생명의 언어들

생명의 언어들

안주현 지음

동아시아 / 2025년 6월 / 320쪽 / 18,800원





1부 경계를 넘어 - 생명과 과학의 대화



공학이 들려주는 생명의 언어

[화학에서 대장균으로 이어진 섬유 혁명, 나일론]

나일론이나 폴리에스터와 같은 합성섬유는 석유계 화학물질에서 얻은 원료로 만든다고 알려져 왔어요. 그런데 살아 있는 미생물에서 합성섬유의 원료를 얻는 방법에 관한 연구가 최근 국제 학술지인 <미국국립과학원회보>에 발표되었습니다. 화학적인 방법으로 합성되는 섬유를 생물체에서 만들어 내는 일이 어떻게 가능할까요?

천연섬유, 인조섬유, 합성섬유: 섬유는 구성성분이나 가공방법에 따라 천연섬유와 인조섬유로 나눌 수 있어요. 천연섬유는 자연에서부터 섬유 형태로 생산하여 직접 이용할 수 있기 때문에 먼 옛날부터 인류의 역사와 함께해 왔어요. 어디에서 유래했는지에 따라 식물성 섬유, 동물성 섬유, 광물성 섬유로 나누기도 하고, 화학적 조성에 따라 셀룰로오스계 섬유, 단백질계 섬유, 광물질계 섬유로 구분하기도 하지요.

식물성 섬유는 물을 잘 흡수하고, 전기전도성이 높아 정전기가 잘 생기지 않으며, 열과 화학약품에 대한 안정성도 높다고 해요. 하지만 신축성이 적고 구김이 잘 생기는 단점도 있어요. 목화솜에서 추출한 면이나 삼에서 추출한 마가 대표적인 식물성 섬유에 속해요. 동물성 섬유도 물을 잘 흡수하지만, 식물성 섬유와 달리 구김이 잘 생기지 않고, 탄성 회복력이 뛰어나면서도 질소 성분을 포함하고 있어 불에 잘 타지 않는다고 해요. 그러나 열과 물, 화학약품, 해충으로 인한 충해에 약하다는 단점이 있지요. 누에고치에서 추출한 견(絹)과 동물의 털로 만든 모(毛)가 동물성 섬유에 속해요. 광물성 섬유로는 석면이 대표적이에요.

인조섬유는 제조 과정에서 화학적 방법을 사용하여 인공적으로 만들어 낸 섬유예요. 합성섬유는 인조섬유 중에서도 화학적 방법을 이용해 석유나 석탄 등에서 추출한 저분자를 고분자화합물로 합성하여 만드는 섬유예요. 1930년대에 세상에 알려져 현재까지도 널리 쓰이고 있는 나일론과 1950년대에 공업적으로 만들어진 폴리에스터가 대표적인 합성섬유이고, 일회용 마스크에 많이 쓰이고 있는 폴리프로필렌 또한 합성섬유의 일종이지요.

최초의 합성섬유, 나일론: 나일론은 상업적 생산에 성공한 최초의 합성섬유인 만큼 역사가 가장 오래되었어요. 1920년대 후반 미국의 화학공업회사인 듀폰은 당시 하버드대 화학과에 재직 중이던 월리스 캐러더스를 영입하여 자연에서 충분히 얻기 어려웠던 고무를 인공적으로 합성하는 방법을 연구합니다. 캐러더스 연구팀은 알코올과 카르복실산을 결합하여 에스터를 여러 개 연결한 형태인 폴리에스터를 최초로 합성했고, 인조고무인 네오프렌의 합성에도 성공합니다. 그리고 이 폴리에스터에서 가늘고 긴 실을 뽑아낼 수 있다는 것을 발견했어요.

이것을 이용하여 합성섬유 연구를 지속한 결과 산과 아민을 길게 연결한 고분자 아마이드 화합물인 폴리아마이드섬유를 합성했으며, 여기에 석탄 부산물인 벤젠에서 얻은 아디프산을 반응시켜 중합체를 만드는 데 성공합니다. 듀폰 사는 여기에 ‘나일론’이라는 이름을 붙여 상업화했어요. 나일론은 처음에는 칫솔에 이용되었고, 이후 가볍고 질기면서도 마찰과 물 등에 강한 특성 때문에 의류, 생활용품, 산업용품, 군수용품 등 수많은 분야에서 널리 이용되기 시작했으며 현재까지도 대표적인 합성섬유로 알려져 있습니다.

미생물로 만드는 합성섬유: 하지만 나일론으로 대표되는 합성섬유는 대부분 석유계 화학물질을 기반으로 인공적으로 합성하기 때문에 자원과 환경문제에서 자유로울 수 없고, 재생이 어렵다는 단점도 있어요. 그래서 최근에는 보다 친환경적인 방법으로 합성섬유를 제조하기 위한 연구가 이루어지고 있지요. 2020년 말, 한국과학기술원 연구팀은 미생물 균주를 이용해서 합성섬유의 원료를 고농도로 생산해 내는 데 성공해서 화제가 되었어요.

연구팀은 이전에도 대장균을 이용하여 합성섬유 제조에 중요한 화합물인 ‘글루타르산’을 생물학적으로 만들어내는 데 성공했었지만, 생산된 글루타르산의 농도가 낮다는 아쉬움이 있었어요. 그래서 최근 연구에서는 이를 개선하여 대장균 대신 코리네박테리움 글루타미쿰이라는 세균을 이용해서 글루타르산 생산에 관련된 유전자를 새로 발견했습니다. 글루타르산을 만들어 내는 최적의 조건도 찾아내서 기존보다 1.17배 향상된 글루타르산 생산에 성공했다고 해요. 생물을 이용해서 친환경적인 방법으로 세계 최고 농도의 글루타르산을 생산해 냈다는 것도 뛰어난 점이지만, 이 시스템 대사공학 전략과 생화학적 기술을 개발했다는 점에서도 국제적으로 인정받고 있습니다. 즉 이런 생산 방식을 다른 화학물질의 생산에도 적용할 수 있다는 뜻이지요.

합성섬유는 편리하고 질기며, 경제적으로 대량 생산할 수 있다는 등의 수많은 장점 때문에 현대사회 전반에 이용되고 있지만, 폐기 후 자연 분해에 너무 오랜 시간이 걸리고, 사용 과정에서 미세 플라스틱이 방출되거나 태울 경우 오염물질이 발생하는 등 환경문제의 원인이 되기도 해요. 2020년 6월 포르투갈 연구팀이 <환경과학과 기술>에 발표한 연구에 따르면 코로나바이러스 사태 이후 매달 이탈리아에서 소비되는 마스크의 수가 10억 개에 달한다고 해요. 이것을 전 세계 인구 78억 명으로 추산해 보면 1,290억 개의 마스크가 사용되는 셈이라고 하니 어마어마하지요. 최근에는 이를 해결하기 위해 보다 빨리 분해 가능한 합성섬유를 개발하거나 재활용하는 방법들도 연구되고 있다고 합니다.

물리가 들려주는 생명의 공식

[몸속 순환을 읽어내는 혈압계]

5월은 가정의 달, 청소년의 달 등 별칭이 많은 달이기도 한데요, 2017년부터는 새로운 별칭이 하나 더 생겨서 이어져 오고 있습니다. 5월 17일이 세계 고혈압의 날인 것을 기념하여 5월을 ‘혈압 측정의 달’로 지정한 것이지요. 특히 최근에는 20~30대 고혈압 환자가 급증하고 있어 조기 진단과 치료의 필요성이 강조되고 있습니다.

순환계와 혈압: 혈압에 관해 이야기하기 위해 우선 우리의 순환계를 살펴볼까요? 사람의 몸은 세포로 이루어져 있는데, 형태와 기능이 비슷한 세포들의 모임을 조직이라고 해요. 조직 여러 개가 모여 특정 형태를 이루고, 고유한 기능을 수행하게 되면 기관이라고 부르지요. 우리가 흔히 말하는 심장, 위, 폐 등이 대표적인 기관들이에요. 특정한 기능을 수행하기 위해 여러 기관이 모여 이루어진 체계는 기관계라고 부릅니다. 사람의 기관계에는 소화계, 순환계, 호흡계, 배설계, 신경계, 생식계, 내분비계, 면역계 등이 있어요.

순환계는 이름에서도 알 수 있듯이 우리 몸 안을 순환하면서 각 기관에 산소와 영양 등을 전달하고, 이산화탄소와 노폐물 등을 받아서 배설계나 호흡계 등으로 보내주는 역할을 해요. 순환계의 대표적 기관으로는 심장과 혈관이 있습니다. 심장은 스스로 전기를 만들어 주기적으로 수축하고 이완하는 심장 박동을 일으킬 수 있어요. 심장이 이완할 때 폐에서 산소를 공급받은 혈액이 심장으로 들어오면 심장이 수축하면서 혈액이 뿜어져 온몸 구석구석 보내집니다. 근육질의 심장은 끊임없이 수축과 이완을 반복하는데, 일반적인 성인의 경우 안정된 상태일 때 분당 70~80회, 하루에 10만 회 정도 박동한다고 해요. 가슴에 가만히 손을 얹어보면 심장 박동이 느껴지기도 하지만 손목이나 목에서도 맥박이 느껴지지요.

심장 박동 상태를 더 정확하게 알기 위해서는 심장에서 뿜어진 혈액이 혈관을 통해 이동할 때 동맥혈관 벽에 가하는 압력인 혈압을 측정합니다. 혈압은 심장 박동에 따라 주기적으로 변화하는데, 심장이 수축할 때 벽에 가해지는 압력이 가장 크기 때문에 최고혈압이 나타나고, 이완기에는 최저혈압이 나타나요. 보통 성인의 경우 최고혈압 120mmHg(수은주밀리미터) 이하, 최저혈압 80mmHg 이상이면 정상 혈압이라고 판단합니다. 혈압이 정상 범위보다 높게 나타나는 경우를 고혈압이라고 하고, 낮은 경우를 저혈압이라고 해요.

하지만 높다고 무조건 고혈압은 아니고, 정상 기준으로 높은 정도에 따라 주의혈압, 고혈압 전단계, 고혈압 1기, 고혈압 2기로 분류합니다. 또 나이, 인종, 성별, 건강 또는 감정 상태, 근육의 활성 정도 등에 따라 차이가 있고, 같은 사람이라도 어떤 조건에서 측정했는지에 따라 다르게 측정될 수 있어서 안정된 상태에서 반복 측정하는 것이 권장되고 있어요. 우리나라는 2018년 대한고혈압학회에서 정의한 최고혈압 140mmHg, 최저혈압 90mmHg를 고혈압 기준으로 사용하고 있습니다.

혈압계의 탄생: 1905년 러시아의 군의관이었던 니콜라이 코로트코프는 당시 수은혈압계와 청진기를 이용해 혈압을 측정하는 방법을 고안했습니다. 팔 윗부분에 커프를 감아서 동맥을 압박하면 일시적으로 혈액의 흐름을 막을 수 있습니다. 이렇게 흐름을 막았다가 압력을 서서히 풀면 혈액이 소용돌이치며 흐르는데, 이때 들리는 소리를 청진기로 포착해 혈압을 읽었지요. 최초로 소리가 들린 시점의 압력을 수축기 혈압으로, 소리가 사라진 지점을 이완기 혈압으로 기록했습니다. 지금도 혈압의 단위로 쓰이는 mmHg는 바로 수은(Hg)에서 유래한 단위입니다. 그리고 그 소리는 ‘코로트코프음’이라고 부르게 되었답니다. 이렇게 청진기로 코로트코프음을 들으며 혈압을 측정하는 방식을 청진법이라고 해요.

그 후로 오랫동안 전 세계에서 혈압 측정에 이용되어 온 수은혈압계는 위기를 맞게 됩니다. 바로 혈압계 내부에 쓰이는 수은 때문이에요. 1956년 일본 미나마타에서 수은 중독으로 인한 대규모 환자와 사망자가 발생한 이후 수은 사용에 대해 국제적으로 큰 문제가 제기되었거든요. 이를 계기로 2013년 10월 유엔 환경계획에서 ‘수은에 관한 미나마타 협약’이 채택되었고, 우리나라를 비롯한 114개 국가가 비준을 완료했지요. 그리고 2017년 8월 16일에 정식으로 발효되었습니다. 협약에 따르면 2020년 이후 수은을 사용하는 제품들의 제조, 수출, 수입이 금지되는데, 수은혈압계도 바로 여기에 해당되기 때문에 더 이상 사용할 수 없어요.

지난 몇 년간 수은을 사용하지 않고 혈압을 측정하는 기기와 방법들이 개발되었지만, 수은혈압계의 정확성을 따라갈 수 없었어요. 그래서 혈압측정장치의 표준적인 위치를 지켜온 수은혈압계를 완벽하게 대체할 수는 없을 것이라는 우려가 있었습니다. 2017년 11월 대한고혈압학회가 발표한 ‘수은혈압계 이후의 혈압계 이용 지침’에 따르면 현재까지 개발된 방식 중에서 기존 방식과 비슷하면서도 정확도가 높은 방법으로 전자식 압력계와 청진기를 이용한 혈압 측정을 권장한다고 해요. 전자혈압계는 소리가 아니라 혈관에서 발생하는 박동의 크기를 이용해서 수축기와 이완기 혈압을 산출해요.

스마트기기로 재는 혈압: 최근에는 휴대폰이나 시계, 스마트기기를 이용해서 손쉽게 혈압을 측정할 수도 있습니다. 스마트워치나 스마트밴드에서 나오는 LED 빛을 손목에 비추면, 동맥을 지나는 혈액량을 센서로 측정하는 방식이 대표적이에요. 하지만 모든 측정 장비가 그렇듯 측정 오류를 줄이고 결과의 정확도를 높이기 위해서는 영점 조정과 주기적인 교정과 관리가 필요하겠지요. 또한 전문 의료장비에 비해 정확하지 못할 가능성도 있기 때문에 정기적인 건강검진을 통해 혈압을 정확하게 측정하고, 이상 증상이 있는 경우에는 반드시 병원을 방문하여 진료받는 것이 필요합니다.

지구와 우주가 전하는 생명의 흔적

[충돌이 가져온 기회, 공룡과 소행성]

우주를 떠도는 소행성이 지구를 향해 날아와 충돌할 수 있을까요? SF영화에서만 나올 것 같은 이런 일이 과거 지구에서 실제로 일어났었다고 해요. 2020년 5월에는 지름이 1.5킬로미터에 달하는 거대한 소행성 ‘136795(1997BQ)’가 지구로 접근하고 있다는 소식이 들려와 사람들의 관심이 집중되기도 했어요. 하지만 근접이라고 해도 지구와 달 사이 거리의 16배가 넘게 떨어져 있어 충돌 위험은 없는 것으로 밝혀졌습니다. 그렇다면 소행성은 무엇이고, 우리에게 어떤 영향을 주고 있을까요?

소행성이란 무엇일까?: 지구가 속한 태양계는 밝게 빛나는 항성인 태양을 중심으로 수성, 금성, 지구, 화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성이 공전하고 있어요. 이 8개의 천체를 우리가 흔히 태양계의 행성이라고 부르지요. 소행성은 이름에서 알 수 있듯이 태양계를 이루는 작은 천체이면서 표면에 가스나 먼지 등에 의한 활동이 관찰되지 않는 천체예요. 소행성을 뜻하는 영어 이름인 asteroid는 ‘별과 같은 star-like’ 또는 ‘별처럼 생긴 star-shaped’의 의미를 지닌다고 해요. 화성과 목성의 궤도 사이에 소행성들이 많이 모여 있으면서 목성 궤도 안쪽을 따라 태양 주위를 공전하고 있는 공간이 있는데, 이곳을 ‘소행성대’라고 부릅니다. 소행성대 외에도 소행성들의 공전궤도에 따라 비슷한 궤도를 도는 소행성들을 ‘소행성군’으로 묶어서 부르기도 하지요.

소행성이 처음 발견된 것은 19세기 초였어요. 이탈리아의 천문학자인 주세페 피아치는 1801년 화성과 목성 사이에서 움직이는 천체를 발견하고 ‘세레스(Ceres)’라는 이름을 붙였습니다. 당시에는 행성으로 생각했지만 이후 소행성으로 분류되었어요.

행성이 늘어선 간격: 티티우스-보데의 법칙: 이렇게 소행성이 최초로 발견된 것은 19세기이지만, 소행성대 발견의 계기가 된 과학적 발견은 훨씬 이른 시기인 1766년에 이루어집니다. 바로 독일의 천문학자인 요한 티티우스가 1766년에 발견하고 요한 보데가 1772년에 발표한 티티우스-보데의 법칙 덕분이었어요. 이 법칙은 태양계를 공전하는 행성들이 특정한 수열(d=0.4+0.3×2n)에 따른 거리만큼 각각 태양으로부터 떨어져 있다는 내용이었어요. 우주에서 행성 간 거리를 나타낼 때 쓰는 단위로는 AU(천문단위)를 사용하는데, 1AU는 태양과 지구 사이의 거리를 나타냅니다.

티티우스-보데의 법칙에 따르면 이론적으로 수성은 0.4AU, 금성은 0.7AU, 지구는 1.0AU, 화성은 1.6AU, 목성은 5.2AU, 토성은 10AU로 나타나야 했고, 이것은 실제 거리인 0.39, 0.72, 1.00, 1.52, 5.20, 9.55와 거의 일치하게 나타났지요. 그리고 1781년 발견된 천왕성이 이 수열의 다음 숫자인 19.6AU에 거의 근접한 19.2AU만큼 떨어져 있는 것으로 밝혀져 티티우스-보데의 법칙이 큰 주목을 받게 되었어요.

천문학자들은 티티우스-보데의 법칙에 따르면 화성과 목성 사이에 존재하는 2.8AU 부근에 새로운 행성이 있어야 한다는 것에 주목하고 그 위치에 존재하는 천체를 열심히 찾기 시작했어요. 그리하여 1801년 세레스를 발견하게 된 것이었지요. 그리고 세레스 외에도 그 위치에 해당하는 궤도 부근에서 팔라스, 유노, 베스타 등 수많은 소행성이 이어서 발견되었습니다. 미국 항공우주국(NASA)에 따르면, 현재까지 발견된 근지구 소행성은 2025년 6월 기준 3만 8,502개이고, 이 중에서도 지구를 위협할 정도로 가까운 소행성(지구 위협 소행성, PHA)은 2,481개나 된다고 해요.

소행성에 이름 붙이는 법: 소행성을 발견하면 우선 발견된 시기와 그 무렵에 발견된 순서에 따라 임시 이름을 붙여줘요. 일단 맨 앞에는 발견된 연도를 쓰고, 그 뒤에는 한 달을 전반부와 후반부로 나누어 1월 1일부터 15일까지는 A, 16일부터 31일까지는 B, 2월 1일부터 15일까지는 C, …의 순서대로 알파벳을 두 번째로 붙입니다. 세 번째 위치에는 그 기간에 발견된 순서를 다시 알파벳으로 나타내요. 이때 두 번째와 세 번째 자리 모두 알파벳 ‘I’는 사용하지 않고, H 다음에 바로 J를 사용한다고 해요. 만약 2020년 6월 1일에 발견된 첫 번째 소행성이면 ‘2020 LA’라는 임시 번호를 갖게 되는 거지요. 만약 그 기간에 소행성이 많이 발견되어 알파벳을 다 써버렸다면, 그다음은 다시 숫자를 추가합니다. 예를 들어 A~Z까지 I를 제외한 알파벳은 25개인데, 26번째 소행성이 발견되었다면, 그 소행성의 임시 번호 세 번째 자리는 A1이 됩니다.