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유기화합물에도 MBTI가 있다고?

처음 만나는 사람과 MBTI를 공유하며 서로의 성향을 파악하듯, 유기 화합물의 세계에도 이와 유사한 개념이 존재합니다. 바로 유기 화합물의 화학적 성격을 결정짓는 '작용기'입니다. 작용기는 화합물 내에서 특정한 화학 반응을 일으키는 원자 그룹이나 치환기를 의미하며, 분자의 크기나 전체적인 골격 구조와 관계없이 해당 물질에 고유한 성질을 부여합니다. 같은 작용기를 가진 화합물들은 서로 유사한 화학적 반응을 보이기에, 작용기는 유기 화학에서 분자를 분류하고 이해하는 가장 핵심적인 기준이 됩니다. 작용기는 화합물의 반응성뿐만 아니라 용해도나 극성, 녹는점과 끓는점 같은 물리적 특성에도 결정적인 영향을 미칩니다. 예를 들어 하이드록시기를 포함하는 화합물은 분자 간 수소 결합을 형성할 수 있어 상대적으로 높은 끓는점을 나타냅니다. 또한 작용기 간의 상호작용을 통해 새로운 물질이 탄생하기도 합니다. 카복실기를 가진 화합물이 하이드록시기와 반응하여 향기로운 에스터 분자를 합성하는 과정이 대표적입니다. 이처럼 작용기의 특성을 파악하는 것은 유기 화학의 복잡한 메커니즘을 이해하는 첫걸음입니다. 우리 주변의 일상적인 물질들 속에서도 다양한 작용기를 쉽게 찾아볼 수 있습니다. 손 세정제나 주류에 포함된 에탄올은 하이드록시기를 가진 알코올류의 대표적인 예시입니다. 생선의 비린내를 유발하는 트라이메틸아민은 아미노기를 포함하고 있으며, 시나몬의 독특한 향을 내는 신남알데하이드는 카보닐기를 가진 알데하이드 물질로 분류됩니다. 또한 식초의 신맛을 내는 아세트산은 카복실기를 작용기로 가지며, 우리가 즐겨 먹는 과일들의 달콤한 향기는 에스터기를 가진 유기 화합물에서 비롯되는 현상입니다. 하나의 유기 화합물이 반드시 하나의 작용기만 가지는 것은 아닙니다. 운동 후 근육통을 유발하는 젖산은 카복실기와 하이드록시기를 동시에 가지고 있으며, 생명의 기본 단위인 단백질을 구성하는 아미노산 역시 아미노기와 카복실기를 모두 포함합니다. 이러한 복합적인 구조는 우리 몸이라는 거대한 화학 공장에서 정교한 대사 반응이 일어나도록 돕습니다. 예를 들어 간에서 에탄올이 아세트알데하이드를 거쳐 아세트산으로 변하는 과정은 작용기의 변화를 통해 독성을 조절하고 에너지를 처리하는 생체 반응의 단면을 보여줍니다. 화학자들은 이러한 작용기의 고유한 성질을 이용해 원하는 화학 반응을 유도하거나 반응 경로를 정교하게 예측합니다. 전자가 부족한 카보닐기와 전자가 풍부한 아미노기의 반응을 예측하여 신약을 합성하거나, 합성 섬유와 세제 같은 생활용품을 만들어내는 것이 모두 작용기 원리를 응용한 결과입니다. 결국 작용기를 이해하는 것은 단순히 화학 지식을 습득하는 것을 넘어, 우리 삶을 풍요롭게 만드는 첨단 산업과 신약 개발의 기초를 다지는 일입니다. 작용기는 유기 화학의 세계를 탐험하는 가장 강력한 나침반이라 할 수 있습니다.

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화학

[인터뷰] 황윤정_탄소 중립을 실현하는 고체 촉매 연구｜제31회 서울대 자연과학 공개강연_"세상을 바꾼 과학, 과학이 여는 미래"

산업 혁명 이후 인류는 탄소를 기반으로 한 에너지를 사용하여 비약적인 발전을 이루었습니다. 대량 생산 체제가 구축되면서 인류의 생활 방식은 근본적으로 변화했고, 우리가 현재 누리고 있는 모든 편리한 기술과 화학 제품들은 탄소 기반 에너지로부터 시작되었다고 해도 과언이 아닙니다. 하지만 이러한 발전의 이면에는 이산화탄소 배출량 증가라는 부작용이 뒤따랐습니다. 공기 중 이산화탄소 농도가 높아지며 발생한 온실 효과는 지구 온난화와 기후 변화라는 인류 공동의 과제를 안겨주었으며, 이제 과학자들은 이를 해결하기 위한 적극적인 연구에 매진하고 있습니다. 이산화탄소를 다시 유용한 자원으로 되돌리기 위해서는 화학 결합을 끊고 새로운 결합을 형성하는 과정이 필요합니다. 이 과정에서 투입되는 에너지를 낮추어 반응을 효율적으로 만드는 핵심 소재가 바로 촉매입니다. 특히 전기화학적 전환 기술을 활용하면 필요한 전력 소모를 획기적으로 줄이면서도 짧은 시간 안에 더 많은 화합물을 생산할 수 있습니다. 이는 자연 상태에서 수백만 년이 걸리는 탄소 순환 과정을 실험실과 산업 현장에서 실시간으로 구현하는 기술로, 탄소 중립 실현을 위한 가장 중요한 과학적 도구 중 하나로 평가받고 있습니다. 전기화학적 전환 기술을 통해 이산화탄소는 일산화탄소, 에틸렌, 에탄올과 같은 고부가가치 화합물로 재탄생합니다. 일산화탄소는 플라스틱이나 각종 연료를 합성하는 필수적인 산업 원료로 쓰이며, 에틸렌은 중합 과정을 거쳐 우리 일상에서 흔히 볼 수 있는 폴리에틸렌 제품의 기초가 됩니다. 또한 용매나 청정 연료로 활용되는 에탄올 역시 이 과정을 통해 얻을 수 있습니다. 이러한 기술적 진보는 단순히 오염 물질을 처리하는 수준을 넘어, 버려지는 탄소를 지속 가능한 자원으로 탈바꿈시켜 새로운 경제적 가치를 창출하는 데 기여합니다. 기초 과학 연구는 종종 실험실 안의 탐구에 머무는 것처럼 보이지만, 생각보다 훨씬 빠르게 세상을 바꾸는 동력이 됩니다. 2023년 노벨 화학상을 받은 양자점 연구가 대표적인 사례입니다. 입자의 크기에 따라 다른 색을 내는 이 나노 소재는 초기 연구 단계를 지나 오늘날 디스플레이와 의료 분야 등에서 널리 상용화되었습니다. 이처럼 새로운 물질을 합성하고 그 특성을 밝혀내는 과정은 인류가 이전에는 경험하지 못했던 기술적 진보를 가능하게 합니다. 과학적 발견이 산업화로 이어지는 속도는 점차 빨라지고 있으며, 이는 곧 우리가 마주하는 미래의 모습이 됩니다. 미래의 과학 기술은 단순히 편리함을 추구하는 것을 넘어 지속 가능한 사회를 만드는 데 책임을 다해야 합니다. 이를 위해 미래를 꿈꾸는 학생들은 과학적 지식뿐만 아니라 자신의 논리를 타인과 공유하고 소통하는 능력을 갖추어야 합니다. 글쓰기와 예술적 감각은 자신의 연구를 효과적으로 전달하고 창의적인 사고를 확장하는 데 필수적인 요소입니다. 이과와 문과라는 이분법적 사고에서 벗어나 다양한 분야를 경험하고 융합할 때, 비로소 인류가 직면한 복합적인 문제들을 해결하고 세상을 긍정적으로 변화시키는 진정한 과학자로 성장할 수 있습니다.

황윤정

카오스재단서울대자연과학공개강연

화학

[인터뷰] 송충의_과학자는 질문으로 농사짓는 사람

화학의 세계에서 분자를 합성하는 과정은 우리 실생활 전반에 걸쳐 매우 중요한 역할을 수행합니다. 인류는 오랫동안 자연계의 원리를 모방하거나 특정 원소를 활용해 화학 반응을 조절해 왔지만, 최근에는 기존의 틀을 깨는 새로운 촉매 기술이 등장하여 학계의 주목을 받고 있습니다. 이 새로운 기술은 복잡한 실험 장치나 막대한 비용 없이도 효율적인 분자 합성을 가능하게 하여 기초 과학 연구의 패러다임을 바꾸고 있으며, 화학자들이 분자 구조를 더욱 자유롭게 설계할 수 있는 새로운 가능성을 열어주었습니다. 새로운 촉매의 발견은 단순히 실험 기법의 변화를 넘어, 우리가 원하는 성질의 분자를 만드는 제3의 고속도로를 건설한 것과 같습니다. 지금까지 인류는 특정 구조의 분자를 생성하기 위해 제한적인 방법론에 의존해 왔지만, 유기 촉매는 물리적, 화학적, 의학적 성질을 정밀하게 설계할 수 있는 새로운 선택지를 제공합니다. 이는 마치 목적지로 가는 기존의 두 갈래 길 외에 훨씬 빠르고 효율적인 새로운 경로를 발견한 것과 같으며, 화학자들이 분자 구조를 더욱 자유롭게 설계할 수 있는 토대가 됩니다. 한국의 과학 기술이 세계적인 수준으로 도약하기 위해서는 창의적인 발상과 이를 뒷받침하는 전폭적인 지원 시스템이 필수적입니다. 과거 콜럼버스가 신항로를 개척할 때 이사벨라 여왕의 지원이 있었기에 아메리카 대륙 발견이 가능했듯, 과학자의 무모해 보이는 도전에도 믿음을 주는 사회적 분위기가 필요합니다. 또한, 단순히 새로운 발견에 그치지 않고 많은 연구자가 그 길을 따라가며 연구의 즐거움을 공유할 때 비로소 노벨상과 같은 세계적인 성과가 탄생할 수 있습니다. 현재 학계에서는 '카이랄 분자'의 자기 복제와 진화에 관한 심도 있는 연구가 진행되고 있습니다. 분자가 스스로를 복제하며 진화하는 과정을 탐구하는 것은 지구가 탄생한 초기 단계에서 생명체가 어떻게 태동했는지에 대한 시나리오를 그리는 작업입니다. 아직 명확하게 밝혀지지 않은 생명 탄생의 초기 단계를 과학적 가설로 증명해 나가는 과정은 매우 도전적인 과제입니다. 이러한 연구는 분자 수준에서의 진화를 이해함으로써 생명의 근원에 한 발짝 더 다가가는 중요한 이정표가 될 것입니다. 과학자의 본질적인 역할은 단순히 지식을 습득하는 것이 아니라, 인류를 위한 '질문'을 심고 가꾸는 농부가 되는 것입니다. 농부가 씨앗을 뿌려 가을에 풍성한 수확을 거두어 사람들을 배부르게 하듯, 과학자는 엉뚱해 보일지라도 가치 있는 질문을 던짐으로써 인류의 발전에 기여해야 합니다. 좋은 질문은 그 자체로 새로운 연구의 씨앗이 되며, 이를 통해 얻은 해답은 세상을 변화시키는 힘을 가집니다. 끊임없이 질문을 농사짓는 자세야말로 미래의 과학자들이 지향해야 할 진정한 모습입니다.

송충의

카오스재단석학인터뷰

화학

[강연] 어떻게 세계적인 연구를 할까? by 현택환 ㅣ기초과학연구원(IBS) x 카오스재단 기초과학 석학 강연 '새로운 발견을 위한 과학' | 2강

나노기술은 현대 과학의 한계를 극복하는 결정적인 '도우미' 역할을 수행합니다. 21세기의 핵심 기반 기술인 나노기술은 우리 일상에 이미 깊숙이 들어와 있습니다. 삼성전자의 퀀텀닷 TV는 반도체 나노입자인 양자점을 기초로 하며, 우리가 접한 mRNA 백신 역시 지질 나노입자 기술이 없었다면 불가능했을 결과물입니다. 이처럼 나노기술은 보이지 않는 작은 세계에서 시작되어 인류의 건강과 기술적 진보를 이끄는 거대한 변화를 만들어내고 있습니다. 나노입자 연구에서 가장 중요한 과제 중 하나는 입자의 크기를 균일하게 만드는 것입니다. 나노 크기에서는 입자의 크기가 작아짐에 따라 에너지 상태가 변하는 독특한 성질이 나타나기 때문입니다. 예를 들어 반도체 나노입자는 크기에 따라 방출하는 빛의 색깔이 달라지는데, 입자들이 제각각이면 선명한 색을 얻을 수 없습니다. 따라서 나노입자를 똑같은 크기로 정밀하게 합성하는 기술은 고성능 디스플레이나 정밀 의료 기기 구현을 위한 필수적인 토대가 됩니다. 과거에는 균일한 나노입자를 얻기 위해 뜨거운 용매에 반응물을 주입하는 방식을 사용했으나, 이는 대량 생산에 한계가 있었습니다. 이를 해결하기 위해 개발된 '승온법(Heat-up process)'은 상온에서부터 서서히 온도를 올려 입자를 합성하는 혁신적인 방법입니다. 이 공정은 별도의 분리 과정 없이도 균일한 입자를 대량으로 찍어낼 수 있게 해주었습니다. 이러한 연구 성과는 전 세계 실험실의 표준 레시피가 되었으며, 대한민국 나노 연구가 세계 정상급 수준으로 도약하는 계기가 되었습니다. 세계적인 연구 성과를 내기 위해서는 기존 연구의 흐름을 파악하고 아직 해결되지 않은 핵심 이슈를 찾아내는 통찰력이 필요합니다. 새로운 아이디어는 무(無)에서 창조되는 것이 아니라, 최신 논문들을 깊이 있게 읽으며 타인의 기발한 생각을 자신의 연구에 적용해보는 과정에서 탄생합니다. 또한 떠오르는 영감을 즉시 기록하는 습관은 매우 중요합니다. 찰나의 아이디어를 놓치지 않고 메모하며 고민을 거듭하는 태도가 과학적 발견의 시작점이 되기 때문입니다. 과학자의 길은 항상 탄탄대로일 수 없으며, 때로는 수년간 결과가 나오지 않는 시련의 시기를 겪기도 합니다. 하지만 대나무가 마디를 만들며 튼튼하게 자라듯, 연구에서의 실패와 고통은 과학자를 더욱 단단하게 만드는 자양분이 됩니다. 극심한 슬럼프 속에서도 포기하지 않고 도서관에서 수많은 자료를 뒤적이며 해답을 찾으려 노력했던 시간은 결국 새로운 물질을 발견하는 밑거름이 되었습니다. 시련을 극복하는 끈기야말로 위대한 발견을 향한 필수적인 과정이라 할 수 있습니다. 현대 과학은 한 명의 천재가 이끄는 시대를 지나, 다양한 분야의 전문가들이 협력하는 융합의 시대로 접어들었습니다. 복잡한 난제들을 해결하기 위해서는 생물학자, 화학자, 공학자들이 서로의 지식을 나누고 부대끼며 연구해야 합니다. 따라서 연구자에게는 뛰어난 실력 못지않게 타인을 배려하고 소통하는 인성이 요구됩니다. 함께 일하는 즐거움을 알고 동료와 시너지를 낼 수 있는 태도가 뒷받침될 때, 비로소 세상을 감동시킬 수 있는 진정한 의미의 세계적인 연구가 완성됩니다. 기초과학연구원(IBS)과 같은 연구 기관들은 세계적인 수준의 연구 환경을 제공하며 대한민국 과학의 미래를 밝히고 있습니다. 지난 10년간의 집중적인 투자를 통해 우리나라는 나노입자 분야에서 명실상부한 세계 1위의 경쟁력을 확보하게 되었습니다. 앞으로도 젊은 과학자들이 실패를 두려워하지 않고 새로운 영역에 도전할 수 있는 토양이 지속적으로 마련되어야 합니다. 이러한 노력이 결실을 맺을 때, 우리 곁에서 노벨상 수상자에 버금가는 위대한 과학자들이 계속해서 배출될 것입니다.

현택환

카오스재단카오스크로스

화학
융합

[강연] 비대칭 유기촉매반응, 촉매연구의 신대륙을 발견하다! by 송충의 ㅣ고등과학원(KIAS) x 카오스재단 2021 '노벨상 해설강연' | 4강

2021년 노벨 화학상은 유기 합성 화학 분야의 두 거장, 벤야민 리스트와 데이비드 맥밀런에게 돌아갔습니다. 유기 합성 화학은 마치 레고 블록을 조립하듯 원자들을 연결하여 세상에 없던 새로운 분자를 만들어내는 학문입니다. 이들은 탄소, 수소, 산소, 질소와 같은 흔한 원소들만으로 구성된 '유기 촉매'를 이용해 복잡한 분자를 정교하게 합성할 수 있는 길을 열었습니다. 이는 기존의 금속 촉매나 효소에 의존하던 화학계에 커다란 혁신을 불러일으켰으며, 인류가 필요한 화합물을 더욱 효율적이고 친환경적으로 생산할 수 있는 토대를 마련했습니다. 화학에서 가장 중요한 개념 중 하나는 '키랄성'입니다. 이는 오른손과 왼손이 서로 거울에 비친 모습과 같지만 결코 완전히 겹쳐질 수 없는 성질을 의미합니다. 분자 세계에서도 구성 원소와 결합 순서는 같지만 공간적 배향이 다른 '거울상 이성질체'가 존재합니다. 우리 몸을 구성하는 아미노산이나 당분은 단 한 종류의 키랄성만을 가지고 있기 때문에, 몸속에 들어오는 분자의 방향성에 따라 전혀 다른 생물학적 반응을 보입니다. 따라서 의약품을 만들 때 우리가 원하는 특정 방향의 분자만을 선택적으로 합성하는 기술은 생명과 직결된 매우 중요한 과제입니다. 과거 화학계에는 촉매가 반드시 금속을 포함하거나 복잡한 효소 형태여야 한다는 일종의 고정관념이 존재했습니다. 1912년 금속 촉매 연구로 노벨상이 수여된 이후, 수많은 과학자는 더 좋은 금속 촉매를 개발하는 데 매진해 왔습니다. 하지만 2000년 벤야민 리스트와 맥밀런은 아주 단순한 아미노산인 프롤린이나 작은 유기 분자만으로도 금속 없이 비대칭 촉매 반응이 가능하다는 것을 증명했습니다. 이는 마치 콜럼버스가 신대륙을 발견한 것과 같이, 이미 존재하고 있었으나 누구도 주목하지 않았던 유기 촉매라는 거대한 영역을 과학의 중심으로 끌어올린 사건이었습니다. 유기 촉매는 기존의 금속 촉매나 효소가 가진 단점들을 보완할 수 있는 훌륭한 대안입니다. 효소는 반응성이 뛰어나지만 특정 기질에만 작용하고 다루기 까다로운 반면, 유기 촉매는 구조가 단순하면서도 다양한 반응에 적용할 수 있습니다. 또한 고가의 희귀 금속을 사용하지 않아 경제적이며, 금속 오염의 걱정이 없어 의약품이나 전자 재료 생산에 매우 유리합니다. 초기에는 유기 촉매의 반응성이 낮고 많은 양을 사용해야 한다는 한계가 지적되기도 했으나, 최근 연구를 통해 아주 적은 양으로도 수백만 배의 생성물을 얻을 수 있는 기술적 진보가 이루어졌습니다. 비대칭 유기 촉매 기술의 진가는 제약 산업에서 극명하게 드러납니다. 과거 '탈리도마이드' 사건은 거울상 이성질체 중 하나는 약이지만 다른 하나는 치명적인 독이 될 수 있음을 보여준 비극적인 사례였습니다. 오늘날에는 모든 의약품 허가 시 특정 이성질체만을 순수하게 분리하거나 합성해야 합니다. 여성 항암제인 탁솔이나 고지혈증 치료제 리피토와 같은 블록버스터급 의약품들은 모두 이러한 비대칭 합성 기술을 통해 생산됩니다. 유기 촉매는 이처럼 복잡한 구조의 약물을 저렴하고 안전하게 대량 생산할 수 있게 함으로써 인류의 건강 증진에 기여하고 있습니다. 최근 전 세계를 위협한 코로나19의 치료제 개발 과정에서도 비대칭 합성 기술은 핵심적인 역할을 수행했습니다. 먹는 코로나 치료제로 알려진 팍스로비드와 같은 약물은 수십 개의 거울상 이성질체가 존재할 수 있는 복잡한 구조를 가집니다. 만약 이들이 뒤섞인 채로 체내에 들어간다면 예상치 못한 부작용을 초래할 수 있습니다. 합성 화학자들은 비대칭 촉매를 활용해 수많은 가능성 중 치료 효과가 있는 단 하나의 분자만을 정교하게 골라내어 합성합니다. 이는 단순한 화학 실험을 넘어, 질병과의 싸움에서 인류가 승리할 수 있게 돕는 강력한 무기가 됩니다. 유기 촉매의 발견은 화학 연구의 지평을 넓혔을 뿐만 아니라 젊은 과학자들에게 새로운 영감을 주었습니다. 벤야민 리스트와 맥밀런이 서른 초반의 젊은 나이에 혁신적인 논문을 발표하고 이를 전폭적으로 지원받아 연구를 이어간 사례는 과학계의 중요한 귀감이 됩니다. 이제 화학자들은 금속과 효소라는 기존의 경로 외에 '유기 촉매'라는 제3의 고속도로를 갖게 되었습니다. 앞으로 빛을 이용한 광촉매 반응 등 더욱 진보된 기술들이 결합한다면, 인류는 자연이 분자를 만드는 방식을 더욱 완벽하게 모방하고 통제하며 지속 가능한 미래를 설계해 나갈 수 있을 것입니다.

송충의

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

화학

[연구뭐하지] 박승범 교수_서울대학교 '화학생물학 연구실' | 화학부에서 분자생물학 연구를? 그래서 더 다채로운 바이오 연구를 할 수 있는 곳!

생명 현상은 신비롭고 복잡하지만, 그 본질을 들여다보면 단백질, DNA, RNA와 같은 분자들의 정교한 상호작용으로 이루어져 있습니다. 화학생물학은 이러한 분자 수준에서의 화학적 상호작용을 이해하고 조절함으로써 생명의 비밀을 풀어나가는 학문입니다. 서울대학교 화학부 화학생물학 연구실은 이러한 기초적인 이해를 바탕으로 질병을 치료할 수 있는 새로운 치료제를 개발하는 데 매진하고 있습니다. 분자 수준의 통찰력은 복잡한 생명 현상을 명확하게 규명하는 강력한 도구가 됩니다. 연구실에서는 유기화학적 지식을 기반으로 인체의 신비를 탐구하며, 특히 다양한 질병 모델을 활용한 표현형 기반 스크리닝을 진행합니다. 발굴된 화합물이 어떤 단백질을 표적으로 삼는지, 그리고 어떤 생리적 기전을 통해 치료 효과를 나타내는지 파악하기 위해 TS-FITGE와 같은 독창적인 연구 기법을 활용합니다. 이는 단순히 물질을 발견하는 것에 그치지 않고, 그 물질이 생체 내에서 작용하는 구체적인 경로를 과학적으로 입증하여 신약 개발의 가능성을 높이는 중요한 과정입니다. 이곳의 유기합성 연구는 일반적인 유기화학과는 차별화된 지향점을 가집니다. 단순히 새로운 반응론을 개발하는 것에 머물지 않고, 그 반응이 생물학적으로 어떤 의미를 갖는지 끊임없이 자문합니다. 생물학적 활성이 기대되는 구조를 설계하여 합성하거나, 생명 현상을 실시간으로 관측할 수 있는 형광 분자를 제작하는 등 모든 합성 과정의 중심에는 생물학적 가치가 자리 잡고 있습니다. '왜 이 물질을 만드는가'에 대한 확고한 해답은 연구자들에게 강력한 동기를 부여하며 질병 치료라는 목표를 향해 나아가게 합니다. 연구의 효율성을 극대화하기 위한 아낌없는 지원과 최첨단 시설은 이 연구실의 큰 자랑입니다. 유기합성부터 바이오 실험까지 모든 단계를 한곳에서 마무리할 수 있도록 국내 최고 수준의 장비와 리소스를 갖추고 있습니다. 특히 연구자의 시간을 소중히 여기는 철학에 따라, 학생들이 연구에만 몰두할 수 있는 환경을 조성하는 데 지원을 아끼지 않습니다. 이러한 인프라는 학생들이 각자의 프로젝트를 독립적이면서도 전문적으로 수행할 수 있게 돕는 든든한 밑거름이 되어 줍니다. 다양한 전공 배경을 가진 인재들이 모여 협력하는 문화는 연구실을 더욱 풍요롭게 만듭니다. 교수님은 자신을 정원사에 비유하며, 학생들이 각자의 재능과 관심에 따라 스스로 성장할 수 있도록 돕는 조력자 역할을 자처합니다. 획일적인 방향을 강요하기보다 각자의 나무가 가장 예쁜 꽃을 피울 수 있도록 적절한 가지치기와 지원을 제공하는 것입니다. 미래의 유망한 분야를 쫓기보다 자신이 진정으로 좋아하는 것이 무엇인지 깨닫고 이를 깊이 있게 탐구할 때, 연구자로서의 진정한 성장이 시작됩니다.

박승범

카오스재단연구뭐하지

화학
생명과학

[연구뭐하지] 양범정 교수_서울대학교 '위상물리이론연구실' | 위상 물질 연구로 우주의 구성을 알아보아요

서울대학교 위상물리이론연구실은 고체 물질의 물성을 연구함으로써 우주의 근본 원리를 탐구하는 곳입니다. 이곳의 주된 연구 주제인 위상 물질은 그 성질을 결정하는 근본 입자들이 우주 공간에 존재하는 입자들과 유사한 특성을 지니고 있습니다. 연구진은 고체 내의 입자 거동을 분석하여 우주를 구성하는 입자들의 성질을 규명하고자 노력합니다. 이는 거대한 우주의 신비를 작은 고체 물질이라는 매개체를 통해 실험실 안에서 확인하려는 독특하고도 매력적인 접근 방식이라 할 수 있습니다. 연구실에서는 응집물질물리학 이론 전반을 다루며, 특히 위상적 성질을 가진 물질에 깊은 관심을 두고 있습니다. 최근에는 위상 반금속뿐만 아니라 위상 초전도체에 관한 연구가 활발히 진행 중입니다. 어떤 환경에서 이러한 초전도 현상이 가장 안정적으로 나타나는지, 그리고 그 물질이 가진 고유한 위상적 성질을 어떠한 방식으로 관측할 수 있는지가 주요 연구 과제입니다. 이론적 가설을 세우고 이를 증명하기 위한 정교한 접근이 이 연구의 핵심을 이룹니다. 이곳의 연구 문화는 매우 수평적이고 자유로운 분위기를 자랑합니다. 구성원들이 각자 상이한 세부 주제를 연구하고 있음에도 불구하고, 서로의 연구에 대해 자연스럽게 토론하고 의견을 나누는 문화가 정착되어 있습니다. 새로운 분야를 공부할 때 동료들과의 지적 교류는 큰 힘이 되며, 이는 연구실 내의 활발한 토론 문화를 활성화하는 계기가 됩니다. 또한, 퇴근 후 배드민턴과 같은 운동을 함께 즐기며 체력을 기르고 유대감을 쌓는 등 일과 삶의 균형을 중시하는 모습도 인상적입니다. 대학원 과정은 스스로 문제를 설정하고 해결책을 찾아가는 고독하고도 치열한 과정입니다. 따라서 지적인 자신감과 더불어 새로운 문제에 도전하려는 강한 의지가 필요합니다. 연구는 단거리 경주가 아닌 장기전이기에, 공부에만 매몰되기보다는 운동과 같은 취미를 통해 건강한 체력을 유지하는 것이 중요합니다. 창의적인 아이디어를 가지고 문제를 함께 고민할 준비가 된 학생들에게 이곳은 열려 있습니다. 단순한 지식 습득을 넘어 자신만의 연구 분야에서 전문가로 성장하려는 태도가 무엇보다 강조됩니다. 고체물리학의 가장 큰 매력은 이론과 실험의 조화를 직접 확인할 수 있다는 점에 있습니다. 위상 물질을 구성하는 저에너지 근본 입자들은 여러 형태의 새로운 페르미온으로 이루어져 있는데, 이는 우주 공간에 존재하는 입자들과 그 궤를 같이합니다. 우주 공간의 입자들은 실험적 검증이 매우 어렵지만, 고체 내의 페르미온은 실험실에서의 측정을 통해 그 물성을 직접 관찰할 수 있습니다. 이러한 접근성은 기초 과학의 근본적인 질문에 대한 답을 보다 명확하고 구체적으로 제시해 주는 중요한 통로가 됩니다.

양범정

카오스재단연구뭐하지

물리학

[연구뭐하지] 김기훈 교수_서울대학교 '첨단복합물질상태 연구실' | 극한 물리 조건 속 물질의 현상을 이해하다!

극한 조건 물리 연구는 일상에서 접하기 힘든 물리적 환경에서 물질이 어떻게 거동하는지를 탐구하는 학문입니다. 원자가 규칙적으로 배열된 고체를 대상으로 초고자기장이나 초고압, 그리고 절대영도에 가까운 극저온 상태를 인위적으로 조성하여 그 속에서 나타나는 새로운 물성을 근본적으로 이해하고자 노력합니다. 이러한 연구는 물질의 본질적인 특성을 파악하고 인류가 아직 도달하지 못한 물리적 영역을 개척하는 데 중요한 의미를 지닙니다. 특히 복합적인 원소들로 이루어진 신물질을 직접 합성하고 그 변화를 관찰하는 과정은 현대 물리학의 지평을 넓히는 핵심적인 작업이라 할 수 있습니다. 연구의 시작은 세상에 없던 신물질을 합성하는 것에서부터 출발합니다. 최소 3개에서 5개에 이르는 다양한 원소들을 조합하여 신물질을 만들어내고, 이를 단결정이나 다결정, 혹은 얇은 박막 형태로 성장시킵니다. 이렇게 탄생한 시료들에 극저온과 초고압, 초고자기장이라는 극한의 조건을 가했을 때 일어나는 현상을 종합적으로 측정합니다. 이는 단순히 이론적인 예측을 넘어 실제 물질이 보여주는 경이로운 변화를 직접 확인하고 데이터로 증명해내는 도전적인 과정입니다. 연구자들은 이러한 과정을 통해 물질의 숨겨진 원리를 하나씩 밝혀나갑니다. 초전도체나 자성 연구를 수행하기 위해서는 온도를 2~4 켈빈 수준의 극저온으로 낮추는 기술이 필수적입니다. 이를 위해 액체 헬륨이 사용되는데, 비용 문제로 인해 일반적인 연구 환경에서는 접근이 쉽지 않은 경우가 많습니다. 하지만 체계적인 인프라가 갖춰진 연구실에서는 액체 헬륨 수급에 대한 걱정 없이 실험에 몰입할 수 있는 환경을 제공합니다. 안정적인 저온실 운영은 연구자들이 물리적 한계에 도전하며 다양한 실험적 시도를 마음껏 펼칠 수 있게 하는 든든한 기반이 됩니다. 이러한 인프라는 연구의 질을 높이고 실험의 연속성을 보장하는 핵심 자산입니다. 연구의 무대는 국내에만 국한되지 않고 전 세계로 확장됩니다. 특히 초고자기장 실험의 경우 미국 탈라하시에 위치한 국립 고자기장 연구소와 같은 세계적인 기관과 협력하여 수행되기도 합니다. 학생들은 해외 출장을 통해 글로벌 연구 트렌드를 익히고 국제 학회에 참여하며 시야를 넓힐 기회를 얻습니다. 또한 장기적인 연구를 위해 체력 관리와 어학 공부를 지원하는 등 연구자의 성장을 돕는 복지 체계는 학생들이 연구에 전념하면서도 균형 잡힌 생활을 유지할 수 있도록 돕는 중요한 요소입니다. 이는 학계에서 글로벌한 역량을 발휘할 수 있는 밑거름이 됩니다. 극한 조건 물리 연구실을 상징하는 키워드는 '수제 맥주와 운동화'입니다. 이는 직접 무언가를 만들어내는 즐거움과 미지의 영역을 향해 끊임없이 발을 내딛는 탐험 정신을 의미합니다. 우주 전체를 놓고 보았을 때 지구 밖의 수많은 물질은 이미 극한의 조건 속에 놓여 있으며, 이를 연구하는 것은 인류가 아직 가보지 못한 영역에 발자국을 남기는 일과 같습니다. 창의적인 노력과 진취적인 자세를 가진 연구자들에게 이 분야는 무궁무진한 가능성이 열려 있는 도전의 장이 될 것입니다. 새로운 발견을 향한 열정은 곧 인류 지식의 경계를 확장하는 원동력이 됩니다.

김기훈

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물리학

[과학자가 쓴 과학책#12] 백신에 와인까지 만들어내는 합성 생물학! 합성 생물학은 인간에게 유토피아를 가져다줄까? | 송기원의 포스트 게놈시대 | KAOS X 공원생활 특집

현대 기술은 우리가 세상을 바라보는 틀을 근본적으로 변화시킵니다. 특히 지난 수십 년간 비약적으로 발전한 생명과학은 인간을 조물주의 피조물에서 생명체를 직접 디자인하고 변형할 수 있는 주체로 격상시켰습니다. 90년대 공상과학 영화인 '가타카'나 '쥐라기 공원'에서 묘사되었던 유전체 교정과 멸종 생물의 복원은 이제 더 이상 상상이 아닌 현실의 영역으로 들어왔습니다. 우리는 이제 생명이 무엇인지에 대한 근본적인 질문을 던지며, 유전 정보를 자유롭게 편집할 수 있는 '유전체 교정'이라는 새로운 시대를 맞이하고 있습니다. 이러한 변화를 가능하게 만든 핵심 기술로는 합성 생물학, 유전자 가위, 그리고 줄기세포 기술을 꼽을 수 있습니다. 인류는 과거 정착 생활을 시작한 이래 교배를 통해 동식물을 변형해 왔으나, 1970년대 DNA 재조합 기술의 등장은 종의 경계를 넘어 인위적으로 유전 정보를 교환하는 혁명을 일으켰습니다. 21세기 들어 인간 유전체 계획이 완료되면서 우리는 생명체의 설계도를 읽어내는 수준을 넘어, 원하는 기능을 수행하는 생명체나 모듈을 인위적으로 조합하고 재구성하려는 시도를 본격화하고 있습니다. 합성 생물학은 생명 현상을 순수 학문의 대상이 아닌 공학적인 관점에서 접근합니다. DNA를 소프트웨어로, 단백질을 하드웨어로 간주하며 생명체를 특정 목적을 수행하는 효율적인 공장이나 기계로 인식하는 것입니다. 이를 위해 유전자 부품의 표준화와 조립 과정의 자동화가 진행되고 있으며, 이는 더 다양한 생명체를 쉽게 설계하고 보급할 수 있는 기반이 됩니다. 과학자들은 '만들 수 없는 것은 이해하지 못한 것'이라는 신념 아래 생명의 작동 원리를 규명하고 인류가 직면한 식량, 의료, 환경 문제를 해결하고자 합니다. 생명과학의 도전은 기존 지구 생명체의 범주를 넘어섭니다. 과학자들은 자연계에 존재하지 않는 새로운 화합물로 작동하는 생명체를 디자인하여 통제 가능성을 높이거나, NASA의 테라포밍 프로젝트처럼 외계 행성 환경에 적합한 생태계를 조성하려는 꿈을 꾸고 있습니다. 이미 2010년에는 화학적으로 합성된 유전자로 작동하는 세균이 탄생했으며, 최근에는 효모의 복잡한 염색체를 단순화하여 통합하는 실험에도 성공했습니다. 이는 우리가 유전 정보를 읽는 단계를 지나 직접 써 내려가는 '라이트(Write)' 단계에 도달했음을 의미합니다. 하지만 이러한 기술적 진보는 유토피아만을 약속하지 않습니다. 합성 생물학은 진입 장벽이 낮아 누구나 쉽게 접근할 수 있는 만큼, 생물 무기 제조와 같은 위험한 목적으로 악용될 소지가 다분한 양날의 칼과 같습니다. 유전자 가위 기술의 대중화는 생명체 디자인의 속도를 더욱 가속화하고 있으며, 이는 우리에게 무거운 윤리적 책임을 요구합니다. 시인 예이츠가 말했듯 꿈에서 책임이 시작된다면, 생명을 설계하려는 인간의 꿈 역시 그에 걸맞은 깊은 성찰과 사회적 합의가 동반되어야 할 것입니다.

송기원

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생명과학

[강연] 분자세계 게임의 법칙을 찾아서 _ by석차옥｜2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 9강 | 9강 ①

단백질은 생명 현상을 유지하는 핵심적인 분자로, 20가지 아미노산이 특정 순서로 연결되어 고유한 입체 구조를 형성합니다. 이 과정에서 물을 좋아하는 친수성 아미노산은 표면으로, 물을 싫어하는 소수성 아미노산은 안쪽으로 모이려는 성질이 작용합니다. 아미노산 서열에 담긴 정보가 복잡한 물리적 상호작용을 거쳐 하나의 안정한 구조로 접히는 현상을 단백질 폴딩이라 부르며, 이는 생명체의 기능을 결정하는 가장 기초적인 설계도와 같습니다. 이러한 구조적 안정성은 생명체가 환경에 적응하고 고유의 생리적 기능을 수행하는 데 필수적인 토대가 됩니다. 단백질의 구조를 이해하는 것은 생명 과학과 의학의 발전에 필수적입니다. 산소를 운반하는 마이오글로빈이나 에너지를 합성하는 단백질의 기작은 모두 그 형태에서 비롯됩니다. 특히 암 치료제인 글리벡이나 독감 치료제 타미플루처럼 특정 단백질의 기능을 조절하는 의약품 개발은 정밀한 구조 정보가 뒷받침되어야 가능합니다. 세포 밖의 신호를 내부로 전달하는 단백질군인 GPCR 연구가 수많은 노벨상을 배출한 이유도 바로 이러한 구조적 중요성 때문입니다. 구조를 아는 것은 곧 생명의 작동 원리를 파악하는 것과 같습니다. 전통적으로 단백질 구조는 X선 결정학이나 극저온 전자현미경과 같은 실험적 방법으로 밝혀왔습니다. 하지만 하나의 구조를 결정하는 데는 막대한 시간과 비용이 소요되며, 실험이 까다로운 경우도 많습니다. 반면 차세대 염기서열 해독 기술의 발달로 단백질의 아미노산 서열 정보는 기하급수적으로 늘어나고 있습니다. 이러한 실험적 구조 결정과 서열 정보 사이의 거대한 격차를 메우기 위해 컴퓨터를 이용한 단백질 구조 예측 기술이 현대 과학의 중요한 과제로 떠올랐습니다. 이는 실험의 한계를 극복하고 생명 정보의 활용도를 높이는 핵심 기술입니다. 단백질 구조 예측의 정확성을 겨루는 올림픽이라 불리는 CASP 대회는 2년마다 블라인드 테스트 방식으로 열립니다. 예측의 기본 원리는 열역학적으로 가장 안정한 상태를 찾는 것입니다. 아미노산 서열이 주어졌을 때 자유 에너지가 최소가 되는 지점을 찾아내는 과정은 바둑의 경우의 수보다 훨씬 복잡한 탐색을 요구합니다. 자연 법칙이라는 정답을 찾아가는 이 과정은 수많은 국소 최솟값들 사이에서 전역 최솟값을 발견해야 하는 고도의 계산 과학적 도전입니다. 정확한 에너지 함수를 정의하고 이를 효율적으로 탐색하는 것이 이 분야의 핵심적인 목표입니다. 최근 인공지능 기술의 도입은 단백질 구조 예측 분야에 혁명적인 변화를 가져왔습니다. 구글 딥마인드의 알파폴드는 방대한 서열 데이터에서 진화적으로 연관된 정보를 추출하고, 딥러닝을 통해 아미노산 사이의 거리를 정밀하게 예측하며 압도적인 성과를 거두었습니다. 이는 단순히 기존의 물리 법칙을 계산하는 것을 넘어, 데이터 속에 숨겨진 복잡한 패턴을 학습하여 정답에 접근하는 새로운 길을 제시한 것입니다. 인공지능은 이제 화학자가 자연의 비밀을 푸는 강력한 도구가 되었으며, 기존의 이론적 접근 방식과 결합하여 시너지를 내고 있습니다. 구조 예측을 넘어 새로운 기능을 가진 단백질을 직접 설계하는 연구도 활발히 진행 중입니다. 자연계에 존재하지 않는 서열을 조합하여 특정 구조를 유도함으로써 난치병 치료나 신소재 개발에 활용하려는 시도입니다. 또한 일반인들이 게임을 통해 단백질 구조를 찾는 '폴딧' 프로젝트처럼, 집단 지성과 컴퓨터 계산을 결합한 형태의 연구도 성과를 내고 있습니다. 이러한 노력은 단백질이 단순한 관찰의 대상이 아니라 인류가 목적에 맞게 설계하고 제어할 수 있는 영역임을 보여줍니다. 이는 생명 공학의 패러다임을 바꾸는 획기적인 변화의 시작입니다. 미래의 화학은 인공지능과 로봇 기술이 결합하여 실험과 계산이 유기적으로 연결되는 모습으로 진화할 것입니다. 인공지능이 반복적이고 방대한 계산 업무를 수행하면, 과학자는 더 창의적이고 근원적인 질문에 집중할 수 있는 환경이 조성됩니다. 화학은 이제 물리, 생물, 컴퓨터 공학 등 다양한 학문이 융합되는 중심지 역할을 하며 인류의 난제를 해결하는 데 기여할 것입니다. 다양한 분야의 지식을 멋지게 융합할 때 비로소 우리는 자연의 미스터리를 풀고 새로운 가치를 창출할 수 있습니다. 융합적 사고는 미래 과학을 이끄는 가장 강력한 힘이 될 것입니다.

석차옥, 이주용

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화학

[강연] 분자 관람 : 공학의 미학 _ by이동환｜2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 7강 | 7강 ①

화학은 단순히 반응식의 양쪽 숫자를 맞추는 학문이 아닙니다. 원자들이 모여 새로운 성질을 갖는 분자를 만들어내는 '분자 공학'의 영역에 가깝습니다. 여기서 공학이란 단순히 무언가를 만드는 기술을 넘어, 공간(空間)에 대한 깊은 탐구와 이해를 바탕으로 합니다. 보이지 않는 미시 세계에서 원자들이 어떤 위치에 놓이고 어떻게 연결되는지를 설계하는 과정은 마치 정교한 건축물을 짓는 것과 같습니다. 이러한 관점에서 화학은 물질의 정체성을 규정하는 공간의 학문이라 할 수 있습니다. 복잡해 보이는 분자 구조 속에는 의외로 단순한 규칙과 패턴이 숨어 있습니다. 네덜란드의 예술가 에셔의 작품이나 알함브라 궁전의 테셀레이션처럼, 기본 단위의 반복과 대칭을 통해 무한한 공간을 채워나가는 원리가 화학 세계에도 적용됩니다. 1억 개가 넘는 방대한 화학 물질 데이터베이스 속에서도 과학자들이 끊임없이 새로운 분자를 설계할 수 있는 이유는 이러한 대칭의 미학을 이해하고 활용하기 때문입니다. 복잡함은 결국 패턴을 읽어내는 눈을 통해 질서 정연한 아름다움으로 변모합니다. 분자의 세계를 이해하기 위해서는 2차원 평면을 넘어 3차원 공간의 대칭성을 파악해야 합니다. 점, 선, 면을 기준으로 물체를 회전시키거나 반사했을 때 전후가 구별되지 않는 상태를 대칭적이라고 합니다. 눈 결정의 육각형 구조에서 볼 수 있듯이, 자연은 고도의 규칙성을 통해 안정과 미학을 동시에 달성합니다. 화학자들은 이러한 대칭 요소를 수학적으로 분석하여 분자가 공간에서 어떻게 살아 움직이는지, 그리고 어떤 방향성을 가지고 상호작용하는지를 정밀하게 예측하고 설계합니다. 거울에 비친 모습과 실제 모습이 겹쳐지지 않는 '카이랄성'은 화학에서 매우 중요한 개념입니다. 왼손과 오른손처럼 구조는 같아 보이지만 공간적 배열이 다른 이 분자들은 우리 몸속에서 전혀 다르게 작용합니다. 어떤 분자는 달콤한 맛을 내지만 그 거울상 이성질체는 쓴맛을 내기도 하며, 때로는 치명적인 부작용을 일으키는 약물이 되기도 합니다. 우리 몸을 구성하는 DNA와 아미노산이 특정한 방향성을 갖기 때문에 발생하는 이러한 현상은 생명의 신비와 화학적 정교함이 만나는 지점입니다. 최근 화학계는 원자와 원자가 전자를 공유하는 전통적인 결합을 넘어, 고리와 고리가 기계적으로 얽힌 '기계적 결합'에 주목하고 있습니다. 분자 매듭이나 카테네인처럼 서로 빠져나올 수 없게 연결된 구조는 외부 신호에 따라 움직이는 분자 기계의 기초가 됩니다. 이는 화학 결합의 개념을 확장한 사고의 전환이며, 전자의 움직임을 제어하여 분자 수준에서 회전이나 직선 운동을 구현하는 혁신적인 시도입니다. 이러한 기계적 결합은 분자가 단순한 물질을 넘어 기능을 수행하는 도구가 될 수 있음을 보여줍니다. 복잡한 분자를 합성하는 과정은 목적지를 향해 거꾸로 길을 찾아가는 '역합성 분석'에서 시작됩니다. 최종 생성물을 만들기 위해 어떤 중간 단계가 필요한지, 가장 효율적이고 창의적인 경로는 무엇인지를 고민하는 과정은 고도의 논리적 사고를 요구합니다. 최근에는 인공지능이 방대한 데이터를 바탕으로 합성 경로를 제안하기도 하지만, 예상치 못한 실패 속에서 새로운 반응을 발견하고 원리를 깨닫는 것은 여전히 인간 화학자의 몫입니다. 합성은 단순한 제조가 아니라 문제를 해결하는 철학적 훈련이기도 합니다. 합성 화학의 거장 우드워드는 분자 합성을 단순한 기술이 아닌 '예술(Art)'의 경지로 끌어올렸습니다. 자연계에 존재하는 복잡한 비타민이나 엽록소를 실험실에서 재현하려는 노력은 물질이 부족해서가 아니라, 자연의 원리를 깊이 이해하고 인간의 창의성을 시험하기 위한 여정이었습니다. 화학자들은 보이지 않는 분자 세계의 건축가이자 예술가로서, 널리 인간을 이롭게 하고 생명의 신비를 밝히는 아름다운 구조물을 만들어갑니다. 결국 화학은 공간을 이해하고 생명을 따라 그리며 지식을 공유하는 학문입니다.

이동환, 이윤호

카오스재단카오스강연

화학

[강연] 분자사용설명서 (1) _ 김지환 교수 | 2017 겨울 카오스 마스터 클래스 2017 겨울 카오스 마스터클래스 '화학' | 1강

화학은 우리 일상 어디에나 존재하지만, 대중에게는 종종 위험하거나 난해한 학문으로 인식되곤 합니다. 많은 이들이 화학을 단순히 주기율표를 외우거나 실험실에서 물질을 섞는 요리와 같은 과정으로 생각하지만, 실제 화학자가 바라보는 세계는 훨씬 더 광범위하고 정교합니다. 화학은 단순히 유해물질을 다루는 학문이 아니라, 지구상의 모든 물질이 어떻게 구성되고 변하는지를 탐구하는 기초과학의 핵심입니다. 이러한 오해를 넘어 화학의 진정한 가치를 이해하는 것이 현대과학을 바라보는 첫걸음이 될 것입니다. 화학이 중요한 이유는 그것이 막대한 경제적 가치를 창출하는 첨단산업의 근간이기 때문입니다. 물리학이 하나의 방정식으로 세상을 정의하려 노력한다면, 화학은 수많은 분자가 얽힌 복잡한 시스템을 이해하기 위해 수만 개의 방정식을 동시에 풀어내는 과정을 거칩니다. 분자의 크기가 커질수록 물리 법칙만으로는 설명하기 어려운 영역이 나타나며, 화학자들은 이를 통해 새로운 물질의 특성을 규명합니다. 이는 기초과학으로서의 역할뿐만 아니라 인류의 삶을 풍요롭게 만드는 실용적인 해결책을 제시하는 과정이기도 합니다. 현대 화학 연구의 핵심은 '3M 원칙'이라 불리는 세 가지 원칙, 즉 합성(Make), 측정(Measure), 모델링(Model)으로 요약할 수 있습니다. 과거의 화학이 단순히 새로운 물질을 만들어내는 요리에 가까웠다면, 오늘날에는 만들어진 물질의 특성을 정밀하게 분석하고, 실험이 불가능한 영역은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이론적으로 예측합니다. 이러한 체계적인 접근 방식을 통해 화학자들은 보이지 않는 미시세계의 법칙을 현실의 기술로 구현해냅니다. 이는 단순한 실험을 넘어 논리적 추론과 첨단기술이 결합된 고도의 지적 활동입니다. 화학 연구의 대부분은 분자의 구조와 그에 따른 반응성을 탐구하는 데 집중되어 있습니다. 분자는 그 구조가 어떻게 생겼느냐에 따라 성질과 활동 방식이 결정되는데, 이를 '분자공학'의 관점에서 설계하고 조절하는 것이 핵심입니다. 예를 들어 신약개발 과정에서는 수만 개의 후보 물질 중 최적의 구조를 찾아내기 위해 15년 이상의 긴 시간을 투자하기도 합니다. 또한 디스플레이나 배터리 분야에서도 원하는 색상이나 효율을 얻기 위해 분자 구조를 미세하게 조정하며, 이러한 노력은 우리 삶을 바꾸는 혁신적인 제품들로 이어집니다. 분자가 형성되는 과정을 이해하기 위해서는 두 가지 핵심적인 물리 법칙인 쿨롱 법칙과 에너지 안정성 원리를 알아야 합니다. 양전하와 음전하가 서로 끌어당기는 힘은 원자와 분자를 결합시키는 근본적인 동력이 되며, 모든 물질은 에너지가 높은 불안정한 상태에서 에너지가 낮은 안정한 상태로 변하려는 성질을 가집니다. 화학자들은 이러한 자연의 섭리를 바탕으로 물질의 자발적인 변화를 예측하고 제어합니다. 복잡해 보이는 화학 반응의 이면에는 이처럼 단순하고 명쾌한 물리적 원리가 굳건히 자리 잡고 있는 것입니다. 원자의 내부를 들여다보면 양성자와 중성자로 이루어진 핵, 그리고 그 주위를 도는 전자가 존재합니다. 과거에는 전자가 행성처럼 일정한 궤도를 따라 움직인다고 생각했지만, 현대물리학과 현대화학은 이를 '전자 구름'인 오비탈로 설명합니다. 아주 작은 미시세계의 입자들은 고전역학의 지배를 받는 것이 아니라 양자역학의 지배를 받기 때문에, 전자의 위치를 정확히 알 수 없고 오직 확률적으로만 예측할 수 있습니다. 이러한 양자역학적 이해는 화학이 단순한 물질의 조합을 넘어 우주의 근본 원리를 탐구하는 학문임을 보여줍니다. 오늘날의 화학은 벤젠 고리와 같은 단순한 분자 구조를 넘어 그래핀, 리튬 배터리, 생체 분자 등 거대하고 복잡한 영역으로 확장되고 있습니다. 에너지 문제 해결부터 난치병 치료를 위한 신약설계에 이르기까지, 화학자의 시선은 인류가 직면한 거대 담론들을 향해 있습니다. 식물을 키우며 생명 현상을 연구하거나 새로운 에너지저장장치를 개발하는 등 화학의 경계는 이미 다른 학문들과 밀접하게 융합되어 있습니다. 결국 화학은 세상을 구성하는 가장 작은 단위에서 시작해 가장 큰 변화를 이끌어내는 학문이라 할 수 있습니다.

김지환

카오스재단마스터클래스

화학

[강연] 에너지와 엔트로피: 세상은 무엇으로 굴러갈까? _ by김성근｜ 2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 1강 | 1강 ①

화학은 우리 주변에서 일어나는 모든 변화를 다루는 아주 중요한 학문입니다. 많은 이들이 화학을 어렵고 복잡하게 느끼지만, 사실 그 이면에는 오묘하고 흥미로운 미스터리가 가득 숨겨져 있습니다. 물질의 구조가 기능을 결정하고, 그 구조를 인위적으로 설계하여 만들어내는 과정은 마치 건축가가 정교한 집을 짓는 것과 같습니다. 이러한 변화를 이해하는 것은 세상을 구성하는 근본적인 원리를 깨닫고 우리 삶을 풍요롭게 만드는 첫걸음이 됩니다. 모든 화학적 변화를 일으키는 근본적인 동력은 바로 에너지입니다. 에너지는 물질의 상태를 바꾸고 물리적, 화학적 변화를 유도하는 핵심 요소입니다. 특히 화학 결합 내부에 잠재적으로 저장된 에너지를 엔탈피라고 부르는데, 이는 자극을 주면 언제든 밖으로 뿜어져 나올 준비가 된 에너지입니다. 대부분의 반응은 에너지 장벽을 넘어야 일어나며, 이 과정을 통해 에너지는 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르며 안정한 상태를 찾아갑니다. 화학의 진정한 가치는 단순히 자연을 관찰하는 데 그치지 않고 새로운 물질을 만들어내는 합성에 있습니다. 예를 들어 강력한 항암제인 택솔은 원래 희귀한 나무에서 추출했으나, 화학자들의 노력을 통해 인공적으로 합성할 수 있게 되었습니다. 이는 자연을 훼손하지 않으면서도 인류에게 필요한 솔루션을 제공하는 화학의 힘을 보여줍니다. 유기화학자는 복잡한 분자를 설계하고 조립하는 분자 건축가로서 세상에 없던 새로운 가치를 창조합니다. 우리가 일상에서 접하는 물질들은 상상할 수 없을 만큼 무수히 많은 분자로 이루어져 있습니다. 눈물 한 방울에 담긴 물 분자의 개수는 약 10의 21승 개에 달하며, 이를 전 인류가 밤낮없이 센다고 해도 수만 년이 걸릴 정도입니다. 이처럼 거대한 숫자의 입자를 다루기 때문에 화학은 개별 원자의 움직임을 넘어 통계적인 관점에서 접근해야 합니다. 이러한 인식의 격차를 이해할 때 비로소 거시적인 화학 현상의 본질에 다가갈 수 있습니다. 자연계의 변화에는 일정한 방향성이 존재하는데, 이를 설명하는 개념이 바로 엔트로피입니다. 향수 냄새가 방 안으로 퍼지거나 잉크가 물속에서 확산하는 현상은 에너지가 보존됨에도 불구하고 결코 스스로 되돌아오지 않습니다. 이는 자연이 어떤 의지를 가진 것이 아니라 순전히 확률의 게임이기 때문입니다. 무질서도가 증가하는 방향, 즉 경우의 수가 가장 많은 상태로 나아가는 것이 우주의 자연스러운 흐름이며 이를 열역학 제2법칙이라 합니다. 루트비히 볼츠만은 엔트로피를 통계적으로 정의하며 비가역성의 원리를 규명했습니다. 입자의 개수가 무수히 많아지면 특정 상태로 다시 돌아올 확률은 수학적으로는 존재할지 몰라도 현실적으로는 0에 수렴하게 됩니다. 공기 입자들이 우연히 방 한구석으로 몰려 우리가 숨을 쉬지 못하게 될 확률이 없는 이유도 바로 여기에 있습니다. 이러한 통계적 필연성은 시간이 한 방향으로만 흐르는 '시간의 화살'을 만들어내며 거시 세계의 질서를 유지합니다. 생명체는 엔트로피가 증가하는 우주의 흐름 속에서 질서를 유지하는 독특한 존재입니다. 우리는 외부로부터 에너지를 섭취하고 대사 과정을 거침으로써 내부의 무질서도를 낮추고 정교한 구조를 유지합니다. 이는 열역학 법칙에 위배되는 것이 아니라, 우주 전체의 엔트로피를 증가시키는 대가로 국소적인 질서를 창조하는 과정입니다. 결국 에너지와 엔트로피를 이해하는 것은 생명의 탄생과 우주의 운명을 관통하는 거대한 미스터리를 푸는 열쇠가 됩니다.

김성근, 성재영

카오스재단카오스강연

화학

[카오스 술술과학] 스타킹 화학?

양초와 비닐봉투가 본질적으로 같은 성분이라는 사실은 매우 흥미롭습니다. 이들의 공통점은 탄소와 수소로만 이루어진 탄화수소 분자라는 점입니다. 탄소 원자들은 서로 사슬처럼 길게 이어질 수 있는 독특한 성질을 가지고 있는데, 이 사슬이 얼마나 길게 연결되느냐에 따라 물질의 크기가 결정됩니다. 분자의 기본 구성물은 동일할지라도, 탄소 사슬의 길이에 따른 크기의 차이는 단순히 부피의 변화를 넘어 물질의 물리적 성질을 근본적으로 바꾸는 핵심적인 요인이 됩니다. 분자의 크기가 커지면 분자 간에 작용하는 인력도 함께 강해집니다. 탄소 수가 적을 때는 인력이 약해 기체 상태로 존재하지만, 탄소 수가 늘어날수록 분자들이 서로 강하게 끌어당기며 액체나 고체로 상태가 변화합니다. 예를 들어 탄소가 4개 이하면 기체, 18개 정도면 식용유 같은 액체, 그 이상이면 양초나 비닐봉투 같은 고체가 됩니다. 결국 분자의 크기가 성질을 결정하는 셈이며, 과학계에서는 이렇게 거대한 분자를 '고분자'라고 정의하여 일반적인 분자와 구분합니다. 플라스틱은 우리 일상에서 가장 흔히 볼 수 있는 고분자 물질의 대표적인 예시입니다. 가볍고 질기며 쉽게 부패하지 않는 장점 덕분에 현대 문명의 필수 요소가 되었습니다. 고분자는 인공적인 물질에만 국한되지 않습니다. 우리 몸을 구성하는 단백질, 탄수화물, 그리고 유전 정보를 담은 DNA 역시 자연이 만든 정교한 고분자입니다. 이처럼 고분자는 생명 현상의 근간이자 우리 주변의 거의 모든 사물을 이루는 기초 재료로서 현대 과학과 일상에서 결코 떼어놓을 수 없는 존재입니다. 과거에는 분자량이 1,000이 넘는 고분자를 인간이 만드는 것은 불가능하다고 여겨졌습니다. 하지만 1920년대 독일의 화학자 슈타우딩거는 작은 단위체들이 공유 결합을 통해 사슬처럼 길게 연결되어 고분자를 형성할 수 있다는 가설을 세웠습니다. 당시 학계는 이를 코끼리를 본 적 없는 사람에게 코끼리의 존재를 설명하는 것처럼 허황되게 느꼈지만, 그의 통찰은 옳았습니다. 이 가설은 훗날 DNA 구조 발견의 마중물이 되었으며, 화학의 패러다임을 완전히 바꾸어 놓는 계기가 되었습니다. 슈타우딩거의 이론을 실험적으로 증명한 인물은 미국의 화학자 캐러더스입니다. 그는 1935년 거미줄보다 가늘고 강철보다 강한 최초의 합성 고분자 섬유인 나일론을 합성하는 데 성공했습니다. 나일론 스타킹의 폭발적인 인기를 시작으로 인류는 자연에 없던 새로운 물질들을 창조하기 시작했습니다. 이제 우리는 스마트폰의 매끄러운 표면부터 첨단 소재에 이르기까지 고분자가 없는 세상을 상상할 수 없게 되었습니다. 고분자 과학은 기적의 물질인 플라스틱 시대를 열며 우리 삶을 풍요롭게 만들었습니다.

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화학

[석학인터뷰] 하윤경_ CheMystery? 사람 간 인연이 제일 미스터리해요 | 2018 가을 카오스강연 '화학의 미스터리, CheMystery'

화학자의 길은 부모님의 영향으로 시작된 운명 같은 여정이었지만, 그 과정이 결코 순탄치만은 않았습니다. 특히 낯선 타국에서의 유학 생활은 언어의 장벽과 연구 성과에 대한 압박, 그리고 깊은 외로움이 교차하는 인내의 시간이었습니다. 하지만 이러한 고난 속에서도 학부 시절을 긍정적으로 회상하는 이유는 그 시기가 성장의 밑거름이 되었기 때문입니다. 스스로의 한계를 시험하고 지적 호기심을 채워가는 과정은, 단순한 지식 습득을 넘어 미래의 연구자로서 자아를 형성하는 소중한 경험이 됩니다. 현재 상용화된 OLED 디스플레이 기술의 핵심은 빛을 내는 원리에 숨어 있습니다. 빛이 발생하는 방식은 크게 형광과 인광으로 나뉘는데, 기존의 형광 방식은 발광 효율이 25%를 넘지 못한다는 한계가 있었습니다. 반면 인광 방식은 전기나 빛 에너지를 받아 이를 발광으로 전환하는 효율을 최대 100%까지 끌어올릴 수 있는 잠재력을 지니고 있습니다. 이러한 고효율의 빛을 구현하기 위해 새로운 유기 재료를 합성하고 최적의 물질을 찾아내는 연구는 현대 디스플레이 기술의 진보를 이끄는 중요한 동력이 됩니다. 화학이라는 학문은 물질과 물질 사이의 상호작용을 다루지만, 이는 우리 삶의 가장 큰 신비인 인간관계와도 맞닿아 있습니다. 영어 표현 중 '우리 사이에 케미가 없다'는 말처럼, 사람과 사람 사이의 인연과 연분 또한 일종의 화학 반응과 같습니다. 물질의 결합을 연구하는 화학자에게도 사람 사이의 관계를 정립해 나가는 과정은 여전히 풀기 어려운 미스터리이자 도전적인 과제입니다. 결국 화학은 실험실 안의 분자들뿐만 아니라, 우리 삶을 구성하는 수많은 인연의 고리를 이해하려는 노력의 연장선상에 있다고 볼 수 있습니다.

하윤경

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[카오스 술술과학] 화학의 명예회복?

현대 사회에서 '화학'이라는 단어는 어느덧 부정적인 의미를 내포하게 되었습니다. 가습기 살균제나 라돈 침대와 같은 사건들을 겪으며 대중은 화학 물질을 유해함의 상징으로 여기기 시작했기 때문입니다. 하지만 과거의 화학은 인류에게 기적을 선사하는 '미다스의 손'과 같았습니다. 프리츠 하버가 공기 중의 질소를 고정해 비료를 만들지 않았다면 인류는 심각한 식량 부족에 시달렸을 것이며, 나일론의 발명은 의복 혁명을 불러일으켰습니다. 한때는 미래의 희망이자 문명의 상징이었던 플라스틱 역시 이제는 환경 오염의 주범으로 몰리며 찬밥 신세를 면치 못하고 있는 실정입니다. 우리는 흔히 '화학 성분이 없는 제품'이라는 광고 문구에 현혹되곤 하지만, 사실 이는 과학적으로 성립할 수 없는 말입니다. 모든 만물은 원소와 분자의 결합으로 이루어져 있기에 우리 주변의 모든 물질은 본질적으로 화학적 토대를 가집니다. 유해한 몇몇 사례 때문에 화학 전체를 부정적으로 바라보는 것은 억울한 일입니다. '화학 첨가물'이라는 표현보다는 '인공 첨가물'이라는 용어가 더 적절하며, 유해한 화학 물질이 아니라 단순히 '유해한 물질'로 구분하여 부르는 것이 타당합니다. 인공적으로 합성되었다는 이유만으로 자연의 것보다 위험하다고 단정 짓는 편견에서 벗어나야 합니다. 만약 우리 삶에서 화학의 결실들이 통째로 사라진다면 어떤 일이 벌어질까요? 당장 주변의 가전제품과 스마트폰은 형체도 없이 사라질 것이며, 우리가 거주하는 건물조차 유지될 수 없습니다. 천연 나무조차 가공 과정을 거쳐야 가구와 종이가 될 수 있고, 옷감과 신발, 가방 역시 대부분 합성 기술의 산물입니다. 염료가 사라진 도시는 무채색의 삭막한 공간으로 변할 것이며, 식량의 보존과 유통조차 불가능해져 인류 문명은 순식간에 붕괴하고 말 것입니다. 결국 화학은 단순히 학문의 한 분야를 넘어 인류 문명을 지탱하는 근간이자 우리 삶 그 자체라고 할 수 있습니다.

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화학

[카오스 술술과학] 화학의 수수께끼, CheMystery

우리가 흔히 접하는 화학이라는 학문의 이름 속에는 세상의 이치를 관통하는 깊은 의미가 담겨 있습니다. 많은 이들이 화학을 그림이나 불과 관련된 학문으로 오해하곤 하지만, 한자 '화(化)' 자를 자세히 들여다보면 그 본질을 명확히 알 수 있습니다. 이 글자는 본래 변화를 뜻하며, 영어 단어인 'Chemistry'의 어원인 'Chem' 역시 변화라는 의미를 내포하고 있습니다. 마치 풀이 자라나 아름다운 꽃으로 피어나는 신비로운 과정처럼, 화학은 세상의 모든 존재가 겪는 근본적인 변화를 탐구하고 그 원리를 밝혀내는 학문이라 할 수 있습니다. 화학은 단순히 변화만을 다루는 데 그치지 않고, 서로 다른 존재들이 어우러지는 합성의 과정을 깊이 있게 연구합니다. 현재까지 발견된 118가지 원소는 주기율표라는 정교한 질서 속에서 수천만 종의 분자를 만들어내며, 이것들이 다시 조화롭게 섞여 우리가 살아가는 거대한 세상을 구성합니다. 일상에서 흔히 사용하는 '케미'라는 표현이 사람 사이의 친화력을 뜻하는 것처럼, 화학의 어원에는 '섞다'라는 의미가 포함되어 있습니다. 즉, 화학은 원소들이 만나 새로운 물질을 탄생시키는 합성의 미학을 보여주는 학문인 셈입니다. 현대 화학의 영역은 에너지와 엔트로피 같은 물리적 법칙부터 생명 현상의 근원인 단백질과 생체막에 이르기까지 매우 방대하게 뻗어 있습니다. 원자가 결합하여 분자가 되는 과정은 마치 전자와 양성자가 추는 우아한 왈츠와 같으며, 분자의 3차원 구조 속에 숨겨진 기능적 아름다움은 나노과학과 분자공학의 튼튼한 토대가 됩니다. 또한 우리가 일상에서 느끼는 맛과 냄새 같은 감각의 영역조차도 결국은 분자 수준에서 일어나는 화학적 상호작용의 결과입니다. 이처럼 화학은 만물의 근원을 이해하고 미래의 새로운 가능성을 열어주는 소중한 열쇠입니다.

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화학

[강연] 생명체의 탄생 (3) _ 노정혜 교수 | 2017 봄 카오스강연 '물질에서 생명으로' 1강 | 1강 ③

생명이란 무엇인가라는 질문은 인류가 오랫동안 탐구해 온 근원적인 과제이자 과학의 핵심적인 화두입니다. 과학철학적 관점에서 볼 때, 생명은 물과 같이 명확한 분자 구조로 정의하기 매우 어려운 대상 중 하나입니다. 과거에는 생명과 무생물을 엄격히 구분하려 노력했으나, 현대 과학은 그 경계가 생각보다 모호하며 연속적인 상태에 있을 가능성을 끊임없이 시사하고 있습니다. 우리가 생명을 정의하려는 시도는 어쩌면 인간의 경험적 편의에 의한 분류일지도 모릅니다. 아직 우리가 생명에 대해 알아야 할 영역이 무궁무진하기에, 그 정의 또한 고정된 것이 아니라 과학의 발전과 함께 끊임없이 변화하고 확장되는 역동적인 과정을 거치고 있습니다. 지구과학적 관점에서 생명은 물질과 에너지 흐름을 매개하는 '복제 가능한 촉매'로 해석될 수 있습니다. 지구상에 생명체가 등장한 이후 약 40억 년이라는 긴 시간 동안 생명은 환경과 끊임없이 상호작용하며 지구의 모습을 근본적으로 바꾸어 왔습니다. 단순히 화학 반응으로만 일어날 에너지 방출 과정을 생명 활동은 비약적으로 가속화하며, 그 에너지를 단순한 열로 낭비하는 대신 자신의 신체를 유지하고 재생산하는 데 정교하게 활용합니다. 이러한 관점은 생명을 개별적인 존재로만 보는 것이 아니라, 지구라는 거대한 시스템 안에서 에너지를 순환시키고 불균형을 해소하는 핵심적인 장치로 파악하게 해줍니다. 기술의 비약적인 발전은 생명의 정의를 인공지능이나 가상 세계의 영역으로까지 확장시키고 있습니다. 스스로를 복제하고 시스템을 유지하기 위해 에너지를 소모하는 컴퓨터 바이러스나, 고도의 의식을 갖춘 미래의 인공지능을 생명체로 볼 수 있을지에 대한 논의가 활발히 진행 중입니다. 만약 인공적인 존재가 외부 에너지원을 이용해 자신을 유지하고, 나아가 스스로를 재생산하는 단계에 이른다면 우리는 생명의 범주를 다시 설정해야 할 것입니다. 이는 생명이 탄소 기반의 유기체에만 국한된 것이 아니라, 특정 기능을 수행하고 정보를 전달하는 시스템의 보편적인 속성일 수 있다는 가능성을 열어줍니다. 생명의 기원을 찾는 여정은 심해 열수구와 같은 지구상의 극한 환경으로 우리를 안내합니다. 지구 내부의 뜨거운 물질과 차가운 바닷물이 만나는 경계에서 발생하는 에너지 불균형은 최초의 생명 작용을 일으키는 강력한 동력이 되었습니다. 최근 발견된 40억 년 전의 미생물 화석 후보들은 이러한 심해 열수구 기원설에 힘을 실어주고 있습니다. 나아가 외계 생명체 탐사에 있어서도 우리는 지구와 유사한 환경만을 고집할 필요가 없습니다. 우주의 다른 곳에서는 우리가 상상하지 못한 전혀 다른 화학적 기반과 물리적 형태를 가진 생명체가 존재할 수 있다는 열린 시각은 과학적 상상력을 자극합니다. 현대 과학은 이제 생명을 이해하는 단계를 넘어 직접 설계하고 제작하는 '합성 생물학'의 시대로 진입했습니다. 유전 정보를 읽는 것을 넘어 화학적으로 합성한 유전체를 세포에 주입하여 새로운 생명 기능을 구현하려는 시도가 이어지고 있습니다. 이러한 기술은 에너지 문제나 식량 위기를 해결할 혁신적인 열쇠가 될 수 있지만, 동시에 생태계에 미칠 예측 불가능한 위험성도 내포하고 있습니다. 자연적으로 진화해 온 기존 생태계와 조화를 이룬 적 없는 인공 생명체에 대해서는, 안전성이 확실히 증명될 때까지 엄격한 관리와 사전 예방의 원칙이 반드시 적용되어야 인류의 미래를 보장할 수 있습니다.

노정혜, 신민섭, 홍성욱

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생명과학

[강연] 리보핵산 : 최초의 생명물질로부터 메신저까지 (3) _ 김빛내리 교수 | 2017 봄 카오스강연 '물질에서 생명으로' 3강 | 3강 ③

생명과학의 역사는 단백질과 DNA를 거쳐 이제 RNA라는 새로운 국면을 맞이하고 있습니다. 과거에는 유전 정보의 단순한 전달자로만 여겨졌던 RNA가 현대 과학에서는 생명 현상의 핵심 조절자로 주목받고 있습니다. 특히 인간 유전체 사업 이후 우리가 새롭게 알게 된 사실은 유전 정보의 극히 일부만이 단백질을 만드는 데 사용된다는 점입니다. 이러한 변화는 생명체를 바라보는 우리의 관점을 근본적으로 바꾸어 놓았으며, 보이지 않는 곳에서 생명을 움직이는 RNA의 실체를 밝히는 것이 현대 생물학의 최전선이 되었습니다. 우리 몸의 설계도인 DNA 중 단백질 정보를 담고 있는 영역은 단 2%에 불과합니다. 나머지 98%는 단백질을 만들지 않는 '논코딩 영역'으로, 여기서 만들어지는 것이 바로 논코딩 RNA입니다. 여기에는 마이크로 RNA뿐만 아니라 크기가 큰 롱 논코딩 RNA 등 다양한 종류가 포함됩니다. 과거에는 이 영역을 쓸모없는 '정크 DNA'로 치부하기도 했으나, 최근 연구를 통해 이들이 유전자 발현을 정교하게 조절하며 질병의 발생과 치료에 깊이 관여하고 있음이 밝혀지고 있습니다. 현재 인류가 파악한 인간 유전자는 약 4만 개에 달하며, 그중 절반에 가까운 1만 8,000여 개가 논코딩 RNA 유전자로 추정됩니다. 놀라운 사실은 이들 중 우리가 이름을 붙이고 구체적인 기능을 알고 있는 것은 10%도 채 되지 않는다는 점입니다. 즉, 우리 몸 안에는 여전히 정체를 알 수 없는 90% 이상의 RNA가 존재하며, 이들의 역할을 규명하는 과정은 생명과학의 거대한 미개척지로 남아 있습니다. 이 미지의 영역을 탐구하는 것은 암을 비롯한 난치병 치료의 새로운 열쇠를 찾는 과정이 될 것입니다. 생명의 기원을 거슬러 올라가면 'RNA 월드'라는 가설을 만나게 됩니다. 약 35억 년 전 원시 지구에서 DNA나 단백질보다 RNA가 먼저 등장했을 것이라는 이론입니다. RNA는 정보를 저장하는 유전 물질의 특성과 화학 반응을 촉진하는 효소의 기능을 동시에 갖추고 있기 때문입니다. 실제로 1980년대에 RNA가 스스로를 자르는 효소 기능을 한다는 사실이 발견되면서 이 가설은 학계의 정설로 자리 잡았습니다. 이는 RNA가 생명의 탄생과 진화 과정에서 일당백의 역할을 수행했음을 시사합니다. 생체 내 화학적 증거들 또한 RNA의 우선성을 뒷받침합니다. 모든 생명체는 에너지를 전달하는 ATP와 같은 RNA 소재를 직접 합성하지만, DNA의 소재는 반드시 RNA 소재에서 산소 원자 하나를 떼어내는 과정을 거쳐 만들어집니다. 즉, 현대의 복잡한 생명체 안에서도 DNA는 RNA로부터 파생된 형태를 유지하고 있는 셈입니다. 이러한 분자 수준의 선후 관계는 태초에 RNA가 먼저 존재했고, 이후 더 안정적인 정보 저장 매체인 DNA와 효율적인 기능 수행자인 단백질로 역할이 분담되었음을 보여주는 강력한 증거입니다. RNA 연구는 그 중요성만큼이나 까다로운 과정을 요구합니다. RNA는 화학 구조상 염기성 조건에서 쉽게 분해될 뿐만 아니라, 우리 주변 어디에나 존재하는 분해 효소인 RNase에 매우 취약하기 때문입니다. 연구자들은 실험 과정에서 RNA가 파괴되지 않도록 극도의 주의를 기울여야 하며, 이러한 예민함은 RNA 연구의 높은 진입 장벽이 되기도 합니다. 하지만 이러한 불안정성은 역설적으로 RNA가 환경 변화에 민감하게 반응하며 생명 현상을 실시간으로 조절하는 역동적인 분자임을 증명하는 특성이기도 합니다. 20세기 후반이 DNA의 시대였다면, 21세기는 RNA의 시대라고 할 수 있습니다. 이제 DNA 분석은 기술의 발전으로 대중화되었으며, 과학자들의 시선은 유전 정보의 실행 단계인 RNA와 그 상호작용으로 향하고 있습니다. 나아가 미래에는 탄수화물이나 지질과 같이 아직 미지의 영역으로 남아 있는 분자들에 대한 연구가 폭발적으로 성장할 것입니다. 생명체를 구성하는 다양한 요소들이 어떻게 협력하고 경쟁하며 생명을 유지하는지 밝혀내는 여정은 앞으로도 끊임없이 이어질 것입니다.

강창원, 김빛내리, 정선주

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생명과학

[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

카오스재단카오스강연

물리학
화학

[강연] 분자미개학론 _ 이동환 교수 | 2016 서울대 자연과학대학 공개강연 '무질서에서 질서로' (2) | 1강

화학이라고 하면 흔히 복잡한 반응식과 원소 기호가 가득한 교과서를 떠올리기 쉽습니다. 하지만 화학의 진정한 매력은 눈에 보이지 않는 미시 세계에서 원자들이 결합하여 만들어내는 정교하고 아름다운 모양에 있습니다. 단순한 식의 나열을 넘어 분자 속에 감추어진 기하학적 아름다움을 발견하는 과정은 마치 예술 작품을 감상하는 것과 같습니다. 화학자는 이 복잡한 구조 속에서 질서를 찾아내고, 그 형태가 지닌 고유한 가치를 탐구하며 보이지 않는 세계의 미학을 정립하는 사람입니다. 복잡함이란 무엇일까요? 수십 획에 달하는 한자처럼 단순히 얽혀 있는 상태를 넘어, 그 안에 숨겨진 규칙을 발견할 때 우리는 새로운 시각을 갖게 됩니다. 네덜란드의 판화가 에셔의 작품처럼 단순한 단위 구조가 반복되며 평면을 가득 채우는 테셀레이션은 복잡함 속의 질서를 잘 보여줍니다. 대칭성 또한 중요한 요소입니다. 어떤 물체를 회전시키거나 반사했을 때 변화를 느끼지 못하는 상태, 즉 완벽한 균형을 이루는 구조는 분자 세계에서도 가장 아름다운 형태로 꼽히며 과학적 탐구의 대상이 됩니다. 세상에서 가장 대칭적인 분자로 알려진 '풀러렌'은 탄소 60개가 모여 축구공 모양을 이루는 독특한 구조를 가집니다. 1985년 발견된 이 분자는 우주 공간의 성간 물질을 연구하는 과정에서 그 존재가 드러났으며, 이후 노벨 화학상의 영예를 안겨주었습니다. 자연이 설계한 이 완벽한 구형 구조는 탄소 원자들이 가장 안정적으로 존재할 수 있는 최적의 형태를 보여줍니다. 이는 우리가 자연의 섭리를 이해하고 미시 세계의 질서를 파악하는 과정에서 마주하는 가장 경이로운 모델 중 하나라고 할 수 있습니다. 화학자는 자연에 존재하는 분자를 발견하는 데 그치지 않고, 새로운 구조를 설계하고 만들어내는 건축가이기도 합니다. 육각형의 벤젠 고리를 이어 붙여 왕관 모양의 코로넨을 만들거나, 평면의 그래핀을 넘어 입체적인 구조를 구상합니다. 이 과정은 마치 정교한 설계도를 따라 건물을 짓거나 레고 블록을 조립하는 것과 비슷합니다. 비록 당장의 실용적인 용도가 눈에 보이지 않더라도, 복잡한 문제를 해결하며 새로운 합성 경로를 찾아내는 과정 자체가 과학적 진보를 이끄는 핵심적인 동력이 됩니다. 평면적인 구조를 넘어 오목한 사발 모양의 '수마넨'과 같은 분자를 만드는 것은 화학자들에게 큰 도전입니다. 탄소 원자들은 본래 평평하게 배열되려는 성질이 있지만, 오각형 구조를 적절히 배치하면 전체적인 모양이 구부러지며 입체감을 갖게 됩니다. 이러한 곡률을 완벽하게 제어하여 예쁜 그릇 모양의 분자를 합성하는 것은 고도의 정밀함이 요구되는 작업입니다. 이는 단순한 발견의 영역을 넘어 인간의 지성과 기술로 새로운 형태를 창조하는 발명의 영역으로 나아가는 화학의 창의적인 면모를 보여줍니다. 분자의 아름다움은 형태를 넘어 생명 현상을 유지하는 정교한 기능으로도 이어집니다. 우리 몸의 신경 신호를 전달하는 이온 통로 단백질이 대표적인 예입니다. 이 거대한 분자는 칼륨 이온과 나트륨 이온의 미세한 크기 차이를 감지하여 특정 이온만을 선택적으로 통과시킵니다. 단백질 내부의 산소 원자들이 물 분자의 역할을 대신하며 이온을 안내하는 과정은 자연이 설계한 정교한 밸브 시스템과 같습니다. 이러한 메커니즘은 분자의 구조가 곧 생명 활동의 핵심적인 기능임을 증명하는 사례입니다. 자연은 거대한 구조를 만들 때 효율적인 모듈화 방식을 선택합니다. 이온 통로 단백질이 네 개의 동일한 조각이 모여 완성되듯, 작은 단위체의 반복과 조합을 통해 복잡한 생명 시스템을 구축하는 것입니다. 이는 대량 생산과 유지 보수가 용이한 합리적인 설계 방식이기도 합니다. 결국 분자 세계의 복잡함 속에는 언제나 명확한 규칙과 질서가 숨어 있습니다. 그 규칙을 이해하고 새로운 질서를 창조해 나가는 과정이 바로 과학자가 꿈꾸는 끊임없는 도전이자 미시 세계에서 찾아내는 진정한 아름다움입니다.

이동환

카오스재단서울대자연과학공개강연

화학

[강연] 별빛이 우리에게 밝혀준 것들 - 태양과 별 (5) _윤성철 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 2강 | 2강 ⑤

별의 내부에서 핵융합을 통해 만들어질 수 있는 가장 무거운 원소는 철입니다. 하지만 우리 주변에는 금이나 우라늄처럼 철보다 무거운 원소들이 분명히 존재합니다. 이러한 원소들은 초신성 폭발이라는 거대한 우주적 사건을 통해 탄생합니다. 폭발 과정에서 발생하는 엄청난 에너지와 중성자 포획 과정을 통해 철보다 무거운 원소들이 합성되는 것입니다. 결국 인간의 몸을 구성하는 복잡한 원소들은 별의 죽음이라는 희생을 통해 만들어진 셈이며, 우리는 모두 별의 파편으로 이루어져 있다고 할 수 있습니다. 우주에서 원소가 생성된다는 증거는 테크네튬이라는 원소를 통해 확인할 수 있습니다. 테크네튬은 반감기가 약 10만 년 정도로 매우 짧아 자연 상태에서는 거의 존재하지 않는 인공적인 원소로 알려져 있었습니다. 그러나 죽어가는 별인 점근거성열 단계의 별에서 이 원소가 관측되었습니다. 이는 별의 내부에서 최근에 핵반응을 통해 새로운 원소가 만들어졌음을 보여주는 결정적인 증거입니다. 천문학자들은 이러한 관측을 통해 별이 단순한 빛의 덩어리가 아니라 원소를 제조하는 거대한 공장임을 확인합니다. 외계 문명과의 만남은 인류의 오랜 꿈이지만, 별과 별 사이의 거대한 장벽이 가로막고 있습니다. 태양계에서 가장 가까운 별인 프록시마 센타우리까지의 거리는 약 4.3광년으로, 현재의 로켓 기술로는 도달하는 데 수만 년이 걸립니다. 하지만 과학자들은 시공간을 왜곡하여 광속보다 빠르게 이동하는 알쿠비에레 드라이브와 같은 이론적 가능성을 연구하고 있습니다. 만약 이러한 기술이 실현된다면 수만 년의 거리를 단 몇 주 만에 주파할 수 있게 됩니다. 이는 외계 지성체가 우리를 방문할 가능성도 완전히 배제할 수 없음을 시사합니다. 우주의 기원을 밝히기 위해 천문학자들은 '최초의 별'을 찾고 있습니다. 빅뱅 직후 탄생한 이 별들은 오직 수소와 헬륨으로만 구성되어 있을 것으로 예측됩니다. 하지만 질량이 큰 별들은 연료를 빨리 소모해 금방 사라지기 때문에, 138억 년을 생존한 작은 별들을 찾아내는 것이 관건입니다. 이러한 별들은 매우 어두워 관측이 어렵지만, 한국이 참여하는 거대 마젤란 망원경(GMT) 프로젝트가 완성되면 그 실체가 드러날 것으로 기대됩니다. 24m 구경의 거대 마젤란 망원경(GMT)은 우주의 가장 깊은 과거를 들여다보는 창이 될 것입니다. 드레이크 방정식은 우리 은하 내에 교신 가능한 문명이 얼마나 존재할지를 추론하게 해줍니다. 이 방정식의 마지막 계수인 '문명의 존속 기간'은 특히 흥미로운 부분입니다. 고도의 기술을 갖춘 문명이 스스로를 파괴하지 않고 얼마나 오랫동안 유지될 수 있느냐에 따라 우주에 존재하는 지성체의 수가 결정되기 때문입니다. 결국 외계 지성체를 찾는 과정은 인류가 앞으로 얼마나 더 지속될 수 있을지를 묻는 거울과도 같습니다. 우주를 향한 질문은 결국 우리 자신에 대한 성찰로 돌아오게 마련입니다. 밤하늘에 빛나는 별의 개수는 상상을 초월합니다. 우리 은하에만 약 1,000억 개의 별이 존재하며, 우주 전체에는 이와 같은 은하가 다시 1,000억 개 이상 펼쳐져 있습니다. 이를 계산하면 우주에는 대략 10의 22승 개라는 엄청난 수의 별이 빛나고 있는 셈입니다. 이토록 광활한 우주에서 지구와 비슷한 조건을 가진 행성이 존재할 확률은 매우 높습니다. 수많은 별 중 어딘가에는 우리와 비슷한 고민을 하며 밤하늘을 올려다보는 또 다른 생명체가 존재할지도 모른다는 상상은 과학적 근거를 바탕으로 한 합리적인 추론입니다. 생명체에 대한 우리의 편견을 깨는 발견은 지구 곳곳에서도 이루어지고 있습니다. 심해의 뜨거운 열수구나 방사능이 가득한 극한 환경에서도 살아남는 완보동물과 같은 생명체들은 생명의 강인함을 증명합니다. 이는 우주의 다른 행성들이 지구와 완벽히 똑같은 환경이 아니더라도, 그들만의 방식으로 적응한 생명체가 존재할 수 있음을 암시합니다. 우주는 인간의 상상력보다 훨씬 더 넓고 다양하며, 우리는 그 거대한 질서 속에서 별과 상호작용하며 살아가는 존재입니다. 별을 공부하는 것은 결국 생명의 근원을 이해하는 길입니다.

원종우, 윤성철, 정애리

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