수 있도록 돕는 윤활제 역할을 하며 지구의 역동적인 판 구조를 유지시킵니다. 현대의 지구과학은 이제 지구라는 경계를 넘어 태양계의 다른 행성들로 연구 대상을 확장하고 있습니다. 화성이나 금성에서 발견되는 판 구조의 흔적을 연구함으로써 우리는 지구가 가진 고유한 특성과 보편적인 행성 진화의 법칙을 동시에 이해하게 됩니다. 이는 물리학, 생물학 등 인접 학문과의 경계를 허무는 과정이며, 외계 행성에서 생명이 탄생할 수 있는 조건을 탐색하는 근본적인 질문으로 이어집니다. 하나에 국한되지 않는 융합적 사고는 미지의 세계를 탐구하는 가장 강력한 도구입니다.

김은정, 소병달, 심상헌

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생명과학
지구환경과학

[강연] 응답하라, 작은 것들의 세계여 - 현미경과 미시세계 (4) _김성근 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 5강 | 5강 ④

현미경의 발명은 인류가 생명의 근원을 바라보는 방식을 완전히 바꾸어 놓았습니다. 17세기 로버트 훅은 코르크 조각을 관찰하며 작은 방 모양의 구조에 '세포'라는 이름을 붙였고, 레벤후크는 직접 깎은 렌즈로 미생물의 존재를 처음으로 세상에 알렸습니다. 이러한 발견은 질병이 신의 저주가 아닌 미세한 생명체에 의한 것임을 깨닫게 하는 전환점이 되었습니다. 보이지 않는 미시 세계를 시각화하려는 인간의 끊임없는 열망은 현대 생명 과학의 기초를 다지는 가장 중요한 동력이 되었습니다. 새로운 관측 기술의 등장은 항상 새로운 과학적 발견을 예고합니다. 과학자들에게 혁신적인 기기는 단순히 도구를 넘어 인류의 지식 지평을 넓히는 열쇠와 같습니다. 과거에는 상상조차 할 수 없었던 미시 세계의 역동적인 움직임을 실시간으로 관찰할 수 있게 되면서, 우리는 생명 현상의 본질에 한 걸음 더 다가서게 되었습니다. 첨단 현미경 기술은 보이지 않는 진실을 드러냄으로써 과학의 진보를 이끄는 가장 강력한 무기가 되고 있으며, 이는 미래 과학의 방향을 결정짓는 중요한 요소가 됩니다. 우리가 일상에서 보는 금의 황금색은 원자 하나가 가진 고유한 색이 아닙니다. 개별 원자는 가시광선을 흡수하는 방식이 달라 색이 없다고 볼 수 있지만, 수많은 원자가 모여 상호작용을 시작하면 비로소 특정한 색을 띠게 됩니다. 금 원자가 약 1억 개 정도 모여 일정한 크기를 형성할 때 우리가 아는 찬란한 노란색이 나타나는 것입니다. 이는 물질의 성질이 개별 단위가 아닌 집합체로서의 상호작용을 통해 결정된다는 오묘한 과학적 원리를 잘 보여주는 대표적인 사례라고 할 수 있습니다. 흥미롭게도 물질의 크기를 나노 단위로 쪼개면 우리가 알던 색과는 전혀 다른 모습이 나타납니다. 예를 들어 순금을 나노 입자로 만들면 붉은색 용액으로 변하는데, 이는 표면에서 일어나는 나노 효과인 플라스몬 현상 때문입니다. 귀금속의 가치는 그 영롱한 색에 있지만, 과학적 관점에서 보면 그 색조차 입자의 크기와 배열에 따라 변하는 가변적인 현상일 뿐입니다. 이러한 나노 세계의 특성은 물질을 바라보는 우리의 고정관념을 깨뜨려 주며 새로운 기술적 가능성을 제시합니다. 원자의 내부를 들여다보면 거시 세계의 상식과는 동떨어진 놀라운 광경이 펼쳐집니다. 원자는 대부분 텅 빈 공간으로 이루어져 있으며, 그 질량의 대부분은 아주 작은 원자핵에 집중되어 있습니다. 운동장 한가운데 놓인 모래알 하나가 원자핵이라면 나머지 공간은 전자가 헤엄치는 광활한 빈터와 같습니다. 하지만 이 텅 빈 공간은 전자의 상호작용으로 인해 다른 물질이 쉽게 침범할 수 없는 견고한 경계를 형성합니다. 미시 세계는 이처럼 비어 있음과 가득 참이 공존하는 신비로운 곳입니다. 현대 과학은 이제 인간의 의식과 정신 작용이라는 미지의 영역에 도전하고 있습니다. 과거에는 영혼의 영역이라 여겨졌던 생각과 감정조차 뇌 속 신경세포들의 복잡한 신호 전달 과정으로 이해하려는 시도가 이어지고 있습니다. 뇌 회로를 정밀하게 매핑하는 프로젝트는 인간의 사고 체계가 어떻게 작동하는지 과학적 기반 위에서 규명하고자 합니다. 비록 정신의 모든 비밀을 풀기에는 아직 갈 길이 멀지만, 인지 과학의 발전은 인간에 대한 이해를 새로운 차원으로 끌어올리고 있습니다. 영화 속 아이언맨처럼 새로운 원소를 창조하는 것은 물리 법칙상 매우 어려운 일이지만, 분자의 세계는 여전히 무궁무진한 가능성을 품고 있습니다. 인류는 지난 수십 년간 수천만 개의 새로운 분자를 합성하며 물질의 진화를 이끌어 왔습니다. 과거에 절대 불가능하다고 믿었던 광학적 한계들이 기술의 발전으로 깨졌듯이, 오늘의 과학적 상식 또한 내일의 새로운 발견에 의해 뒤바뀔 수 있습니다. 과학은 고정된 정답을 찾는 과정이 아니라, 끊임없이 질문하며 한계를 극복해 나가는 여정입니다.

김성근, 심상희

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물리학
화학