발명가의 자질은 실수?

과학향기 — Wed, 16 May 2012 01:30:00 +0900

태연, 입을 씰룩거리며 한참동안 집안을 돌아다니더니 도저히 못 참겠다는 듯이 나무젓가락을 꺼내 칼로 날카롭게 깎기 시작한다.

“엄마는 도대체 쇠고기를 구우신거예요, 아님 삼 만년 묶은 고래심줄을 구우신 거예욧! 고기 한번 먹었다가 24개의 이 사이사이마다 빠짐없이 고기가 끼어서 빠지질 않는단 말이에요. 이쑤시개도 아무 소용없고, 제가 오죽 답답하면 나무젓가락 창을 만들어서 이를 쑤시겠냐고욧!”

“아이고, 그러다 다치면 어떡하려고 그래! 그나저나 너의 무척이나 무식한 두꺼운 젓가락 이쑤시개를 보니, 네가 혹시 발명에 엄청난 소질이 있는 건 아닌가 하는 생각이 드는구나. 많은 학자들이 인류 최초의 발명품을 이쑤시개라고 주장하고 있거든. 그런데 지금 네가 4~5만 년 전 원시 인류가 하던 행동을 똑같이 하고 있으니 말이야.”

“혹시, 지금 저를 원시인 같다고 놀리시는 건 아니겠죠? 제가 원시인이면 아빠도 원시인 아빠라는 걸 잊지 마시라고요. 그리고 뭐, 발명이 별건가요? 아무거나 새로 만들면 되지. 그딴 거 저도 얼마든지 할 수 있어요.”

“맞아. 발명은 어렵지 않아. 더 편하고 유익한 도구를 새로 만드는 것일 뿐이지. 하지만 발명이 바꿔놓은 인류의 문명과 역사는 엄청난 것이란다. 지렛대와 바퀴의 발명 덕분에 물건을 운반하기 쉬워져 지금과 같은 건축물들이 탄생할 수 있었고, 문자와 인쇄술의 발명으로 지식 전달이 매우 쉬워져 세상은 점점 더 빨리 발전할 수 있게 됐지. 또 18세기에 발명된 증기기관 덕분에 산업혁명이 시작됐고 그 덕분에 현대문명이 존재할 수 있게 됐단다. 또 전기, 자동차, 컴퓨터, 인터넷 등의 발명이 없었다면 얼마나 불편했을까, 아이고…, 상상도 하기 싫구나.”

“와, 발명이 그렇게 대단한 거였어요? 그런데 제가 어디서 들은 건데요, 발명을 해서 특허를 따면 돈을 그렇게 많이 번다면서요? 발명 하나로 세계적인 재벌도 될 수 있다던데, 정말이에요?”

“그럼! 대표적인 사람이 발명왕 에디슨이야. 1878년 백열전구를 발명하기 위해 에디슨 전기회사(Edison Electric Light Company) 창설했는데, 이때 수많은 발명품을 만들어냈고 이것이 아직까지 세계 최고 기업 중 하나로 손꼽히는 제너럴일렉트릭(GE)의 모태가 됐지 않냐. 이렇게 발명을 통해 지식재산권을 확보하면 얼마든지 부자가 될 수 있단다.”

“와~!! 드디어 저의 미래 직업을 결정했어요. 저 발명가 될래요!! 그럼 이제 뭐부터 시작하면 될까요? 발명 방법을 좀 가르쳐 주세요. 빨리 빨리요!”

“그래? 그렇담 매년 5월 19일이 ‘발명의 날’로 정해져서 각종 행사가 열리는데, 여기에 출품할 작품을 생각해 보려무나. 발명을 하기 위해 가장 중요한 건 ‘관찰’이야. 일단 지금 네 주변에 있는 모든 물건들을 아주 유심히 관찰하고, 조금이라도 불편한 점이 발견되면 그것을 개선할 수 있는 방법을 곰곰이 고민해보렴. 당장 어떻게 개선할 수 있을지 생각이 나지 않는다면 기존의 물건에 뭔가를 더하거나, 빼보거나, 아니면 모양이나 크기, 재료, 용도 같은 걸 바꾸는 식으로 수많은 상상을 해보는 거야.”

“에이, 그건 발명이 아니잖아요. 그냥 좀 업그레이드 하는 거지.”

“그렇지 않아. 일반적으로 기존 기술의 20% 이상을 개량할 수 있으면 발명으로 인정한단다. 어쩌면 너처럼 하루 종일 온갖 쓸데없는 상상의 나래를 펴느라 바쁜 사람이 발명에는 더 맞는 사람일지도 몰라. 또 넌 실수도 많이 하잖아.”

“자꾸만 놀리실 거예요? 제가 무슨 실수를 해요! 전 흠이 없는 여자라고욧!”

“고~뤠? 참으로 안타까운 일이구나. 실수가 나쁜 게 아니에요. 역사적으로 보면 실수와 우연을 통해 이뤄진 발명이 진짜 많거든. 대표적인 합성소재인 나일론의 경우를 보자꾸나. 20세기 초, 하버드 대학 강사였던 캐러더스는 연구팀원들과 함께 고분자에 대한 연구를 하고 있었어. 그런데 실험이 끝나고 팀원 한 명이 실험 찌꺼기를 불에 쬐여 떼어내려고 하자, 찌꺼기가 끊어지지 않고 계속 실처럼 늘어나는 거야. 이것을 본 캐러더스는 인공 화학섬유 개발을 본격적으로 추진해 결국 나일론을 발명하게 됐단다. 또 1839년 찰스 굿이어라는 청년이 황을 끓이다가 실수로 고무 위에 엎질러 합성고무를 만들었는데, 이것이 고무 타이어의 시작이기도 했지. 뿐만 아니라 전자레인지는 전투기 부품을 만들기 위해 레이저 실험을 하다가, 그리고 치클 껌은 고무를 만들다 실패해서 만들어졌단다.”

“우와, 대단해요! 아빠 얘기를 들으면 들을수록 저는 발명가로서의 자질을 완벽히 갖추고 있는 것 같아요. 아까 일상생활을 좀 더 편리하게 해줄 수 있는 방법을 고민해 보라고 하셨잖아요. 그래서 생각한 건데, 이런 건 어떨까요? 컴퓨터 게임 하면서 과자를 먹으려면 엄청 불편하잖아요. 폭풍 클릭을 해야 하는데 과자는 먹어야겠고, 과자 부스러기는 손에 자꾸 묻고. 그럴 때 과자를 대신 먹여주는 로봇을 발명하는 거예요. 또 목욕을 하면서 게임을 할 수 있게 방수 게임기를 만드는 것도 좋겠어요. 어때요, 끝내주죠?”

“에고… 내가 못 산다 못 살아~. 오늘부터 게임 일주일 금지!!”

글 : 김희정 과학칼럼니스트

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MSG․카제인나트륨…정말 인체에 해로울까?

과학향기 — Mon, 14 May 2012 01:30:00 +0900

매년 5월 14일은 식품안전의 날이다. 식품의약품안전청은 5월 7일부터 18일까지를 ‘식품 안전 인식 기간’으로 정하고 ‘365일 안전한 식품, 건강한 미래’를 주제로 다양한 행사를 준비했다.

특히 ‘식품첨가물 바르게 알기’라는 학술 세미나를 통해 식품첨가물에 대해 일반인들이 갖고 있는 막연한 불안감을 해소하고자 했다. 식품제조업체 입장에서는 식품첨가물을 안 쓸 수 없지만, 사용하자니 소비자가 싫어할 것 같다. 그렇다면 식품첨가물이 들어가지 않은 유기농 식품만이 좋은 것일까? 유해하다고 알려져 있는 식품첨가물이 실제로 유해한지 과학적으로 접근해 보자.

몸에 해롭다는 오해를 받고 있는 대표적인 식품첨가물 중 하나가 MSG로 많이 불리는 화학조미료 ‘L-글루타민산나트륨(monosodium L - glutamate)’이다. MSG는 라면 스프나 조미료, 과자 등에 들어있는 식품첨가물로, 식품에 감칠맛과 향을 더하는 작용을 한다. 그런데 1960년대 말, 다량의 MSG를 섭취하면 두통, 근육경련, 메스꺼움 등의 증상이 나타난다는 보고가 나왔다. 주로 중국음식을 먹고 나서 이러한 증상이 생긴다고 해서 ‘중국음식점 증후군’으로도 불렸다.

당시 미국 식품의약품안전청(FDA)은 MSG의 하루 섭취량을 제한했고 신생아용 음식에는 첨가 자체를 금지했다. 하지만 이후의 연구에서 MSG와 이런 증상이 전혀 관련 없다고 증명되면서 이런 제한은 모두 해제됐다. 우리나라 식품의약품안전청(이하 식약청)에서도 2010년에 MSG를 평생 먹어도 무해하다는 발표를 한 바 있다.

MSG를 섭취한 후 발생하는 일시적인 메스꺼움, 두통 등의 과민 반응에 대해서는 세계보건기구(WHO)가 2시간 이내에 사라지는 일시적인 반응이라고 발표했다. 식약청은 오히려 일반 소금과 함께 사용하면 전체 나트륨 섭취를 20~40%까지 줄일 수 있다고 밝혔다.

미국 식품의약품안전청(FDA)에서도 MSG를 인체에 무해하다고 인정했으나 신생아 식품에는 사용 금지 처분을 받았다. 영유아가 MSG를 섭취해도 성인과 같은 대사작용을 함에도 영유아 식품에는 사용 금지 처분을 한 이유는 무엇일까? MSG의 안전성 문제 때문이 아니라 향미 증진의 필요성이 없기 때문이다.

그렇다면 MSG 무(無) 첨가표시 제품에는 MSG가 전혀 없을까? MSG는 글루타민산의 나트륨 염이다. 글루타민산은 단백질의 구성 성분인 아미노산의 일종으로, 일반적으로 단백질 식품에 구성 성분으로 존재한다. 때문에 글루타민산은 식품 성분에도 들어있다. 유제품, 육류, 어류, 채소류 등 동․식물성 단백질에 함유돼 있으며 식품에 천연 구성성분으로도 존재한다.

[그림]식품 성분에 함유된 글루타민산의 양.

얼마 전 TV 광고에 등장해 논란이 됐던 조제커피 속 ‘카제인나트륨’도 인체에 무해하다는 결과가 나왔다. 카제인나트륨은 화학적 합성품으로 분류되지만 카제인은 정제된 우유단백질이다. 우유에서 우유단백질을 분리하는 과정에서 수산화나트륨과 같은 알칼리 처리를 하고 섭씨 80~90도로 열을 가하면 카제인 단백질만 녹아나온다. 여기에 단지 수용성을 높이기 위해 나트륨을 결합시킨 것이 카제인나트륨이다.

카제인나트륨은 JECFA(Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives, 국제식량농업기구/세계보건기구 합동식품첨가물전문가위원회)에서 1일 허용 섭취량을 설정하지 않을 만큼 안전성이 확인된 물질이다.

햄, 소시지 등 식육가공품 고기의 발색제로 사용되는 ‘아질산나트륨(sodium nitrite)’도 발암 가능성이 있는 식품첨가물이라는 인식이 있다. 아질산나트륨은 고기에 함유돼 있는 미오글로빈이나 헤모글로빈과 결합해 육가공품의 빛깔을 먹음직스러운 복숭아 빛으로 만든다. 아질산나트륨은 질산나트륨을 납과 함께 녹여서 만든 무색의 결정으로 염료의 제조, 식품 첨가물, 의약품 등으로 쓰이고 있다.

아질산나트륨이 발암물질이라고 알려진 이유는 아질산염이 육류에 들어 있는 아민류(아미노산, 펩티드, 단백질)와 산성조건에서 반응하면 니트로소아민이라는 발암물질을 생성하기 때문이다. 하지만 1일 허용 섭취량 조건에 맞게 섭취하면 문제가 되지 않고 배출된다. 게다가 JECFA와 국제암연구소(IARC)가 연구한 결과에 따르면 동물, 인간 등에 암이나 생식독성을 유발한다는 증거는 없는 상태다.

사용기준은 “식육제품, 고래고기 제품, 어육 소시지, 어육햄, 명란젓, 연어알젓 이외의 식품에 사용해서는 안 된다”는 것. 사용량도 종류별로 정해져 있다. 외관이나 맛이 식염과 비슷하기 때문에 혼동하지 않도록 주의해야 한다.

이 밖에도 모든 합성보존료는 몸에 안 좋을 것이라는 인식이 있지만 대부분의 허용 합성 보존료는 허용 사용량 범위 내에서는 안전하다. 미생물의 발육을 억제하기 위해 사용하는 ‘소르빈산’이나 ‘아질산염’을 함께 가열 처리하면 발암물질을 만들어낸다고 알려져 있지만, 실제로 발암 여부는 불확실하다. 통상적으로 식품가공, 조리 시에는 발암물질이 생성될 가능성이 없다.

이렇듯 허용된 식품첨가물에 대해서도 널리 퍼진 부정적인 이미지는 개선될 필요가 있다. 일부 언론이나 비전문가에 의한 선정적인 부추김에 막연히 불안해 할 필요는 없다. 물론 식품첨가물 사용을 최소화하고 사용 대상을 줄이기 위한 업계의 노력은 계속돼야 할 것이다. 또한 정부와 언론은 소비자들이 안심하고 식품을 섭취할 수 있도록 정확한 정보를 제공하기 위해 노력해야 할 것이다.

글 : KISTI의 과학향기 편집부(자료 제공 : 식품의약품안전청)

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[이달의 역사] 에펠탑․증기기관차…세계박람회에서 탄생하다!

과학향기 — Wed, 09 May 2012 01:30:00 +0900

오는 5월 12일, 여수에서 세계박람회가 개최된다. 여수 엑스포는 ‘바다’라는 지역의 특성을 잘 살려 ‘살아 있는 바다, 숨쉬는 연안(The Living Ocean and Coast)’이라는 주제 아래 8월 12일까지 3개월간 진행될 예정이다. 바다의 자연생태를 보전하면서도 인간이 유용하게 사용할 수 있도록 지속가능한 해결책을 찾아내는 것이 목표로, 박람회 공간도 바다 위에 건설됐다.

전시관은 크게 주제관, 부제관, 국제관으로 이뤄졌다. 주제관은 한국관과 더불어 여수 엑스포의 특징을 가장 잘 표현하는 전시물로 꾸며진다. 부제관은 기후환경관, 해양산업기술관, 해양문명관, 해양도시관, 해양생물관 등 다섯 가지의 소주제로 다채롭게 구성된다. 세계 100여 개 국가들도 각자의 콘셉트로 국제관을 채운다. 빅오(Big-O), 디지털갤러리(EDG), 스카이타워 등 기술과 생태를 결합한 건축물과 미디어쇼, 해상퍼포먼스 등 다양한 행사로 관람객을 기다리고 있다. 이렇듯 세계박람회는 참가국의 국가종합홍보를 위한 세계적 규모의 경제․문화 올림픽임은 물론 자국의 과학기술을 뽐내는 장이라고 할 수 있다. 그렇다면 세계박람회는 어떻게 시작됐을까?

[그림 1]2012년 5월 12일 개최되는 여수세계박람회의 바다 전시장 ‘빅오’의 조감도. 사진 출처 : 2012여수세계박람회조직위원회

1887년 프랑스의 수도 파리 서남부 지역에서 인부들의 망치 소리가 울려 퍼지기 시작했다. ‘만국박람회(Exposition Universelle)’를 준비하기 위해 건물을 짓는 소리였지만 인근 주민들은 대수롭지 않게 생각했다. 파리에서는 1855년 제2회를 시작으로 세계박람회가 세 번이나 개최됐기 때문이다. 게다가 공사장이 위치한 세느강변의 샹드마르스(Champ-de-Mars) 공원은 1867년 제4회와 1878년 제7회 행사가 열렸던 곳이기도 했다.

그러나 이듬해 3월이 되자 지역민뿐만 아니라 파리 전체가 술렁이기 시작했다. 기괴한 모양의 철골 구조물이 세워지기 시작한 것이다. 뼈만 있고 살은 없는 흉측한 모습인 데다가 전체 예상 높이가 300m에 달했다. 예술가들은 반대 모임을 결성해 ‘쓸모없고 흉측한 검은색 굴뚝’이라고 비난을 퍼부었다. 반대파에 속했던 대문호 기 드 모파상(Guy de Maupassant, 1850~1893)은 완공 후 매일 그 건물에 올라 점심식사를 했다. 이유를 묻자 “파리 시내에서 이 건물이 보이지 않는 유일한 장소는 여기뿐”이라고 대답했다는 일화도 있다.

이 건물의 이름은 ‘에펠탑’으로, 1889년 제10회 세계박람회의 입구를 장식하기 위해 임시로 세워졌다. 설계자인 귀스타브 에펠(Gustave Eiffel, 1832~1923)은 20년 계약이 끝난 후 소유권을 파리 시청으로 넘겼다. 철거 여론이 빗발쳤지만 전파 송신탑으로 탈바꿈해 살아남을 수 있었다. 이후 지금까지도 프랑스와 파리를 대표하는 건축물로 남아 있다.

[그림 2]1878년 모습을 드러내기 시작한 에펠탑. 사진 출처 : 위키미디어

당시로서는 파격적인 철골 방식으로 에펠탑을 지은 이유는 무엇일까. 세계박람회를 통해 기술 강국의 면모를 뽐내기 위해서다. 1851년 5월 영국이 최초로 ‘대박람회(Grand Exhibition)’를 개최하면서 내세운 명분은 ‘인류의 발전과 지구의 평화’였지만, 실제로는 제국주의의 위세와 화려함을 만국에 알리기 위함이었다.

세계박람회는 ‘랜드마크’라 불리는 대형 건축물을 통해 기술문명의 위대함을 과시한다. 영국은 런던 하이드파크에 유리로 둘러싸인 조립식 건물 ‘수정궁(Crystal Palace)’을 세웠다. 프랑스는 에펠탑 맞은편 위치에 날개를 편 모양의 ‘샤이요 궁전(Palais de Chaillot)’을, 그보다 동쪽에는 유리 지붕으로 장식된 ‘그랑팔레(Grand Palais)’와 ‘프티팔레(Petit Palais)’를 지었다. 미국은 시카고 박람회 당시 최초의 대관람차 ‘페리스 휠(Ferris Wheel)’을 등장시켜 놀이공원의 탄생을 예고했다. 시애틀 박람회에서는 예산의 절반을 투입해 도시의 명물 ‘스페이스 니들(Space Needle)’을 지어 올렸다.

공식적으로는 1851년 영국 런던에서 열린 박람회가 근대 최초의 세계박람회라 여겨진다. 당시 25개국이 참가해 1만 3,000여 개의 전시물을 출품했으며 5개월간 600만 명 이상의 관람객이 전시장을 찾았다. 이곳에서 증기기관차가 처음으로 선보여 관람객을 흥분시켰는데, 이후 본격적인 철도 시대가 열렸다.

이후 세계박람회는 혁신적인 발명품을 최초로 선보이는 역할을 맡았다. 인류 문명을 변화시킨 많은 물건들이 박람회를 통해 세상에 모습을 드러냈다. 1876년 필라델피아에서는 전화기와 재봉틀에 관심이 쏠렸다. 파리에서는 1878년에 축음기의 시제품이 첫 선을 보였고, 1885년 벨기에 안트베르펜에서는 자동차가 첫 선을 보였다.

미국 박람회에서 첫 등장한 제품도 많다. 1893년 시카고에서는 껌과 지퍼가 출품됐지만 큰 인기를 끌지는 못했다. 1904년 미국 세인트루이스에서는 상인들의 아이디어로 빵, 고기, 양파를 합친 현대식 햄버거와 콘 모양의 아이스크림이 선풍적인 인기를 끌었다. 1939년 뉴욕에서는 TV가 공식으로 데뷔했다.

지금도 각국에서 열리는 갖가지 박람회에서는 온갖 종류의 제품들이 등장하고 있지만, 현재 국제박람회(BIE)가 공인하는 행사는 크게 5년마다 개최되는 세계엑스포(World Expo)와 그 사이에 열리는 국제엑스포(International Expo)의 두 가지로 나뉜다. ‘등록엑스포’라 불리는 세계엑스포는 다양한 분야를 한꺼번에 전시하며, ‘인정엑스포’라 불리는 국제엑스포는 한 가지 주제를 선택하게 돼 있다.

1993년 우리나라 최초로 대전에서 열린 엑스포와 19년 만에 다시 열리는 여수 엑스포는 비정기 ‘국제엑스포’에 속한다. 그러나 공인된 행사임은 틀림이 없다. 인류 문명의 발전된 모습을 한 눈에 볼 수 있는 세계박람회, 이번에는 대한민국 여수에서 새로운 또 한 걸음을 내디딜 차례다.

글 : 임동욱 사이언스타임즈 기자

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5월 가정의 달! 가족애, 동료애 넘치는 동물들

과학향기 — Mon, 07 May 2012 01:30:00 +0900

5월 5일 어린이날, 5월 8일 어버이날, 5월 21일 부부의날…. 유독 가족에 대해 돌아보게 되는 5월이다. 하지만 이렇게 가족을 챙기는 건 인간뿐만이 아니다. 가족애, 동료애가 넘치는 동물들을 쉽게 찾을 수 있다.

동물들이 등장하는 다큐멘터리에서 인간과 같이 가족이나 동료들과 서로 협력하는 동물들을 보면 놀라움을 넘어 경이롭기까지 하다. 인간의 문화가 대개 전쟁 중심으로 발전해 온 단기적이라는 것에 비해 동물들의 문화는 주로 평화적이고 상호 협력적이며 오랜 기간에 걸쳐 발전해 왔다.

늑대는 동물에게는 흔치 않은 일부일처제를 평생 유지하는 것으로 유명하다. 부부가 무리를 이끌며 수컷은 사냥을, 암컷은 육아를 담당한다. 부부 중 어느 한 쪽이 죽기 전에는 바람을 피우지 않는다고 알려져 있으며, 한 쪽이 죽어서 재혼을 하더라도 기존 배우자의 자식을 끝까지 책임지고 키운다. 새끼가 장성하면 생식을 하지 않는 대신 동생들을 돌보거나 무리에서 떨어져 나와 이성을 만나 새로운 무리를 만든다. 평소에는 감히 공격할 수 없는 곰이지만, 자신의 가족이 위험에 처하면 물불 안 가리고 공격할 정도로 가족애가 유별나다.

아프리카 사바나에선 동물들이 건기에 대 이동을 한다. 그리고 여행의 종착지에 다다랐을 때 거친 물살의 거대한 마라 강에 이르게 된다. 그곳에는 악어들이 몇 달 전부터 배를 비우고 얼룩말과 누 떼가 오기를 학수고대하고 있다. 강물 앞에 도착한 누 떼는 위험한 물살과 눈만 뻐끔 내놓고 바라보는 악어들을 보고 행군을 주춤한다. 그러나 그것도 잠시, 선두그룹의 누군가는 반드시 먼저 그 강물로 뛰어든다.

만일 동료들이 뛰어든 동료를 그대로 보고만 있다면 아마도 뛰어든 동료는 그대로 희생을 당할 것이다. 하지만 나머지 무리들도 그를 따라서 한꺼번에 물로 뛰어들어 그의 주위를 둘러싼다. 물론 그가 맨 먼저 악어에게 희생될 확률이 상대적으로 높다. 하지만 누군가는 해야 하는 일이다. 용감하게 적진에 뛰어든 라이언 일병과 그를 거침없이 구하러 달려가는 무리들, 그들에게 라이언 일병 구하기는 한해에 적어도 두 차례 이상은 반드시 하는 일이다.

동굴 벽에 온몸을 맞대고 붙어 생활하는 박쥐들 역시 동료애가 강하다. 흡혈박쥐의 경우 매일 몸무게의 반 이상이 되는 피를 먹어야 하는데, 40시간가량 피를 공급받지 못하면 죽게 된다. 주위에 피를 공급받지 못해 죽어가는 동료가 있으면 이들은 자신의 위에서 피를 토해 나눠준다. 흡혈박쥐뿐 아니라 거의 모든 박쥐들은 다치거나 임신한 동료, 혹은 새끼를 안고 있어 제대로 먹이 활동을 못하는 동료들을 위해 먹이를 물어와 그의 입에 넣어주기를 주저하지 않는다.

지구에서 가장 추운 지방에 사는 일본원숭이와 남극의 황제펭귄들은 서로 부둥켜안은 채 하나의 털북숭이가 되어 추운 겨울밤을 이겨낸다. 영하 50도에 이르는 남극의 겨울, 황제펭귄들은 휘몰아치는 눈폭풍과 추위를 견디기 위해 몸과 몸을 밀착시킨다. 가장 바깥쪽에 위치한 동료의 등에는 새하얀 서리가 내리지만 동료들과 체온을 나눈 몸 안쪽은 그저 따뜻하기만 하다. 가장 안쪽의 온도는 가장 바깥쪽의 온도와 무려 10도가량 차이가 난다. 안쪽에 있던 펭귄들의 몸이 녹을 때 쯤 외각의 펭귄들과 교대를 하는데, ‘허들링’이라 불리는 이런 동작들을 끊임없이 반복하며 서로 협력해 체온을 유지한다.

[그림]황제펭귄은 동료들과 몸을 밀착시켜 눈폭풍과 추위를 견뎌낸다. 사진 제공 : mbc

사슴이나 멧돼지의 새끼들은 어미에게 없는 반점 무늬와 줄무늬를 가지고 태어난다. 이런 무늬는 ‘나는 새끼이니 공동으로 보호해 주고 돌봐주라’는 일종의 무리 내에 통용되는 명령장 같은 것이다. 그래서 새끼들은 누구에게나 배려와 돌봄을 받는다.

코끼리는 죽은 동료의 시체 앞에 모여 애도의 의식을 치른다. 다 큰 어른 코끼리만 참가하는데, 시체 주위를 몇 번 돈 다음 아이들을 이끌고 가던 길을 떠난다.

이 밖에도 몽구스는 부모가 집에 없을 때 어린 동생들을 돌보며, 땅다람쥐는 적을 보면 소리를 질러 무리들을 먼저 대피시키는 희생정신을 발휘하기도 한다.

비단 자신의 무리뿐 아니라 악어와 악어새, 개미와 진딧물 등 다른 종끼리 협력하며 살아가는 공생관계도 있다. 사바나에 사는 키 크고 앞 잘 보는 기린과 냄새, 소리에 민감한 얼룩말은 상호 보완 감시자 역할을 한다. 기린이 먼 곳의 적을 발견하고 뛰기 시작하면 얼룩말과 영양들도 함께 뛴다. 반대로 얼룩말 떼가 냄새나 소리를 통해 적을 느끼고 놀라서 뛰면 기린 역시 함께 뛴다.

이처럼 동물들은, 지구상의 모든 생물들은 혼자서는 살아갈 수 없다. 이런 행동들이 무리의 생존과 번식을 위해 유전자에 새겨진 본능이라 해도, 이들을 통해 서로를 아끼고 보호하는 마음을 배운다면 삶이 더욱 풍요로워질 것이다.

글 : 최종욱 광주광역시 보건환경연구원 동물위생연구부 축산물검사과 주무관

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돌고래 제돌이, 자연방류 성공하려면?

과학향기 — Wed, 02 May 2012 01:30:00 +0900

화창한 날씨가 이어지는 5월이면 손에 손을 잡고 동물원으로 향하는 발걸음이 늘어난다. 동물원의 수많은 동물들 중에서도 사람들의 눈길을 한 번에 사로잡는 동물은 바로 ‘돌고래’. 돌고래는 미소를 띠고 있는 특유의 얼굴표정과 인간과의 친화력 때문에 과거부터 많은 사랑을 받아왔다.

서울대공원의 돌고래들 역시 1984년부터 수많은 어린이들의 사랑 속에 해양생물의 경이로움을 알려주는 전도사로 그 역할을 충실히 해왔다. 하지만 이들 돌고래 중 일부가 제주도 앞바다에서 불법적으로 포획된 ‘남방큰돌고래’라는 사실이 밝혀져 큰 이슈가 된 바 있다. 현행 법령상 살아있는 상태로 어구에 걸려있는 고래류는 방류하도록 규정하고 있는데다, 제돌이가 속해있는 우리나라의 남방큰돌고래는 제주도에서만 유일하게 발견되고 개체수는 약 114마리 가량으로 보존대책이 시급히 마련돼야 하는 종이기 때문이다.

2012년 3월, 서울시가 불법 포획된 서울대공원의 남방큰돌고래 ‘제돌이’를 방류하기로 발표하면서 제돌이의 야생 생존 가능성에 관심이 모아지고 있다. 제돌이는 2007년 11월 14일 제주시 구좌읍 행원리 해상에서 국립수산과학원 고래연구소의 연구진들에 의해 최초로 발견됐다. 연구진은 제주도 남방큰돌고래 중 9번째로 관찰된 돌고래라는 뜻으로 JBD009라는 식별번호를 부여했다. 이후 제돌이는 한동안 종적을 감췄다가 2009년 5월 1일, 서귀포시 한경면 신창리 해상 정치망에 산채로 잡혀 불법으로 수족관에서 길들여지기 시작했다. 포획 당시 나이는 10살가량으로 추정됐다.

[그림] 포획되기 전 제주도 앞바다에서 유영하고 있는 제돌이(2007년 11월 14일 촬영). 사진 제공 : 고래연구소

3년가량 수족관에서 생활한 제돌이가 제주도의 바다로 돌아가면 다시 예전처럼 친구들과 잘 어울릴 수 있을까? 또 야생에서 먹이 사냥능력을 발휘할 수 있을까? 수족관의 사육환경에 길들어져 동료 돌고래들과 어울리는 것보다 사람을 더 따르고, 먹이를 잡는 수고로움을 잊고 사는 지금 당장은 힘들다. 야생 적응 훈련 없이 바다로 방류했다간 눈앞에 있는 멸치 한 마리도 잡지 못해 탈수증과 영양결핍으로 폐사할 가능성이 크다. 이제껏 돌고래 자연 방류가 성공적으로 이루어진 사례를 찾기 힘든 이유다.

제돌이의 성공적인 자연 방류를 위해서는 우선적으로 빠르게 움직이는 먹이를 직접 잡을 수 있는 능력을 배양시키는 것이 급선무다. 당장은 살아있는 먹이에 관심을 가지지 않겠지만 죽은 먹이와 함께 살아있는 먹이를 동시에 공급해 산 먹이 대한 이질감을 서서히 줄여나가야 한다. 수족관 사육 하에서는 돌고래쇼 훈련을 위해 먹이를 한 번에 매우 적은 양 주는데, 1일 급이량을 50회 이상으로 나눠 공급하기도 한다. 때문에 제돌이의 급이량을 늘리고 먹이의 종류와 크기도 다양화해야 한다. 또 인간과의 접촉을 점차 줄여 직접 사냥을 통해 먹이를 잡아야 함을 인지시켜 충분히 먹이사냥 능력을 갖추게 된다면 방류 준비가 됐다고 할 수 있다.

다음으로는 남방큰돌고래 무리가 자주 관찰되는 제주도 현지 바다에 순치장을 설치해 제주도 야생 남방큰돌고래 무리와의 상호작용에 대해서도 살펴야 한다. 군집생활을 하는 돌고래는 원래의 무리에 합류해 같이 살아가야 하므로 무리와의 잦은 만남을 통해 사회성을 길러주려는 것이다. 따라서 방류 이후에도 인공위성 추적장치를 이용해 적응상태를 파악하기 위한 모니터링이 필요하다.

돌고래의 자연 방류로는 제돌이가 국내에서 첫 사례인데, 외국에서도 돌고래 자연 방류 사례는 많지 않다. 미국에서는 70마리 이상의 돌고래 방류가 이루어진 바 있으나 방류 이후 서식지 적응에 대한 후속연구가 거의 없었다. 고래연구 분야의 권위지인 ‘Marine Mammal Science’에는 포획된 지 2년이 지난 큰돌고래 2마리를 일정 기간의 순치를 거쳐 원래의 서식지에 방류한 결과, 성공적으로 다시 적응한 사례가 있다. 호주에서는 포획된 지 10년이 지난 개체들과 수족관에서 출생해 야생적응력이 거의 없는 큰돌고래 9마리를 무리하게 방류해 모든 개체가 서식지에 적응을 하지 못했다는 연구결과도 있다. 이를 비추어 볼 때 포획된 지 3년이 지나지 않은 제돌이가 야생에서 생존하고 서식지에 적응할 확률은 그리 낮지는 않다.

그렇다고 방류된 돌고래의 생존율을 100% 보장할 수는 없다. 서식지 환경에 적응하지 못하고 주변의 인간에게 먹이를 구걸한 사례도 보고된 바 있고 서식지 주변의 소음공해, 급격한 수온변화, 선박, 어구 등의 사소한 외부 요인들이 고래들에게는 치명적인 영향을 미칠 수 있기 때문이다.

방류로 인해 발생하는 잠재적인 문제점도 분명 존재한다. 육상에서 기인한 질병이 제돌이를 통해 다른 야생 개체에 전염될 가능성이 있기 때문에 병원균에 대한 철저한 검사도 이루어져야 한다. 이렇듯 돌고래 한 마리를 자연으로 돌려보내는 일에는 다양한 노력이 필요하다.

이번 제돌이 방류를 계기로 우리사회에서 돌고래를 풀어주면 좋은 일이고, 계속 잡아두면 나쁜 일이라는 이분법적인 논란이 일어날까 우려가 되기도 한다. 아직 우리나라는 고래에 대한 이해도가 높지 않다. 남방큰돌고래와 같이 멸종위기에 처한 돌고래를 불법으로 포획해 전시‧관람하는 것에는 반대하지만, 야생에 개체수가 많은 고래류는 전시‧관람을 통해 교육과 연구활동의 기회를 부여하는 것 또한 사회적으로 가치가 크기 때문이다.

글 : 안두해 국립수산과학원 고래연구소 소장

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동물실험, 피할 수 없다면 대체하라!

과학향기 — Mon, 30 Apr 2012 01:30:00 +0900

최근 원숭이나 돼지의 장기 또는 세포를 환자에게 이식하는 이종장기 이식이 성공해 환자들에게 희망을 주고 있다. 이를 바꾸어 생각하면 사람의 장기나 세포를 동물에 이식해 그 동물을 사람의 질병 치료나 연구에 사용하는 것이 가능할 것이다. 새로운 치료법을 기다리는 암환자의 암세포나 조직을 동물에 이식해 놓고, 치료제로서 가능성이 큰 물질을 이용해 동물에 실험을 한 후, 그 결과를 환자에게 적용 하면 어떨까? 이를테면 환자 맞춤형의 실험용 동물을 만들어 치료목적으로 사용하는 것이다.

동물실험의 목적은 새롭게 개발된 의약품이나 의료용 기구, 화학물질, 식품 등을 인간에 적용하기 전에 그 안전성과 유효성을 동물을 통해 확인한 후 그 결과를 사람에 적용하고자 하는 것이다. 근대사회에는 이러한 동물시험을 통해 수많은 약들이 개발됐고 사람들은 그 혜택을 누리며 장수하게 됐다.

하지만 자세히 살펴보면 동물실험에서 개선해야 할 점도 많다. 첫째는 수많은 동물의 희생을 통해 얻은 실험 결과가 사람에게 똑같이 나타나지 않을 수 있다는 것이다. 같은 물질로 실험을 하더라도 인간과 동물에 어느 정도의 일치율을 가지고 반응하는지 정확한 통계를 구하기도 어렵다. 게다가 인간과 동물의 반응이 다른 예는 많다. ‘살리도마이드’라는 약제는 소형 설치류에서 독성을 보이지 않아 시판됐다가 태아에 기형을 유발시킨 사례가 있다. 이런 예를 들지 않더라도 사람과 동물의 생리학적기능이 사람과 사람 사이에서보다 몇 배는 더 차이가 날 거라는 사실은 충분히 예측할 수 있다.

초파리는 유전자 중 상당수가 사람의 유전자와 유사하다고 알려져 있다. 그러나 이 유전자들은 단지 유사한 기능을 할 뿐이다. 실제로는 염기서열에서 차이가 나고, 결과적으로는 아미노산에서 차이가 나며 단백질구조에서 차이가 난다. 따라서 그 생리적인 기능도 차이가 날 것이다.

사람과 사람 사이에서는 어떨까? 어떤 사람은 술을 많이 마셔도 취하지 않는가 하면, 또 어떤 사람은 금방 취한다. 사람 간에도 이렇듯 약물에 대한 반응이 틀리기 때문에 동물실험을 할 때는 사람과 동물의 생리적인 기능의 차이를 극복하기 위해 동일한 물질에 대해 다양한 종의 동물을 사용해 실험을 해야 한다. 또 같은 종일지라도 한 그룹에 많은 수의 동물로 실험한 후 그 결과를 통계적으로 도출해야 개체간 차이를 극복할 수 있다.

이렇듯 동물실험은 의약품의 개발에 반드시 필요하지만, 제대로 된 실험을 위해서는 수많은 동물이 필요하다. 불필요한 동물의 희생을 줄일 수 있는 방법은 없을까? 이는 동물실험에서 사용하는 개체 수를 줄이거나 실험용 동물을 무생물, 세포 또는 하등동물로 대체하기, 그리고 동물이 받는 고통을 줄이는 방법을 포괄하는 ‘동물실험의 대안(Alternatives)’을 고려하는 것이다.

과학자들은 이미 면역력이 결핍된 쥐를 만들어 동물실험에 이용하고 있다. 이렇게 만든 생쥐는 과립구계나 쿠퍼세포 등 세망내피세포를 제외하고 백혈구가 생성되지 않는다. 때문에 인간의 조혈줄기세포를 도입해도 거부반응 없이 이식돼 각종 인간의 조혈세포가 오랫동안 생존하게 된다. 이러한 동물 모델을 이용해 인간의 질병에 대한 면역학적, 혈액학적 분석이 가능해 졌다.

하지만 이렇게 도입된 조혈세포들은 표현형이나 기능적으로 사람의 세포와 완벽하게 일치하지 않는다. 이에 일본의 이토 마모루(Ito Mamoru)박사는 보다 유사한 인간의 조혈세포를 가진 쥐를 만들었다. 이렇게 조혈세포가 이식된 쥐들은 사람의 조직이식 등에 거부 반응을 보이지 않기 때문에(아직 완벽하지 않지만) 사람의 간세포를 가진 쥐가 탄생할 수 있었다.

이런 쥐들은 에이즈 바이러스나 EBV바이러스 등에 대해 인간의 항체를 생산하기도 한다. 이러한 방법이 활성화되면 환자의 맞춤형 동물모델이 만들어져 신약의 효력시험이나 신기술을 이용한 치료에 큰 도움을 받을 수 있을 것이다. 한 실험에 수많은 동물을 사용하는 실험 방법은 동물의 반응이 환자의 반응과 어느 정도 유사한지 예측하기 힘들지만, 환자의 맞춤형 실험동물을 사용한다면 보다 적은 수의 동물실험으로도 그 결과를 환자에게 적용 할 수 있을 것이다.

신약을 개발하는 과정 중에 포함되는 안전성 검사에도 변화가 일고 있다. 국가 기관에서는 ‘GLP(Good Laboratory Practice, 동물실험규범)’와 같은 규정을 만들어 신약을 허가받기 위해서는 이 규정을 따르도록 하고 있다. 이러한 규정은 신약의 안전성을 확보하기 위해 쉽게 바꿀 수 없는데, 많은 국가가 도입하고 있는 OECD 동물실험 가이드라인 중 최근 동물 실험을 대체할 수 있는 방법을 제시 하고 있다.

현재 미국의 ‘ICCVAM’(http://iccvam.niehs.nih.gov/), EU의 ‘ECVAM’(http://ecvam.jrc.it/), 일본의 ‘JACVAM’(http://jacvam.jp/index.html), 우리나라의 ‘KOCVAM’(동물대체시험법검증센터), 캐나다의 ‘헬스 캐나다(Health Canada)’에서 동물실험 대체 방법을 적극 개발하고 있다. 아직은 소수지만 각국에 식품 또는 의약품의 안전을 관리하는 기관에서 동물실험 대신 이러한 대체법을 채택해 안전성을 검정하고 있다. 각 국에서 개발한 시험법은 OECD에 제출돼 전문가들의 평가를 거쳐 채택되고 있다.

동물실험에 대한 대체방법은 규제기관 뿐만 아니라 연구기관에서도 이용되고 있다. 인간과 가장 유사한 생물학적 반응을 보이는 동물은 침팬지일 것이다. 사람의 각종 간염바이러스와 에이즈 바이러스 등에 대한 적절한 동물모델이 없는 상황에서 원숭이를 포함한 비인간 영장류는 필수불가결한 실험용 동물이다. 이러한 고등동물을 사용할 때는 동물 복지에 대한 목소리가 특히 높아진다. 적절한 사육 기준 마련과 실험 처치 시 고통의 경감 등이 실험의 결과를 얻기 위한 과정에 반드시 수반돼야 한다.

비인간 영장류는 이처럼 사람과 유사한 생물학적 관련성을 가지고 있지만 모든 실험에서 영장류를 사용할 수는 없다. 유전자의 기능을 해석하거나 유전자 일련의 연결고리를 찾기 위해서는 비인간 영장류 대신 쥐가 많이 이용된다. 열대어종인 제브라피쉬 역시 쥐만큼 유전자가 잘 알려져 있다는 점에서 쥐 대신 제브라피쉬를 이용하는 경우도 많다.

동물대신 사람유래의 세포주나 동물유래의 장기, 조직 또는 세포를 실험에 사용 할 수도 있다. 이 방법들은 저렴한 비용으로 빠르게 독성과 효력검사를 할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 생체에서 나타나는 장기들 간의 연관을 보이는 독성을 예측할 수 없고 투여 경로에 따른 독성의 차이를 알 수도 없으며 생체에서 일어나는 대사과정으로 생긴 물질에 대한 독성을 예측할 수 없다는 단점이 있다

동물대체시험법은 새로운 대안이 될 수 있지만 아직까지 완전한 대체는 힘들다. 그럼에도 동물대체시험법은 다량의 물질을 빠르게 검사할 때 장점을 발휘하기 때문에 실험동물을 대신해 초기 독성 평가에 쓰일 수 있다. 동물을 쓰지 않는 방법을 우선 고려하고, 동물의 수를 줄이며, 고통을 최소화한다는 실험동물 윤리의 3원칙을 위해서도 대체시험법 연구는 앞으로 더 활성화될 것이다.

글 : 박재학 한국실험동물학회 이사장 / 서울대학교 수의과대학 실험동물의학교실

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[실험] 엔진 없이 비탈길 오르는 바퀴

과학향기 — Wed, 25 Apr 2012 01:30:00 +0900

우리가 어딘가로 이동하기 위해 타는 자전거나 자동차, 비행기 등에는 모두 바퀴가 사용돼요. 바퀴는 6,000여 년 전 지금의 이라크 땅 수메르에서 만들어졌어요. 바퀴가 생기고 나서 물건을 옮기거나 여행하는 일이 훨씬 쉬워졌지요.

여기서 잠깐 바퀴의 모양을 살펴볼까요? 크기나 재질은 달라도 모든 바퀴의 모양은 ‘원’이에요. 어느 한 군데 모난 곳 없는 둥근 생김새 덕분에 앞으로 굴러가야하는 바퀴 모양으로는 제격이지요. 그런데 아무리 원 모양이어도 계속 굴러가기 위해서는 힘을 가해줘야 해요. 자동차에는 엔진이 있어 바퀴를 굴려 달릴 수 있답니다.

하지만 엔진 없이도 비탈길을 올라가는 바퀴를 만들 수 있어요. 바로 ‘무게중심’의 원리를 이용하면 말이죠!

[교과과정]
초 6-2 에너지와 도구
중 1 힘과 운동

[학습주제]

무게중심은 물체 각 부분에 작용하는 중력들이 모아지는 작용점을 말해요. 쉽게 설명하면 물체의 무게가 어느 쪽으로도 치우치지 않도록 공평하게 나눠주는 지점이지요. 무게중심과 떼려야 뗄 수 없는 사이가 있는데, 바로 중력이에요. 중력이 있어야 무게가 있고, 그래야 무게의 중심이 있겠지요?

무게중심은 아래에 있을수록 안정하답니다. 오뚝이는 아랫부분이 무겁게 만들어져 바닥과 가까운 곳에 무게중심이 위치하지요. 때문에 넘어져도 금방 균형을 되찾고 다시 일어나요. 실험에서 깔때기 모양의 종이 두 개의 입구 부분을 맞붙이면 깔때기가 마주 붙은 중심부가 무게중심이 돼요. 바퀴가 굴림대를 따라 올라가는 모습을 옆에서 보면 [그림]처럼 바퀴의 중심부가 점점 굴림대에 가까이 가는 것을 볼 수 있어요. 바퀴 자체는 언덕 위쪽으로 올라가지만, 바퀴의 무게중심은 바닥에 가까워져 가는 것이지요. 때문에 동력 없이도 자연스레 경사진 비탈길을 따라 올라가는 것처럼 보이는 거랍니다.

[그림]깔때기 두 개를 붙인 바퀴의 무게중심은 점점 비탈길 바닥에 가까워진다.
우리 눈에 보이는 모든 물체에는 무게중심이 있어요. 자동차, 항공기, 선박 등 우리가 이용하는 운송 수단도 무게중심을 고려해 설계됩니다. 항공기나 선박은 땅에서 달리는 교통수단보다 몸체의 균형이 대단히 중요해요. 선박은 큰 파도나 폭풍을 만나도 가라앉지 않도록 무게중심이 선박 밑에 위치하게 설계하지요. 무게중심이 잘못 만들어지면 치명적인 사고로 이어질 수 있어요.

바닷가에서도 무게중심을 찾을 수 있어요. 방파제에 가면 삐죽빼죽한 커다란 구조물들이 잔뜩 쌓여 있는 걸 볼 수 있지요. 이것은 4개의 뿔을 가진 ‘테트라포드’로, 파도나 해일을 막아 방파제를 보호하는 역할을 해요. 테트라포드의 뿔 4개를 연결하면 정사면체 구조가 되지요. 그런데 다양한 도형 중 왜 하필 정사면체 구조를 사용한 것일까요? 정사면체의 무게중심은 바닥에 있어요. 정다면체 중 정사면체의 무게중심이 가장 아래쪽에 위치하고 있어 안정적이기 때문이랍니다.

오리가 걸을 때의 모습을 자세히 살펴봐도 무게중심의 변화를 알 수 있어요. 오리가 뒤뚱거리며 걷는 모습은 날지 못 하는 새가 걷는 모습과 비슷하지요? 이들은 모두 머리를 앞뒤로 흔들며 아장아장 걷지요. 머리를 앞으로 움직이는 것은 몸통의 무게중심을 앞쪽으로 이동시키기 위해서랍니다.

그렇다면 사람은 왜 머리를 앞뒤로 움직이지 않고도 잘 걸을 수 있는 걸까요? 흔히 사람은 팔만 흔들며 걷는다고 생각하지만 실제로는 목, 어깨, 허리 등 거의 모든 관절을 사용해서 걸어요. 그래서 몸의 무게중심을 이동시키는 방법도 체형마다 다르고, 그에 따라 걸음걸이도 달라지는 거랍니다.

[다운로드 : 비탈길 오르는 바퀴 도면1]

[다운로드 : 비탈길 오르는 바퀴 도면2]

글 : 유기현 과학칼럼니스트

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게임은 백해무익? 게임으로 과학에 기여하다!

과학향기 — Mon, 23 Apr 2012 01:30:00 +0900

게임은 언제나 사회적 논란거리다. 여성가족부는 2011년 5월부터 만 16세 미만의 청소년들의 심야시간 인터넷 게임을 제한하는 ‘셧다운제’를 도입해 게임 시간을 규제하려 하고 있고 최근에는 교육과학기술부도 이러한 흐름에 동참했다. 학교 폭력 사고가 터질 때마다 언론은 게임의 유해함을 집중적으로 부각시키는 기사를 줄줄이 낸다. 게임이 학생들의 정서와 지성에 전혀 도움이 되지 않으니 가급적 멀리 하라는 충고도 종종 보인다.

이러한 관점들의 근거는 게임의 폭력성이다. 일군의 과학자들은 이를 뒷받침하는 자료를 찾기 위해 진지하게 연구하기도 한다. 이런 견해들을 차치하고라도 게임은 ‘경쟁’을 전제로 한다. 인간의 투쟁심과 공격성이라는 원초적 감정을 자극하는 것이 바로 게임이다.

하지만 게임의 유해함에 대해서는 아직 제대로 밝혀진 것이 없다. 최근 보고된 연구에 따르면 폭력을 다룬 게임이 유발하는 공격성은 게임을 마친 뒤 4분 이내에 사라지는 초단기적인 효과라고 한다. 게임으로 유발된 신체적 흥분 상태조차도 9분이면 사라져 버릴 정도다. 무엇보다 공격성을 유발하는 것이 게임 자체인지, 아니면 게임에 담긴 경쟁의 원리인지 명확하게 정의할 수 없다는 게 문제다. 모니터 속의 누군지도 모를 상대방에게 총질을 하며 흥분하는 섬뜩한 장면은 어쩌면 ‘더비’가 벌어질 때마다 상대팀에게 적의와 경쟁심을 불태우는 축구선수의 심리와 다를 바 없을지도 모른다. 게다가 적절히 활용하기만 하면 게임은 세상을 더 좋게 만드는 데 사용할 수도 있다.

황당한 상상을 해보자. 당장 우리 동네에 막강한 외계인이 쳐들어와서 이웃들을 마구 죽이면 우리는 어떻게 대처할까? 외계인까지 갈 것도 없이 어두운 골목을 걷는 동안 뒤에서 무시무시한 덩치를 자랑하는 사람들이 지갑을 노리고 쫓아온다면 무엇을 할 수 있을까? 실제 상황이라면 대부분의 사람들은 당황해서 어찌할 바 모르고 얼어붙을 것이다. 그러나 게임이라면 이야기가 다르다. 은하계가 파괴되는 우주적 스케일의 사건이 벌어져도 실망하거나 좌절하지 않고 끈질기게 해결책을 찾아낸다. 상황이 나쁠수록 더 좋다. 적절히 높은 난이도는 게임에 재미를 더하니까.

사람들이 게임을 할 때 보이는 불굴의 투지는 복잡한 문제를 해결해내는 데 꼭 필요한 덕목이다. 컴퓨터 게임의 역사가 제법 긴 미국과 유럽은 이미 게임을 이용해 현실의 문제를 해결하는 데 활용하고 있다. 이른바 ‘기능성 게임’이 바로 그것이다.

기능성 게임은 과학계에서도 톡톡히 제 몫을 해내고 있다. 미국 워싱턴대 연구진이 개발한 웹 게임, ‘폴드잇(Foldit)’은 3차원 퍼즐 게임이다. 제목 그대로 화면에 나타난 것을 이리저리 접어서 입체 구조물을 만드는 것이 목적으로, 간단한 몇 가지 원칙만 배우면 쉽게 즐길 수 있다.

그런데 이 구조물이 보통 구조물이 아니라 바로 아미노산 사슬, 단백질이다. 단백질은 20가지 아미노산이 일렬로 연결된 아미노산 사슬을 기본 단위로 구성된다. 사슬 내에서 아미노산의 배열에 따라 여러 부분이 접히고 결합하면서 복잡한 3차원 구조를 만들어낸다. 3차원 구조는 단백질의 성질과 기능을 결정하기 때문에 아미노산의 배열 순서 분석은 생물학 연구에서 매우 중요하다. 문제는 단백질을 이루는 원자가 워낙 많아 아미노산 사슬 구조 분석이 어렵다는 것이다.

폴드잇을 개발한 연구진은 직관이 필요한 3차원 퍼즐에는 컴퓨터보다 인간이 훨씬 유능하다는 점을 이용했다. 3차원 모양으로부터 아미노산 배열 순서를 찾아내는 과정은 퍼즐과 동일하다. 생물학 지식이 없어도 각각의 아미노산 분자들이 어떻게 상호작용하는지 규칙만 파악하면 20개의 블록을 조합하여 복잡한 모양을 만들어내는 방식으로 단백질의 구조를 분석해낼 수 있다. 실제로 2011년 9월에는 세포 내에서 에이즈 바이러스가 증식하는 데 필수인 단백질의 구조를 폴드잇을 통해 알아낼 수 있었다. 10년간 수많은 과학자들이 분석을 시도했지만 해결하지 못했던 문제를 전 세계의 게이머 6만 여명이 10일 만에 해결해 버린 것이다.

카네기멜론대와 스탠포드대가 공동으로 개발한 ‘EteRNA’도 유사한 게임이다. RNA는 유전자 발현과 조절에 핵심적인 역할을 한다. 게이머는 간단한 규칙에 따라 RNA 분자를 만들어내고 분자 구조에 따라 점수를 얻는다. 연구진은 이 가운데 매주 게임에서 최고점수를 얻은 RNA 구조를 실험실에서 합성해 실제로 기능을 하는지 확인한다. 게임에서 최고점을 얻었을지라도 실제 합성하면 제대로 구조가 이뤄지지 않을 수도 있다. 게임의 모토처럼 ‘게임은 사람이 하고, 점수는 자연이 매긴다(Played by Humans, scored by Nature)’는 것이다.

컴퓨터와 인간이 서로 부족한 부분을 보완하는 과학 연구 게임도 있다. 캐나다 맥길대 연구진이 개발한 ‘파일로(Phylo)’는 질병 유전자 해독 게임이다. 기본 DNA 해독은 컴퓨터가 담당하고 게이머들은 블록 형태로 제시되는 유전자 서열에서 위치가 잘못된 것을 찾는다. 복잡한 계산은 컴퓨터가 인간보다 훨씬 뛰어나지만, 시각 정보의 패턴을 인식하는 데는 인간이 더 낫다는 점을 활용한 것이다. 지난 2년간 2만 명이 참가해 35만 건의 DNA 해독 오류를 찾아냈다고 연구진은 언급했다.

국내에도 이러한 게임들이 있다. NHN한게임이 서비스 중인 ‘에코프렌즈’는 유엔환경계획(UNEP)에서 ‘친환경 게임’ 인증을 받았다. 게임에서 나무를 심어 온실가스를 줄이고 친환경 건물을 짓는 등의 임무를 수행하면서 환경문제 해결책도 자연스럽게 배울 수 있다.

게임의 본질은 경쟁을 통한 문제 해결이다. 주어진 규칙에 따라 끊임없이 맞닥뜨리는 난관을 헤치고 문제를 해결해야 하는 게임의 구조는 과학 연구의 모습과 꼭 닮았다. 어쩌면 그래서 과학도들이 다른 사람들보다 게임을 더 즐기는 편인지도 모른다. 그래서 게임은, 창조적 활동인 것이다.

글: 김택원 과학칼럼니스트

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뗏목 타고 마다가스카르로 간 동물들

과학향기 — Wed, 18 Apr 2012 01:30:00 +0900

영화 ‘마다가스카’에는 뉴욕 센트럴파크 동물원에 살다가 하루아침에 마다가스카르 섬에 표류하게 된 사자 알렉스와 얼룩말, 기린, 하마가 등장한다. 야생으로 돌아가고 싶었던 얼룩말 마티가 부린 소동 때문에 동물 4인방이 나무상자에 갇힌 채 아프리카 케냐행 배에 오르게 된 것이다. 설상가상으로 같은 배를 탄 펭귄들이 남극으로 항로를 돌리기 위해 난동을 부리자 나무 상자는 바다로 떨어진다. 배를 타고 가다 해류에 휩쓸려 마다가스카르에 정착한 동물 4인방, 이들은 여우원숭이 등 기이한 동물을 만나 모험을 시작한다.

영화처럼 마다가스카르에는 몸길이가 16mm에 불과한 세계 최소 크기의 카멜레온부터 7cm에 달하는 세계 최대 크기의 하루살이까지, 독특한 생물종이 모여 살고 있다. 이곳에 사는 생물의 80%는 다른 곳에서는 볼 수 없는 고유종들이다.

지구상에서 4번째로 큰 섬인 마다가스카르는 현재 아프리카에서 400km 떨어져 있다. 마다가스카르가 아프리카 대륙에서 완벽하게 분리된 것은 8000만 년 전이다. 하지만 마다가스카르가 섬으로 고립되고 난 이후에도 새로운 동물들은 생겨났다. 화석 등의 자료가 하나도 남아 있지 않은 동물이 갑작스레 특정 시기 이후에 다수 발견됐다면, 이들은 과연 어디서 온 걸까?

마다가스카르에 살고 있는 독특한 생물종의 기원이 어디인지는 그동안 많은 학자들의 관심사였다. 그런데 최근 과학자들이 영화 ‘마다가스카’에서처럼 동물들이 나무 등을 타고 이동했다는 것을 알아냈다.

[그림]최근 과학자들이 영화 ‘마다가스카’에서처럼 동물들이 나무 등을 타고 마다가스카르로 이동했다는 사실을 알아냈다. 사진 출처 : CJ엔터테인먼트

호주 퀸즐랜드대 캐런 새먼즈 박사 연구팀은 현재 마다가스카르에 살거나 최근에 멸종한 동물 81종을 분석해 이들이 아시아, 아프리카 대륙과 지금은 사라진 곤드와나 대륙 등에서 바다를 건너 마다가스카르로 이주했다는 연구 결과를 발표했다. 연구팀은 마다가스카르에 정착한 동물들을 나뭇더미를 타고 온 뗏목형, 몸속 지방을 에너지로 삼아 헤엄쳐 온 수영형, 쉬엄쉬엄 날아온 비행형으로 구분했다.

뗏목형 동물에는 여우원숭이, 게코도마뱀붙이, 카멜레온 등의 포유류와 양서류가 속한다. 태풍이 휘몰아치면 나무가 뽑히고 각종 식물들이 엉켜 ‘자연 뗏목’이 만들어진다. 이 뗏목에 우연히 내려앉은 아프리카와 아시아 동물들이 해류를 만나면 마다가스카르에 도착할 수 있다. 실제로 1995년에는 녹색 이구아나 15마리가 길이 100m에 이르는 나무 뗏목을 타고 12일 만에 240km나 떨어진 다른 섬으로 이주한 사례가 있다.

짠물에서 생활하지 못하는 양서류가 바다를 건너왔다는 사실을 뒷받침해 주는 사례는 하나 더 있다. 최근에 생성된 화산섬에 양서류가 살고 있다는 것이 그 증거다. 화산이 폭발한 후에 양서류가 도착했을 것이므로 이들은 어떤 형태로든 바다를 건넜다는 얘기가 된다. 이를 보면 동물들이 직접 뗏목을 만들어 항해한 것은 아니더라도 자연 뗏목에 휩쓸려 대륙을 이동했다는 추론은 일리가 있다.

2012년 3월 21일자 ‘영국왕립학회보 B: 생명과학’에는 마다가스카르에 사는 원주민의 조상들 역시 1200년 전 난파된 배가 해안으로 떠밀려 와 정착했다는 분석이 나오기도 했다. 마다가스카르에서 5,600km나 떨어진 인도네시아 여성이 500인승 정도 되는 배를 타고 왔을 거란 얘기다. 연구자들은 원주민 300명과 인도네시아인 3,000명의 미토콘드리아 DNA를 분석해 인도네시아인 28명 등 30여 명의 여성이 마다가스카르인의 모계조상이라고 밝혔다.

수영형 동물은 악어와 거북이, 하마처럼 수영을 할 수 있는 양서류와 포유류다. 이들은 거리상 문제 때문에 아시아 출신보다는 아프리카 출신이 많다. 그러나 아무리 수영을 잘하는 동물이라도 400km 이상을 헤엄쳐 오기는 힘들다. 연구자들은 수영형 동물이 성공적으로 마다가스카르에 입성하려면 수영실력보다 체내 지방량의 정도가 중요하다고 봤다. 아무리 수영을 잘한다 한들 도중에 에너지원이 떨어지면 끝까지 바다를 건널 수 없기 때문이다.

수영형 동물이라고 모두 성공한 것은 아니다. 마다가스카르를 건너는 도중에 다른 섬에 안착한 동물도 있다. 아프리카 대륙과 마다가스카르 사이에 있는 유로파 섬에는 마다가스카르에 도달하지 못하고 정착한 코끼리 뼈가 남아 있다.

잉꼬, 올빼미, 박쥐 등의 조류와 포유류는 비행형이다. 이 방식은 비행형, 수영형과 비교할 때 가장 성공률이 높은 방식이다. 연구팀은 마다가스카르에 있는 44종의 박쥐 중 적어도 24종은 날아서 온 것으로 보인다고 말했다. 이들은 장거리 비행 대신 징검다리 비행을 택했을 것으로 보인다. 출발지에서 마다가스카르까지 한 번에 날아가는 것이 아니라 중간 경유지에서 쉬어 가는 것이다. 인도에서 출발한 박쥐는 마다가스카르 북동쪽에 있는 세이셸 제도를 거쳐 마다가스카르에 도착했을 것으로 추정됐다.

꽤 먼 거리를 비행하는 동물들에게 바람과 태풍은 든든한 지원군이 된다. 날아가는 도중에 뒤에서 밀어주듯 바람이 불면 훨씬 빠른 시간 내에 마다가스카르에 도착할 수 있기 때문이다. 연구진은 중생대와 신생대 사이에 남동쪽에서 무역풍이 불어와 호주나 동남아시아 동물들이 좀 더 수월하게 마다가스카르에 입성했을 것으로 예측했다. 또한 여름에는 인도양 남서쪽에 사이클론이 형성돼 새들이나 박쥐들이 수백 km까지 이동할 수 있었을 것으로 보인다.

새나 박쥐들이 무리지어 이동하는 습성은 정착에 큰 도움이 됐을 것이다. 연구진은 정자를 저장할 수 있는 능력을 가진 박쥐들의 정착률이 높다는 사실을 확인했다. 또한 동료들과 함께 생활하면 짝짓기 확률이 높아지기 때문에 새로운 환경에서 살아남기 수월하다.

마다가스카르 동물들의 유래가 한국에 사는 우리에게 주는 시사점은 뭘까. 환경부 국립생태원 건립추진기획단의 안정화 환경연구관은 그 의미를 ‘붉은 박쥐’에서 찾았다. 우리에게 황금박쥐로 잘 알려진 붉은 박쥐는 우리나라에 사는 박쥐의 한 종류다. 그런데 붉은 박쥐는 우리나라에 서식하는 다른 박쥐들과 달리 동면 기간이 유달리 길다. 붉은 박쥐가 아프리카에서 유래한 조상에 기원을 두고 있기 때문이라는 것이다.

이렇듯 멀리 떨어진 아프리카의 연구 결과도 오늘날의 우리에게 시사하는 바가 있다. 아마도 이것은 과거 모든 대륙이 하나로 이어져 있었던 것처럼, 과거의 모든 생물이 연결돼 있었기 때문은 아닐까.

글 : 김수비 과학칼럼니스트

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후쿠시마 원전사고 1년, 극한작업로봇의 역할

과학향기 — Mon, 16 Apr 2012 01:30:00 +0900

2011년 3월 동일본 대지진이 일어난 후 1년이 지났다. 엄청난 강도의 지진과 쓰나미로 인해 수십만 명이 삶의 터전을 잃어버리는 전후 최대의 위기상황에 처했다. 당시 원전부지 내의 상황은 원전 건물 내에 약 12만 톤에 달하는 고농도 오염수가 고여 있었으며, 지진과 수소 폭발로 파괴된 시설의 잔해 때문에 방사능이 대단히 높은 상태였다. 원전 부지 내에도 고준위의 방사능을 띤 파편들이 여기 저기 흩어져 있었다. 1년이 지난 아직까지도 후쿠시마 원전 반경 20km 근처에는 인간이 근접할 수 없을 만큼 높은 방사선이 측정되고 있다.
도쿄전력 직원들은 치명적인 방사선 피폭을 무릅쓰고 원전복구에 나섰지만 수습작업의 진전은 지지부진한 상태였다. 일본 정부와 도쿄전력은 늦어도 40년 이내에는 원전 2호기의 해체를 종료한다는 계획을 세운 상태로, 이 작업은 인간이 할 수 없어 ‘극한작업로봇’이 원전해체 작업에 투입되고 있다.
이처럼 사람이 다가갈 수 없는 혹독한 환경에서 사람과 같은 고도의 작업을 수행하는 로봇을 극한작업로봇이라 한다.

극한작업로봇은 현재 우주공간, 심해, 원자로 내부, 무너진 건물 속 인명구조 작업 등 다양한 곳에 투입돼 인간을 대신하고 있다. 이런 작업을 하기 위해서는 사람의 오감(시각, 청각, 후각, 미각, 촉각)의 감지 기능을 갖춰야 한다.
극한작업로봇의 연구개발 역사는 10년도 채 되지 않은 신생기술이다. 미국과 일본 등 일부 국가만이 기술적 우위를 차지할 뿐 대부분의 국가들은 초보적인 단계다. 로봇 강국으로 꼽히는 일본도 원전사고 사태 앞에서는 속수무책이었다. 도쿄전력 직원들이 치명적인 방사선 피폭 가능성 속에서 냉각장치가 마비된 원자로를 물로 식히는 작업과 방사선 누출량을 측정하는 작업을 목숨 걸고 수행하는 모습은 ‘현장에 왜 로봇을 투입하지 않는 것일까?’, ‘공개하기 싫은 그 무엇이 있는 것은 아닐까?’ 하는 의구심을 자아냈다.
로봇을 움직이는 전자회로 등이 방사선에 노출되면 정상적인 동작을 할 수 없게 된다. 더구나 로봇 스스로 상황을 인지하고 판단해 자율적으로 작업을 할 수 있는 로봇이 개발됐다는 보고는 아직 없다. 현재로서의 최선은 인간이 방사성 물질에 노출되지 않는 수십 km 떨어진 안전한 거리에서 일일이 원격으로 조종해야 하는 원격조종 로봇이 고작인 것이다. 더구나 현장에 투입된 로봇은 이미 방사선에 오염된 폐기물이기 때문에 이를 처리하는 방법 또한 보통 문제가 아니다.
이러한 사정으로 인해 후쿠시마 원전 재난 현장에 로봇을 즉각 투입하기에 어려움이 있지 않았을까 추측해 본다. 그러나 재난구조용 로봇을 만드는 일본국제구출시스템연구기구(IRS: International Agency for Research on International Rescue System)는 사고 발생 다음날 지진 피해자를 구출하기 위해 무너진 건물 더미에서 생존자를 찾아내는 뱀형 로봇 ‘능동 스코프 카메라’와 사람이 가기 힘든 재해지역을 자유롭게 돌아다니는 ‘쿠인스(Quince)’ 등의 최첨단 로봇을 가지고 센다이(Sendai)시로 달려갔다. 하지만 조정인력이 부족하다는 이유로 활용하지 못하고 오랫동안 대기 상태로 있을 수밖에 없었다.
이런 상황에서 미국을 비롯한 프랑스, 캐나다 등 세계 여러 나라에서 원전 사고의 빠른 수습을 위해 로봇을 지원해 주겠다고 나섰다. 재난 수습을 위해 후쿠시마 원전에 투입돼 활동한 로봇과 그들의 특징은 다음과 같다.

[그림 1] 티 호크 비행로봇. 사람이 원격조종 할 수 있고 자율비행도 할 수 있다. 사진 출처 : US Army

지름 수 cm, 중량 10kg 정도의 소형 헬리콥터 형상을 하고 있는 전투용 로봇 ‘티 호크(T-Hawk)’는 피해지역 외곽을 촬영해 방수에 의한 냉각 질소 투입과정을 알려주었다. 미국의 허니웰(Honywell)사에서 개발한 로봇으로 원격조종 및 자율비행이 가능하다. 3km 상공을 시속 74km로 비행할 수 있으며 공중에서 40분 이상 임무 수행을 할 수 있다. 미국 아이로봇(iRobot)사에서 개발한 전투용 로봇인 ‘팩봇(Packbot)’은 폭발물 탐지 등을 목적으로 개발됐으며 이라크, 아프가니스탄에 투입된 경험이 있다. 길이 90cm 정도의 작은 탱크처럼 생긴 이 로봇은 기동성이 좋아 바위, 잔해, 계단 등 각종 장애물을 거침없이 드나들 수 있다. 원전 내부를 촬영하고 화학물질, 방사선량 등을 측정할 수 있으며 잠기지 않은 문이나 밸브 등을 개폐할 수 있다.
아이로봇사에서 개발한 또 다른 전투용 로봇인 ‘워리어(Warrior)’도 투입됐다. 중량 68kg으로 6.4cm의 소방호스를 100kg까지 들 수 있어 물이 필요한 곳에 보다 많은 양의 물을 공급할 수 있다. 대부분의 군사용 장비가 그렇듯 아이로봇사가 개발한 로봇들은 전자방해(EMI: Electro-Magnetic Interference) 보호 장비를 갖추고 있다. 아이로봇사는 로봇 작동을 위한 라디오 신호와 방사선 등의 간섭으로 로봇의 무선조종이 방해받을까봐 고심했다. 아이로봇사는 이 문제를 해결하기 위해 팩봇과 워리어에 220~500m 범위 내에서 원격 조정할 수 있도록 특별한 광섬유를 장착했다.
미국 해병대용으로 개발된 소형 로봇인 ‘드래곤 러너(Dragon Runner)’는 원전 내부에 투입돼 파손 상황을 상세히 확인하는데 사용된 것으로 추정된다. 드래곤 러너는 실내 정찰이나 차량 아랫부분의 의심물체를 탐지하는 등의 임무에 적합하다. 원격조작 로봇은 군사용을 염두에 두고 개발됐으나 이번 원전 사고 직후 일본 방위성 관계자들 사이에서는 ‘이번 원전 사고

[그림 2] 후쿠시마 원전에는 한 번에 두 대의 팩봇이 투입됐다. 사진 출처 : 동아일보

수습 임무는 전쟁터에 버금가는 위험한 임무이므로 원격조작이 가능한 무인 로봇을 투입할 수 있다면 인적(人的) 피해를 줄일 수 있다’는 기대감이 높아졌다.
일본 미쓰이(Mitsui)사가 만든 ‘모니 로보(Moni-Robo)’는 크기 150cm,무게 600kg이며 한 팔로 구성돼 있다. 1km 밖에서 원격조종을 할 수 있으며 3D 열 그래픽 영상(Thermography Image) 촬영이 가능한 카메라가 장착됐다. 트랙을 따라 이동하며 방사능 측정, 가연성 가스 탐지 등의 기능을 수행할 수 있다.
일본의 치바(Chiba) 공대와 도호쿠(Tohoku) 대학에서 개발한 재해 대책용의 범용 로봇인 ‘쿠인스(Quince)’는 건물 내부의 상황을 입체적인 영상 데이터로 재현했다.화학, 생물, 방사능 오염지역을 갈 수 있으며 초당 1.6m의 속도로 이동할 수 있다.
도쿄(Tokyo) 공대에서 개발한 뱀형 로봇은 65cm 수륙양용(水陸兩用)으로 피해 잔해 속 7m까지 파고 들어가 피해자를 구조했다.

초당 82cm를 이동했으며 길이가 65cm로 길며 광 시야를 가지고 있다.
1년이 지난 지금 후쿠시마 원전 원자로 하부 온도 지시 상태는 섭씨 70도 이하다. 일본 정부는 각종 계측 값을 바탕으로 원자로 내부의 냉각수 온도를 섭씨 100도 미만으로 유지하기 위해 힘쓰고 있다. 일본정부와 도쿄전력의 사고 수습 중장기대책에 따르면 1)2013년까지 1~4원전 수조 내의 사용후핵연료를 안전한 곳으로 옮기고, 2)로봇 및 기기개발을 통해 원전건물 내의 제염작업 및 파손부분 수리, 오염수 처리, 격납용기 전체를 물로 채워 냉각, 3) 녹은 핵연료의 추출작업에 착수해 2036년까지 완수, 4) 2051년까지 원전을 해체한다는 계획이다.

사람이 들어가거나 접근할 수 없는 곳에서 작업하는 극한작업로봇들은 앞으로 더욱 늘어날 것이다. 이들을 편하고 실효성 있게 조작하기 위해서는 원격조작 기술과 더불어 위험한 곳에 직접 가지 않더라도 실제로 작업을 하는 것과 같은 느낌을 갖도록 하는 로보틱 버추얼 시스템의 연구개발도 꾸준히 이루어져야 한다. 앞으로도 인류를 위한 극한작업로봇의 활약을 기대해 본다.

글 : 심영일 한국과학기술정보연구원 전문연구위원

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