과학의 개념어들 - 물리학 화학 생명과학 개념의 교차와 연계로 과학 이해의 스펙트럼을 넓히다(개념어 시리즈)

물리학, 화학, 생명과학의 경계를 허물고 지평을 넓히다

과학에 관한 자료가 넘쳐나는 시대이다. 수준이 다양한 과학 교양서가 꾸준히 출간되고, 온라인 자료 역시 일일이 살펴볼 수 없을 정도로 많다. 《과학의 개념어들》은 조각난 개념의 지식이나 부분적 정보를 넘어서 해당 학문으로부터 깊은 통찰을 얻기 원하는 독자를 위한 책이다. 하나의 과학적 개념을 물리학, 화학, 생명과학의 세 가지 시선으로 분석하여 개념의 파편화는 지양하고 학문 간, 개념 간의 ‘이웃함’을 지향한다. 고등학교 물리학, 화학, 생명과학 수준의 개념을 큰 이정표로 삼고, 학문 간의 공통 개념과 인접 개념이 교차하거나 스치는 장면들을 보임으로써 개별 개념에 천착하기보다 ‘과학함’의 스케일을 재고한다. 이를 통해 과학에 관한 포괄적이고 확장된 시야를 독자에게 제시한다.

[목 차]

 

머리말

1 에너지, 화학반응

2 엔트로피, 화학반응의 자발성, 깁스 자유에너지

3 원소, 원자, 주사 터널링 현미경, 양자 터널링

4 생체분자, 엑스선회절 분석법, 이중 슬릿 간섭

5 고분자, 배위 고분자, 금속 유기 골격체

6 산·염기, 완충용액, 지시약, 극한 환경 생물

7 산화·환원 반응

8 화학전지, 2차 전지, 생물 연료전지

9 세포막, 막전위, 활동전위

10 물

11 탄소순환

12 물질대사, 효소, 촉매, 활성화 에너지

13 광합성, 양자 결맞음, 양자 얽힘, 양자생물학, 인공 광합성

14 발효, 세포호흡, 프로바이오틱스, ATP 에너지 수송, 화학결합, 분자 기계

15 DNA 복제, 생명 복제, 배아 줄기세포, 양자 정보, 양자 복제 불가능성

16 암세포, 종양 유전자, 종양 억제 유전자, 암 치료, 방사선치료, 발암물질, 항암제

참고문헌

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[본 문]

 

엔트로피는 에너지와 혼동되는 경우가 많은데, 특히 ‘계의 무질서한 정도’를 임의적으로 해석할 때 그러하다. 예를 들어 뜨거운 물체의 원자들의 운동이 차가운 물체의 원자들의 운동보다 무질서할 것이기 때문에 뜨거운 물체가 차가운 물체보다 엔트로피가 높다고 오해하기 쉽다. 과연 뜨거운 물체의 엔트로피는 높고 차가운 물체의 엔트로피는 낮은 것일까?

--- p.52 〈2. 엔트로피, 화학반응의 자발성, 깁스 자유에너지〉

 

단백질은 탄수화물이나 지질보다 훨씬 복잡하고 거대한 분자이다. 탄소, 수소, 산소로만 구성되는 탄수화물이나 지질과 달리 단백질은 질소와 황이 추가로 존재한다. 단백질은 아미노산 중합체를 의미하는 폴리펩타이드(polypeptide)가 3차원적 구조를 갖추어 만들어진다. 생명체에는 아미노산이 20종류나 있으며, 이들은 다양하게 조합되어 특정 단백질을 구성하므로 단백질은 구조와 기능이 매우 다양할 수 있다.

--- p.98 〈4. 생체분자, 엑스선회절 분석법, 이중 슬릿 간섭〉

 

1912년 막스 테오도어 펠릭스 폰 라우에(Max Theodor Felix von Laue, 1879~1960)는 동료들과의 대화에서 다음의 영감을 얻었다. ‘만약 엑스선이 단지 파장이 매우 짧은 빛에 불과하다면, 그리고 고체 결정이라는 것이 원자들의 일정한 배열이라면 엑스선은 고체 결정을 통과하면서 규칙적인 회절·간섭무늬를 만들 것이다.’ 이러한 발상에 바탕을 둔 그와 동료들의 실험은 매우 성공적이었다. 황산구리 결정에 엑스선을 쪼이자 예상대로 간섭에 의해 밝은 점들이 대칭적이고 반복적인 무늬를 감광판에 만들었다.

--- p.112 〈4. 생체분자, 엑스선회절 분석법, 이중 슬릿 간섭〉

 

즉, 시냅스틈에 접한 뉴런의 막에서 나트륨 이온 채널이 일부 열리면 해당 부위의 막전위에서 음의 값이 0 쪽으로 감소한다. 충분한 숫자의 나트륨 이온 채널이 열려 막전위가 역치전위(threshold potential)에 도달하면 해당 부위에서 활동전위(action potential)가 발생하고 뉴런이 흥분했다고 표현할 수 있다. 활동전위란 막전위가 음의 값에서 양의 값으로 뒤집히는 것을 말한다.

--- p.196 〈8. 화학전지, 2차 전지, 생물 연료전지〉

 

친수성(hydrophilicity)과 소수성(hydrophobicity)은 화학, 재료과학, 생명과학 등에서 물과 다른 물질의 상호작용을 이해하는 데 매우 중요한 개념이다. 극성이 높은 화합물 및 분자 내 극성 부분은 친수성이 있다고 정의하고, 비극성이거나 극성이 전혀 없는 화합물이나 부분은 소수성이 있다고 정의한다.

--- p.218 〈10. 물〉

 

식물의 광합성 반응은 이산화탄소와 물을 반응물로 하여 주 생성물인 포도당과 부산물인 산소를 발생시킨다. 동물은 탄수화물인 포도당뿐만 아니라 세포호흡을 위한 산소가 반드시 필요하기 때문에 광합성의 생성물이 모두 귀중하다. 식물의 엽육세포(mesophyll cell)에 존재하는 엽록체(chloroplast)라는 세포 소기관에서 일어나는 광합성은 빛에 의존하는 광반응(light reaction)과, 빛에 직접 의존하지는 않는 캘빈회로(Calvin cycle)라는 두 과정으로 나뉜다.

--- p.254 〈13. 광합성, 양자 결맞음, 양자 얽힘, 양자생물학, 인공 광합성〉

 

중력의 영향을 무시할 수 있는 미시적 수준에서는 전자기력 등의 영향하에서 입자들이 구속 상태와 그렇지 않은 상태를 보인다. 원자 또는 분자 수준의 규모에서 2개 이상의 입자가 구속 상태일 때 이것을 결합(bond)이라고 부를 수 있다.

--- p.281 〈14. 발효, 세포호흡, 프로바이오틱스, ATP 에너지 수송, 화학결합, 분자 기계〉

 

이제 복제 불가능성 정리가 정보 보안에 도움이 된다는 점은 이해할 수 있을 것이다. 통신을 위하여 송신자가 수신자에게 큐비트를 물리적으로 직접 보낸다고 했을 때 중간의 제3자가 큐비트를 탈취하여 복사한 후 탈취한 사실을 숨기기 위하여 수신자에게 원본을 보내더라도 제3자는 큐비트의 완벽한 복제본을 얻을 수 없다.

--- p.341 〈15. DNA 복제, 생명 복제, 배아 줄기세포, 양자 정보, 양자 복제 불가능성〉