과학도서 - 21세기과학의포커스 21세기과학의포커스

흥미롭고 신비한 과학 (21세기 과학의 포커스, 서울대학교 자연과학대학교수 20인)
전에 우리 누나가 학교 숙제로 이 책을 읽고 독후감을 쓰고 이 책 내용을 대충 말해줘서 이 책 내용을 대충이나마 알고 있었기 때문에 이 책으로 독후감을 쓰게 되었다. 내가 과학을 좋아하는데, 좋아하는 이유가 과학은 너무나도 내가 알지 못하는 흥미로운 사실들이 많기 때문이다. 그래서 이 책을 일반 소설책 같은 것보다도 더 흥미롭게 책을 읽게 되었다.
1장의 앞쪽에서 보면 허블 상수의 값으로부터 우주의 나이와 구상성단의 나이를 구할 수 있었다. 그러나 우주의 나이는 80억 년 내지 120억 년이지만 가장 오래된 구상성단의 나이는 140억 년 내지 180억 년이라는 것이다. 부모(우주)가 자식(구상성단)보다 나이가 적다는 말에 흥미로웠다. 이 사실을 읽고는 그 책 속으로 푹 빠져들었다. 그리고 여기서 무엇인가 잘못되었는데 그러면 구상성단의 나이…(생략)

지만 읽었는데도 이렇게 흥미로운 생각을 하는 것이 재미있기도 했다. 아, 그리고 생각해 볼 문제 3번에서 우주는 팽창하는데 인간은 왜 팽창하지 않는지에 대해서 묻는 문제가 있었다. 나는 이 문제에 대한 나의 답변은, ‘우주가 팽창하는 것은 은하와 은하, 또는 별과 별―별도 거리가 멀어지는지는 모르겠지만―사이의 거리가 멀어지는 것이지 부피가 팽창하는 것은 아니다.’ 이다. 정답은 내가 모르지만 이렇게 생각하는 문제가 나는 너무나 좋다.

끊임없는 물음표를 만들어내는 인간은 우주라는 것에 대해 물음표를 두고 계속 연구해왔다. 현재 허블 우주망원경에 설치된 CCD 카메라를 이용하여 얻은 여러 관측 자료로부터 우주에 대한 새로운 사실을 많이 알게 되었지만, 동시에 현재로서는 풀지 못하는 새로운 문제들도 생겨나고 있었다. 그리고 훗날 우주비행사가 되거나 우주관광단에 참가하여 달 표면을 걸어다닐 기회가 있을 때, 소형 망원경으로 천체를 관측한다면 그 소형 망원경도 우주망원경이 된다는 말에 흥미롭고 기분이 들떴다. 우리가 지구과학시간 수업을 하면서 여러 가지 관측 사진들이 CCD 카메라를 이용하여 촬영한 자료라고 생각하니 그 사진이 새롭게 느껴지기도 했다. 나는 그냥 단지 성능 좋은 카메라로 촬영한 줄 알았는데, 이렇게 까지 뛰어난 카메라가 있을 줄은 상상도 못했던 것이었다. 그래도 훗날에는 카메라의 성능만 발전시키지 않고 다른 방법들도 발전하게 될 것이라고 믿고 있다.

어릴 때 나는 아주 막연하게 그냥 우주의 존재 정도 밖에 알지 못했지만 초등학생이 되어 우주에 대한 이야기를 듣고, 중학생이 되어서 과학을 공부하면서 우주에 대해 훨씬 자세히 알게 되었다. 그리고 지금 책을 보면서 내가 살고 있는 지구가 우주에 비하면 먼지 한 낱에 지나지 않는 다는 것에 새삼 다시 생각하게 되었다. 우주가 얼마나 큰지 정확하게는 잘 모르겠지만 보이는 것보다 보이지 않는 것이 훨씬 많다는 말과 우주가 팽창하고 있다는 말에 머리가 복잡해지기도 하고 흥미롭기도 했다. 그리고 ‘우주 밖’이라는 공간이 있을지도 의문이었다. 내가 한때는 우주밖엔 무엇이 있을지, 어떻게 되어있을지 매우 심각하지는 않지만 아주 깊이 생각한 적도 많았다. 현재 우리 인간의 과학기술이 많이 발전한 것 같지만 아직 아는 것에 비해 모르는 것이 많다고 한다. 인간은 우주에 비하면 마치 이제 말을 갓 배운 어린 아이로 느껴졌다. 그래서 장차 나중에 우리 세대나 다음 세대가 과학기술을 더욱 발전시켜서 우주에 대한 비밀을 많이 밝혀 냈으면 하는 바람이 있다.

우주의 나이를 재는 방법에는 늙은 천체의 나이를 측정하여 우주의 최소나이를 구하는 방법과, 우주가 팽창하고 있다는 사실을 이용하여 우주의 나이를 직접 구하는 방법이 있다. 늙은 천체의 나이를 재는 방법에는 방사성 동위원소를 이용한 방법과, 별의 진화 이론을 이용한 방법이 있다. 천체의 나이는 그래도 비교적 쉽게 구할 수 있지만 우주의 나이를 재는 것은 무척 어려운 것 같다. 우주에는 우리가 볼 수 없는 부분들이 많기 때문에, 그 보이지 않는 부분을 알아내기가 힘들기 때문이다. 또, 이론을 실제에 적용시키기가 쉽지 않기 때문이다.

우주 속에서 여러 은하들 중에서 우리은하가 있고, 우리은하 속에서 여러 별들 중에서는 태양이 있다. 태양은 1500만℃의 고온 고압 하에서 매초마다 약 6억 7천만 톤의 헬륨이 만들어지고 있으며, 약 400만 톤의 질량 결손이 생겨 이들이 모두 에너지로 바뀌고 있다고 한다. 현재 수소 소비량으로부터 태양의 수명을 추정해보면 앞으로 50억 년 동안은 현재와 같은 상태를 유지할 수 있다고 하니 왠지 안심이 되는 듯 했다. 왜냐하면 내가 아무리 오래 살아도 100년보다는 많지 않을 것이기 때문이다. 그리고 태양의 쌀알조직, 홍염과 플레어, 스카이랩(Skylab)과 코로나 구멍, 흑점 등 지구과학시간에 배웠던 것보다 사진과 함께 훨씬 자세하게 설명이 되어있었다. 나는 태양에 대해서 아는 바가 그렇게 많지 않아서 궁금한 것이 더 많지만 그래도 또 아는 것이 더 생겨서 기쁘기도 했다.

나는 ‘생물학’하면 유전자, DNA, 복제기술, 게놈지도 등 그런 것들이 제일 먼저 떠오른다. 역시 유전자는 생물학에서 빼놓을 수가 없다. 유전자가 인간의 행동을 지배하는 중요한 요인이라는 것을 어느 정도 인지하고는 있었지만 범죄성향, 조울증, 정신분열증, 알코올 중독증, 동성애 등의 성향들도 유전적 원인이 크다는 조사 결과에 놀라지 않을 수가 없었다. 나는 그런 성향들이 단지 환경적 요인 때문인 줄로만 알았던 것이었다. 하지만 환경적 요인들도 유전정보를 변화시킬 수 있는 돌연변이도 있다. 그러면, 유전적 요인과 환경적 요인은 어떤 상호작용으로 인해 생명체의 특성을 결정짓는지 궁금했다. 그래서 책에서 왜 그런지 궁금해하면서 계속 읽어 나가는데 모르는 것이 많다면서 정확한 답을 적어 놓지 않은―사실 책 탓이 아니지만―책이 야속하기만 했다.

지금 이 독후감을 쓰는데도 컴퓨터를 이용하고 있고, 우리의 생활에는 컴퓨터가 많은 자리를 차지하고 있다. 내가 알기로는 몇 십 년 전만 해도 단순한 계산을 하는 컴퓨터도 우리 집 만큼 컸었던 걸로 알고있다. 컴퓨터는 이렇게 짧은 기간 동안에 아주 많은 발전에 발전을 거듭해왔다. 그래서 컴퓨터의 기능이 좋아지자 컴퓨터는 우리 일상생활에 끼여들게 되었다. 그때부터 우리의 생활은 달라지게 되었다. 현재 컴퓨터로 인터넷을 하면서 몇 분 안에 여러 가지 자료들을 찾을 수 있고, 그 외에도 여러 가지 작업을 할 수 있다. 이렇게 우리가 편하게 살게 된 것도 과학기술덕분이다. 반도체 기술과 컴퓨터 하드웨어의 발달로 컴퓨터가 더 빠르게 계산을 할 수 있게 되어 보다 경제적이고 더 빠른 시간에 더 많은 정보를 처리 할 수 있게 되었다. 그리고 통신 기술의 발달이 인터넷을 할 수 있게 했다. 또, 소프트웨어 기술의 발전도 그렇다. 컴퓨터 구조만으로는 어떤 작업을 하기는 어렵다. 그 작업을 하려면 작동 기능이 있어야 하기 때문이다. 이렇게 발달된 컴퓨터를 이용해서 뉴턴이 만든 이론물리학에서부터 실험물리학, 현대 물리학을 완성하게되었다. 그리고 개인용 컴퓨터, PC 혁명은 전산기 물리학의 끝을 맺게 되었다. 이쪽 부분에는 내가 관심 있어 하는 부분이 아니라서 쫌 지루하기는 했지만, 몇 가지 새로운 사실을 알게 되었다. 뉴턴 역학의 문제가 대부분 풀리지 않는다는 것이다. 나는 ‘도대체 어떤 것이기에 풀리지 않을까?’하고 궁금해했다. 하지만 이 책에는 그 문제가 뭔지 나와있지 않아서 아쉬웠다. 그리고 나는 ‘만약 내가 나중에 풀 수 있으면 좋겠다.’하고 생각만 하고 말았다.

미생물은 우리 주변에 있으면서 우리에게 질병을 일으키는 등 피해를 주기도 하지만, 상상외로 많은 도움을 준다. 그 도움들 중에는 의약품의 생산, 환경의 정화, 식품의 생산, 대체 에너지 자원의 개발 등 매우 광범위하다. 그래서 생물과학적 기초지식과 이를 이용할 분야를 창의적으로 개척해 나갈 때 우리의 삶은 한 층 더 풍요로워질 것이라고 한다. 나는 미생물로 환경을 정화시키는 것은 알고 있었는데, 의약품의 생산과, 식품의 생산, 대체 에너지 자원의 개발까지는 알지 못했다. 이렇게 미생물도 우리에게 여러 가지로 도움을 주는 줄은 처음 알게 되었다. 어쨌든 이런 미생물을 잘 개발해서 우리에게 유익하게 하면 좋겠다.

극한환경에서도 미생물이 존재할 수 있다고 한다. 극한 미생물군에는 호열성 미생물, 호냉성 미생물, 호염기성 미생물, 방사선 또는 중금속에 내성을 지닌 미생물 등이 있다고 한다. 이러한 극한 미생물은 생명체가 극한 상태에 처할 때 어떻게 적응 또는 안정화되는지를 이해하는 데 중요한 연구 모델이 될 뿐만 아니라, 생물 공학적 응용에 있어서도 실용적 가치가 매우 높다고 한다. 나는 여기서 한가지 의문이 생긴다. 미생물이 ‘극한적’이라고 불리는 환경에서 적응 또는 안정화되는지를 이해하는데 실험대상이 되어도 사람 같은 고등 생물은 그럴 때 어떻게 되는지 어떻게 알아낼지 궁금하다. 그래도 하등 생물먼저 알아낸 후에 고등 생물을 알아내는 것이 순서이기 때문에 별 반감은 가지지 않는다.

생명체가 생명을 유지하기 위해서는 흡수한 영양분을 분해해서 세포에 필요한 물질들을 합성할 뿐만 아니라 이러한 과정들을 조절하는 여러 가지 생화학 반등들이 필요하다. 그런데 이러한 생화학 반응에는 효소가 아주 중요한 역할을 하고 있다고 한다. 생물체는 생존하는 데 필요한 여러 가지 물질을 만드는 합성반응, 또 필요한 물일을 얻기 위해 큰 물질을 쪼개서 새로운 물질을 얻어내는 분해반응, 산화-환원 반응 등 매우 다양한 화학 반응을 통하여 생명을 유지하는 것이다. 그런데 생체 내에서 일어나는 모든 화학 반응은 효소라는 촉매가 있을 때에만 가능하다. 이렇게 봤을 때 이 책에서 효소야말로 생명현상을 가능하게 하는 근본 물질이라고 할 수 있다고 했다. 나는 처음 문득 이 문장을 봤을 때는 ‘효소가 근본 물질이라고?’라고 되물었다. 그런데 그 뒤에 오는 글을 보고는 ‘근본 물질이라고 할 수 있겠구나.’하고 다시 생각하게 되었다. 효소는 활성화 에너지를 낮춤으로써 적은 에너지로도 반응이 일어나도록 해준다. 생물체 내에서 일어나는 모든 분해 반응이나 합성 반응에는 반드시 효소가 관여하고 있다는 것이 밝혀졌다. 효소의 기능에 대한 근본적인 이해가 이루어지면 인류의 모든 질병의 치유 등 많은 것이 변화하게 될 것이라고 한다. 또 생물체는 독특한 자기 보존과 생존을 위하여 아주 다양한 효소를 가지고 있는 경우가 많기 때문에 효소는 가장 다양한 기능을 가진 촉매라고 할 수 있다고 한다. 나는 효소가 음식물의 소화정도의 간단한 일을 처리하는 것인 줄로만 알고 있었는데, 효소는 이렇게까지 중요한 줄은 이 책을 읽고서야 처음 알게 되었다. 나는 이렇게 나를 제대로 된 지식을 알게되어 기쁘기도 하다.

효소공학이란 효소를 만드는 유전자를 이용하여 일정한 위치의 아미노산을 다른 아미노산으로 교체하는 것으로서, 활성부위로 이용되는 아미노산의 변경을 통한 능력의 개선, 흡착 능력의 향상, 효소 반응 속도의 급속한 증가, 안정성의 향상, 단백질 분해효소에 의한 단백질의 보호 등 효소 기능의 개선이 점차 가능하게 되었다고 한다. 고도의 전문적인 기술의 집약으로 발전이 가능한 이 인공 효소 연구 분야에 앞으로 많은 우수한 과학도들이 참여하게 될 것이며, 경제적인 측면에서 볼 때에도 효소를 이용한 생명공학 산업은 그 시장이 무한대이므로 국익에 큰 도움을 주게 될 것이라고 했다. 이 책이 수 년 전에 지어진 것이라서 지금은 어떨지는 모르겠지만, 잘 개발하여 국익에 큰 도움을 주면 좋겠다.

20세기를 전자의 시대라고 한다면 21세기는 광자의 시대라고 할 수 있다고 한다. 그리고 우리가 잘 알 듯이 광자 가운데 가장 대표적인 것은 레이저 빛이다. 레이저는 현재 CD-ROM뿐만 아니라 의료, 군사, 연구, 산업, 기계 등 다양한 분야에 많이 사용되고 있다. 특히 정보 통신분야에서도 앞으로는 레이저를 이용한 광통신이 기존의 전자적인 방법을 대치하게 될 것이다. 이러한 기술적인 혁신과 함께 자연과학 분야에서도 지금까지 불가능했던 새로운 자연 현상을 연구할 수 있게 되었다고 한다. 나는 요즘 빛에 관심이 많다. 특별한 이유는 없지만 빛은 정말 신비하고 흥미로운 것이기 때문이다. 빛은 질량도 없는데 입자성과 파동성을 가진다는 것이 현재 내 머리에 들어있는 지식으로서는 도저히 설명할 수 없다. 어쨌든 내게는 빛이란 흥미로운 존재이다.

극초고속 레이저 분광학은 분자들의 활동 상황을 실시간에서 기록할 수 있도록 하기 때문에 물리, 화학, 생물의 제 현상들, 특히 변화하는 현상들을 원자와 분자의 크기 및 시간 수준에서 이해하는데 가장 확실한 방법을 제공해 줄 것이라고 한다. 우리가 살고 있는 우주 삼라만상은 원자들로 이루어져 있다. 따라서 분자의 활동 사진을 촬영하여 원자 수준에서 이해할 수 있다면, 우주 만물의 이치까지 이해 할 수 있을 것이다. 이렇듯 극초고속 레이저 분광학은 기초과학에서 가장 핵심적인 역할을 해낼 것으로 기대되고 있을 뿐만 아니라 응용과학 및 산업 발전에도 크게 기여하고 있으며, 급속하게 그 활용범위를 넓혀 가고 있다고 한다. 나는 이렇게 해서 분자의 활동 사진을 촬영하여 원자 수준에서 이해하는 것보다 빛에 대해서 이해하고 싶다는 욕구가 더 많다.

생물은 과연 진화하는지에 대해서 나는 진화한다고 대답할 것이다. 나는 진실을 알지 못하지만 지구가 태어날 때부터 사람이나, 원숭이 같은 동물과 어떤 식물이 있었던 것은 아니기 때문에 생물은 진화했다고 생각한다. 그런데 그 진화의 원리가 무엇인지 잘 모르겠다. 용불용설, 자연선택설, 돌연변이설 등 여러 가지 학설들이 나왔지만, 어느 한 가지도 생물진화라는 거대한 사실을 만족스럽게 설명해 주지는 못했다. 나는 생물 진화의 원리가 무엇인지 무척 궁금하다. 그래서 나중에 생물학을 배우게 되어 훌륭한 과학자가 되면 한 번 그 원리를 밝혀낼 용의가 있다.

현재 지구의 환경문제가 심각하다는 것은 이제 삼척동자도 다 알고 있는 사실이다. 환경문제를 해결하기 위한 노력들이 지구적 차원에서 일어나고 있다. 하지만 아직도 환경문제의 근본적인 해결과는 거리가 있다. 생물과 환경을 하나로 묶어 생태계라고 하는데, 생태계는 규모가 클수록 안정적이다. 규모가 큰 생태계일수록 많은 종류의 생물이 살고 있어 그 안에서의 역할 분담을 통해 오염물질을 잘 소화하고 있기 때문이다. 그러나 규모가 큰 생태계일수록 일단 파괴되고 나면 원상태로 회복되는 것은 거의 불가능하다고 한다. 우선 자연은 자정 능력이 있다고 한다. 그런데 그 자정 능력의 한계를 넘어서 버리면 더 이상의 자기의 역할을 할 수 없게 된다. 따라서 지금이라도 환경문제에 대한 심각성을 깨닫는 것은 물론이고 대책을 세워 환경오염이 심화되지 않도록 해야할 것이다.

인간은 인간이 생겨나기 이전의 것의 나이를 재는데 보통 방사성 동위원소를 이용한다. 방사성 동위원소들 중에서도 일반적으로 탄소 동위원소를 사용하는데, 그 이유는 방사성 동위원소들 중 탄소의 반감기가 가장 짧기 때문이다. 그렇게 되어야 나이를 측정하는데 오차가 덜 생기기 때문이다. 반감기란 방사성 동위원소의 핵이 붕괴하여 그 수가 반으로 줄어드는데 걸리는 시간을 의미한다. 그러나 방사능의 측정은 근본적인 한계가 있다. 그래서 가속기 질량분석법을 사용하는데, 극미량의 천연 레벨 방사성 원소를 고감도로 계측하는 기술이라고 한다. 나는 방사성 동위원소는 들어봤지만 가속기 질량분석법은 이 책을 읽으면서 처음 알게 되었다. 내가 모르는 것이 나와 기분이 좋았다. 이 방법은 종래 방사선 계측방법에 비해 1천 배 이상의 높은 감도를 가지고 있으면 시로의 크기를 1천 분의 1로 줄일 수 있게 되어 방사선원소분석법의 혁명이라고 할 수 있는 기술이라고 한다. 이렇게 더 정밀하게 측정할 수 있게 되면 여러 가지로 좋은 점들이 많을 것 같은데, 나는 이 기술들이 그냥 단지 암석 같은 것들의 나이를 측정하는데 사용하는 것으로만 알고 있다. 그래도 이렇게 과학이 발달한 것이 놀랍기도 하고 흥미롭다.

여기에는 내게 어려운 내용들이 다소 있어서 모두 이해하지는 못했다. 그래도 이렇게 새로운 과학 지식을 알고, 재미있는 생각들을 할 수 있어서 좋았다. 나는 이 책에 대해 모두 같은 의견은 아니지만 대부분은 공감한다. 내가 제대로 이해하지 못했던 부분은 다시 읽어보고 모르는 부분은 다른 책이나 인터넷을 찾아보면서 알아내도록 해야겠다.