과학잡학사전 통조림: 일반과학편

과학잡학사전 통조림: 일반과학편

사마키 다케오 지음

사람과나무사이 / 2023년 4월 / 389쪽 / 19,500원





생물│인간



사람은 왜 사는 곳에 따라 피부와 머리카락 색깔이 달라질까? | 진화론 이야기 |

피부와 머리카락이 검은 이유는 검은색 색소인 ‘멜라닌’이 더 많기 때문이다.



<세 가지만 알면 나도 과학자!>

피부가 검어지는 이유는 멜라닌 색소가 늘어나기 때문: 햇볕에 오래 노출되면 피부가 붉게 달아오르거나 까무잡잡하게 탄다. 피부색이 검어지는 이유는 피부가 자외선을 흡수해 세포를 지키는 검은색 멜라닌 색소를 만들어내기 때문이다.

피부와 머리카락 색깔의 차이는 멜라닌 색소의 양 때문: 사람의 피부는 멜라닌 색소가 많을수록 검은색, 노란색, 흰색이 된다. 머리카락 역시 멜라닌 색소의 양에 따라 검은색, 갈색, 금색이 되고, 멜라닌 색소가 더 없어지면 백발이 된다. 그렇다면 햇볕이 강한 지역에 사는 사람의 피부가 검은 이유는 뭘까? 그것은 몸이 풍부한 멜라닌 색소를 방패 삼아 자외선으로부터 피부를 지키기 위해서다.

이제 더는 피부색으로 인종을 나누지 않는다: 예전에는 피부색이 다르다는 이유로 사람을 백인종, 황인종, 흑인종으로 나누고 차별했다. 그러나 인권의식과 평등의식이 높아져 이제 더는 피부색으로 인종을 구분하지 않는다. 인류는 모두 같은 ‘호모 사피엔스 종’이다.



과학│다양한 힘



롤러코스터는 거꾸로 뒤집혀 달리는데 왜 떨어지지 않을까? | 원심력 이야기 |

롤러코스터에 타고 있는 사람의 몸은 똑바로 나아가도 꺾이는 방향과 반대로 잡아당겨지기 때문이다.

<세 가지만 알면 나도 과학자!>

건조기 안의 옷이 드럼 벽에 달라붙는 현상과 같다!: 건조기로 옷을 말리면 회전하는 드럼 벽에 옷가지가 달라붙는다. 또 자동차나 전철을 타고 커브 길을 돌면 외벽에 눌리는 느낌이 든다. 롤러코스터에서도 이와 같은 현상이 발생한다.

물이 가득 담긴 양동이를 빙빙 돌리면 어떻게 될까?: 천천히 돌리면 중력 때문에 물이 쏟아지지만, 힘차게 돌리면 원심력이 작용해 물이 양동이 바닥에 들러붙어 쏟아지지 않는다. 양동이 안의 물에 작용하는 중력보다 원심력이 더 크기 때문이다. 롤러코스터에도 같은 원리가 적용된다.

물체는 똑바로 나아가려는 성질이 있다: 롤러코스터가 커브에 걸리면 몸은 똑바로 나아가는데, 롤러코스터는 몸과 같은 방향으로 따라가지 않는다. 그래서 롤러코스터가 도는 방향과 반대 방향으로 잡아당겨진다. 그 힘이 원심력이다. 원심력이란 원운동을 하는 물체나 입자에 작용해 원의 바깥으로 나아가려는 힘을 말한다. 회전할 때 원운동 속도가 크면 원심력도 커진다.



인체│몸에서 나오는 것



피는 무엇으로 이루어져 있을까? | 혈액 이야기 |

혈액의 성분은 혈장이라는 액체와 적혈구, 백혈구, 혈소판이라는 세 종류의 혈구로 이루어져 있다.

<세 가지만 알면 나도 과학자!>

세 종류의 혈구는 각각 다른 역할을 한다: 혈구의 99퍼센트 이상이 적혈구다. 혈구는 모양도 기능도 각각 다르다. 적혈구는 산소를 운반하고, 백혈구는 세균을 에워싸고 분해하는 작용(식균 작용)을 하며, 혈소판은 혈액을 응고해 출혈을 막는 역할을 한다.

혈장의 역할: 혈액은 혈장 성분 55퍼센트, 혈구 성분 45퍼센트로 이루어져 있다. 혈장의 약 90퍼센트는 수분이며 단백질, 포도당, 염화나트륨, 기타 무기질(미네랄) 등이 포함되어 있다. 혈장은 영양분과 각종 배출물을 운반하는 역할을 한다.

골수는 혈구 생산 공장: 혈구의 수명은 의외로 짧아 며칠에서 몇 개월 주기로 새로운 세포로 교체된다. 뼈 중심부에 있는 골수가 혈구를 만드는 공장 역할을 한다. 골수에는 조혈모세포가 있는데, 이를 원료로 적혈구, 백혈구, 혈소판이 만들어진다. 참고로, 인간의 혈액량은 몸무게의 약 8퍼센트다. 따라서 몸무게가 50킬로그램인 사람의 혈액은 약 4킬로그램(4리터)이다.



먹을거리│영양



칼로리는 무엇을 말하는 걸까? | 칼로리 이야기 |

칼로리는 음식에 들어 있는 열량과 에너지의 양을 나타내는 단위다.



<세 가지만 알면 나도 과학자!>

칼로리가 가장 높은 영양소는 지방!: 3대 영양소를 측정할 때는 킬로칼로리(kcal)를 단위로 사용한다. 1그램당 단백질은 4킬로칼로리, 지방은 9킬로칼로리, 탄수화물은 4킬로칼로리가 들어 있다. 음식에 들어 있는 탄수화물, 지방, 단백질의 칼로리를 계산하면 전체 섭취 칼로리를 알 수 있다.

1칼로리로 물 1그램의 온도가 1도 상승한다: 물 1그램의 온도를 1도 올리는 데 필요한 열량(에너지)이 1칼로리다. 그런데 우리가 평소 먹는 음식을 칼로리로 환산하면 너무 복잡해 1,000배 단위인 킬로칼로리를 사용한다. 물 1킬로그램을 1도 올리는 데 필요한 열량이 1킬로칼로리인 셈이다.

칼로리라는 단위는 특별하다: 과학에서는 열량을 측정할 때 줄(J)을 단위로 사용한다. 그런데 생물이 섭취하는 음식에 들어 있는 열량만 특별히 ‘칼로리’를 사용한다. 참고로 1칼로리는 4.2줄이다.



우주│우주의 구조



빛나는 별과 빛나지 않는 별의 차이는 뭘까? | 항성 이야기 |

스스로 에너지를 만들어내는 별(항성)은 빛이 나고 그렇지 않은 별은 빛이 나지 않는다.



<세 가지만 알면 나도 과학자!>

수소를 연료로 핵융합하면 에너지가 발생한다(핵융합 반응): 행성은 항성의 빛을 받고 빛을 스스로 만들어내지 못하는 별이다. 스스로 빛을 낼 수 있는 항성은 에너지를 만들어낼 수 있다. 별의 중심(핵)에서 초고온, 고밀도 상태가 되어 수소를 연료로 핵융합이 일어나 헬륨이 될 때 열이 발생한다. 이렇게 만들어진 에너지는 외부로 빛을 발산한다. 바깥쪽으로 팽창하려는 힘과 안쪽으로 수축하려는 힘(중력)이 균형을 이루어 지구의 형태를 유지한다.

태양도 언젠가 수명이 다할까?: 항성인 태양의 수명은 약 100억 년인데, 연료를 소진하면 화성이 있는 부분까지 팽창할 것으로 여겨진다(적색거성). 최후에는 중심이 고밀도 천체(백색왜성)가 되고, 주위는 가스 상태의 물질(행성상 성운)이 되어 우주 공간으로 퍼져나간다.

우리는 별의 파편으로 이루어져 있다: 우리 몸을 구성하는 원료는 항성의 핵융합 반응으로 만들어진다. 이 물질들은 초신성 폭발로 우주 공간에 흩어졌다. 그리고 긴 시간에 걸쳐 지금의 우리가 되었다. 한편, 항성에서 만들어진 원소는 철(Fe)까지다. 그보다 무거운 원소는 항성의 핵융합으로 만들 수 없다.



질병과 약│의료



마취하면 왜 아프지 않을까? | 마취 이야기 |

국소 마취는 신경의 활동을 차단하는 것이고, 전신 마취의 원리는 아직 완전히 해명되지 않았다.

<세 가지만 알면 나도 과학자!>

국소 마취의 원리는?: 인간을 포함한 대다수 동물은 왜 통증을 느낄까? 통증은 신경이 받은 자극이 뇌에 전달되며 느껴지는 증상이다. 몸 일부만 통증을 느끼지 못하게 하는 국소마취는 신경이 자극을 전달하는 작용을 차단해, 자극이 뇌에 전달되지 못하도록 하는 원리를 이용한 것이다.

전신 마취의 원리는?: 큰 수술 등을 할 때 실시하는 전신 마취는 뇌에 작용해 무의식 상태로 만드는 것이다. 그런데 전신 마취가 어떤 원리로 이루어지는지는 완전히 해명되지 않았다. 신경 세포의 세포막 지질이 교란되기 때문이라는 설이 유력하다. 참고로, 세계 최초로 전신 마취 수술에 성공한 사람은 일본의 하나오카 세이슈(華岡靑洲)다(1804년).

통증은 왜 존재할까?: 다쳐도 아픔을 느끼지 않는다면 상처를 자각할 수 없다. 다친 상태로 움직이거나 그대로 두면 상처가 덧나거나 악화될 수 있다. 통증은 우리 몸에 나쁜 일이 일어났음을 알려 몸을 지켜주는 경고 신호다.



자연│금속과 보석



다이아몬드는 왜 단단할까? | 다이아몬드 이야기 |

천연 물질 중 가장 단단한 다이아몬드의 비밀은 탄소 원자의 결합 구조다!



<세 가지만 알면 나도 과학자!>

긁었을 때 생기는 흠집 모양으로 비교: 경도(단단한 정도)는 표면을 세게 긁었을 때 생기는 흠집 모양을 비교해 측정한다. 10종류의 표준 광물을 선정해 경도 1부터 10까지 기준으로 삼고 있다. 활석(경도 1), 석고(2), 방해석(3), 형석(4), 인회석(5), 정장석(6), 석영(7), 황옥(8), 강옥(9), 다이아몬드(금강석, 10)이다. 천연 광물 중 다이아몬드보다 단단한 물질은 발견되지 않았다.

탄소 원자가 촘촘하게 얽혀 있다: 다이아몬드는 탄소 원자로 이루어져 있다. 탄소 원자가 삼각 피라미드처럼 네 방향으로 팔을 뻗어 촘촘한 대형을 형성한다. 이 구조가 바로 다이아몬드를 단단하게 만드는 비밀이다. 하지만 놀랍게도 다이아몬드를 태우면 전부 이산화탄소가 된다.

다이아몬드는 단단하지만 잘 쪼개진다: 다이아몬드는 방향에 따라 쉽게 쪼개지거나 마찰로 떨어져 나갈 수 있다. 다이아몬드를 절단할 때는 다른 다이아몬드를 이용한다. 다이아몬드는 광물 중 가장 단단하지만 때리면 잘게 쪼개진다.



과학│우리 주위의 화학



탈취 스프레이를 뿌리면 정말 냄새가 사라질까? | 탈취제 이야기 |

탈취제는 냄새 성분을 분해하거나 다른 냄새로 덮는 원리다.



<세 가지만 알면 나도 과학자!>

우리는 어떻게 냄새를 느낄까?: 화장실 특유의 냄새는 대변 냄새의 원인인 황화수소, 메탄티올(메틸 메르캅탄), 인돌, 소변이 분해해서 생기는 암모니아가 섞인 것이다. 공기 중에 떠도는 냄새분자들이 코로 들어가 냄새가 느껴진다.

냄새를 제거하는 방법: 냄새 분자를 흡수하거나 흡착하면 분자가 코로 들어오지 않는다. 냄새 분자를 분해해서 냄새가 없는 다른 분자로 변화시키면 냄새가 사라진다. 방향 성분(좋은 냄새)으로 악취가 잘 느껴지지 않게 만들 수도 있다. 시판되는 탈취 스프레이 제품은 이런 성분을 조합해서 나쁜 냄새를 없애는 원리다.

화학적 탈취법이란?: 화학적 탈취법이란 냄새 분자를 다른 분자로 바꿔 탈취하는 것이다. 가령 냄새 성분에는 산성 물질과 알칼리성 물질이 있는데, 이를 중화하면 냄새를 없앨 수 있다. ‘산화’라는 화학 변화로 다른 분자로 바꾸는 방법도 있다.



먹을거리│먹을거리에 얽힌 불가사의



발효식품은 왜 먹어도 탈이 나지 않을까? | 발효식품 이야기 |

발효식품은 미생물의 힘을 빌려 우리 몸에 이롭게 만들었기 때문에 영양소가 풍부하다.



<세 가지만 알면 나도 과학자!>

부패와 발효는 균과 세균 등 미생물의 작용 때문: 부패는 보이지 않는 미생물이 작용한 결과다. 미생물의 힘을 빌려 몸에 이로운 먹을거리를 만드는 과정을 ‘발효’라고 한다. 그리고 발효시켜 만든 식품을 ‘발효식품’이라고 한다. 된장, 간장, 낫토, 술, 식초, 요구르트 등이 대표 발효식품이다.

낫토균이 영양을 만든다: 삶은 콩에 낫토균을 넣어 따뜻한 곳에 두면, 낫토균이 부지런히 증식해 낫토가 만들어진다. 이때 감칠맛 성분과 비타민K, 나토키나제(Nattokinase) 등의 영양과 효소가 만들어진다.

낫토는 옛날부터 만들어왔다: 낫토균은 환경이 나빠지면 내구성이 있는 홀씨 상태가 된다. 홀씨는 100도 고온에서도 살아남을 수 있다. 건조한 짚단에는 낫토균의 홀씨가 묻어 있다. 삶은 콩을 짚으로 감싸 콩이 식으면 낫토균은 홀씨에서 발아해 증식한다. 낫토는 항균작용도 있어 예전에는 약으로 사용하기도 했다.



인체│몸의 차이



혈액형이 다르면 뭐가 다를까? | 혈액형 이야기 |

혈액형이 다르면 적혈구의 가시(항원)와 혈액에 녹아 있는 성분(항체)이 다르다.



<세 가지만 알면 나도 과학자!>

혈액형은 어떻게 정해질까?: 사람마다 혈액형이 다른 이유는 과연 무엇일까? ‘A형’, ‘B형’, ‘O형’ 등으로 나뉘는 혈액형은 혈액 속에 있는 적혈구의 가시(항원)와 혈액에 녹아 있는 성분(항체)의 조합으로 결정된다. 예를 들어 A형인 사람의 피에는 A 항원과 B 항체가 들어 있다.

항원과 항체가 뭘까?: 항체는 항원끼리 묶어주는 역할을 한다. A 항체는 A 항원을, B항체는 B항원을 연결해준다. 그래서 다른 혈액형의 피를 섞으면 항원과 항체가 응집해 피가 굳는다.

AB형과 O형에는 무슨 항원과 항체가 있을까?: AB형에는 A 항원과 B 항원이 다 있는데, 항체가 없다. 반대로 O형에는 A 항체와 B 항체가 있으나 적혈구에 가시가 없다. 어떤 조합의 항원과 항체를 지니는지는 태어날 때 정해진다. 참고로, 혈액형에 따라 성격이 다르다는 속설은 근거가 없다.



자연│무서운 재해



게릴라성 호우는 왜 나타날까?│게릴라성 호우 이야기│

한정된 장소에 기습적으로 퍼붓는 비로, 1시간에 80밀리미터 이상 맹렬하게 쏟아진다.



<세 가지만 알면 나도 과학자!>

여름에는 왜 게릴라성 호우가 늘어날까?: 1시간에 약 10밀리미터의 비가 내리면 물웅덩이가 생긴다. 게릴라성 호우는 그 8배 이상의 양이 한꺼번에 쏟아져 내리는 경우를 말한다. 여름철 지표 근처의 따뜻하고 습한 공기가 위로 올라가 급격하게 식으면 시커먼 적란운이 만들어지는데, 게릴라성 호우의 원인은 더운 여름에 흔히 볼 수 있는 이 적란운 때문이다.

집중 호우와 게릴라성 호우의 차이: 집중 호우는 몇 개의 적란운에서 몇 시간 동안 비가 계속 내리는 것을 말한다. 이에 반해 게릴라성 호우는 한 개의 적란운에서 비가 내려 좁은 범위에 집중되고, 언제 내릴지 예측하기 어렵다.