체험학습에서 가장 인상 깊었던 것은 고분자와 관련된 전시물이었다. 그중에서도 고분자 물질이 기반이 되는 합성섬유에 대한 내용이 많았다. 고분자 합성물질이 실로 변하는 반응기를 직접 볼 수 있었고, 나일론, 폴리에스터와 같은 다양한 합성섬유를 이용한 옷감들을 관찰할 수 있었다. 이 전시물을 선택한 이유는, 직업에 맞는 특수한 역할을 하는 옷이나 등산복 등 다양한 옷감들이 모두 고분자 합성섬유로 만들어져 있지만 이들마다 옷감의 성질이 다른 것을 두고 그 차이가 고분자의 어떠한 요인에 의해 변화하는가에 대해 탐구해보고싶었다.

고분자란 분자량이 1만 이상인 거대한 분자를 말하며 영어로는 polymer 라 한다. 고분자의 특성을 결정짓는 가장 큰 요인은 고분자의 구조적 특성이다. 고분자의 구조를 몇가지를 나열해본다면 선형고분자, 가지고분자, 망상고분자등이 있다.

선형 고분자는 긴 사슬로 구성되며 구조가 규칙적이며 고품질의 제품을 제조할수있다는 특징이 있다. 소방복은 방향족 폴리아미드 (아라미드 섬유)의 종류중 하나인 메타 아라미드로 이루어져있다. 메타 아라미드는 내열성이 뛰어나고 화염에 노출되더라도 안정성을 보장한다. 이는 선형 고분자의 예시중 하나이다. 선형 고분자가 사슬로 일직선으로 연결된 것이 분자간 상호작용을 막아 화염에 강한 성질을 가진다.

가지고분자는 선형고분자에 가지가 붙어있는 구조이다. 가지고분자로 이루어진 합성섬유의 예시로는 폴리우레탄이 있다. 폴리 우레탄의 경우 기능성 운동복인 레깅스등에 사용되는데 통기성이 좋고 유연하다. 이는 가지고분자는 분자 사슬이 가지처럼 분기 되있기 때문에 더 복잡하고 이러한 특징이 유연성에 영향을 미치게 된다.

동아리 체험학습을 통해 다양한 전시물들을 관람하고 체험하며 과학적 식견을 넓힐수 있었던것같고 심화탐구활동을 통해 위와 같은 사례들을 조사하며, 고분자는 구조적 특성에 의해 다른 성질을 가지게 되는 것을 알게 되었으며 고분자의 구조적 특성을 고려하며 산업분야에서 다양하게 사용됨을 알게 되었다. 이러한 탐구를 통해 고분자의 특성에 대해 깊이 이해할수있었고 고분자 물질에 대해 더 관심을 가지게 되었다.

2. 유전자 편집 기술에 대해 설명한 영상이 인상 깊었다.

   유전자 편집 기술 정의에 대한 설명과 유전자 편집 기술이 다양한 분야에서 사용되다는 설명이 있었는데 의학 분야에서만 활발하게 사용될 것 같다고 생각한 나는 그 영상을 보고 내 생각과 달리 다양한 분야에서 큰 변화를 가져오는 방법이라는걸 알게 되어 유전자 편집 기술이 사용되는 분야는 무엇이 있고 어떻게 유전자 편집기술이 사용되는지 궁금하였다.

3. 유전자 편집 기술에 대해 설명해주는 영상을 보고 나서 유전자 편집 기술이 열어갈 미래에 대해 어떤 영향을 끼칠지 궁금하여 조사해 보았다.

   유전자 편집 기술을 앞으로 생명공학, 농업, 환경 분야에서 큰 변화를 가져올 것으로 보인다.

   질병 치료로는 암과 질환의 맞춤형 치료법 개발이 가속화될 전망이며 가뭄과 해충에 강한 작물을 개발해 식량 부족 문제를 해결하고, 멸종 위기 생물 복원이나 생태계 보호 프로젝트에도 활용될 가능성이 높다.

   여기서 질병 치료로 암과 질환의 맞춤형 치료법이 개발된다고 했는데, 유전자 편집 기술은 선천적인 유전 질환에만 해결책을 제공할 수 있다고 생각하였는데 암과 같이 후천적인 질병에도 유전자 치료로 해결책을 제공할 수 있다걸 알게 되었다.

   그래서 후천적으로 발생하는 유전질환 치료에 대해 알아보았는데 상한 나뭇가지 자르듯 DNA에서 병을 일으키는 부위를 도려낼 수 있으며, 세포 분열 전 배아 상태에서 크리스퍼를 주입하여 그 크리스퍼가 DNA에서 병을 유발하는 부분을 제거하면 그 후 건강한 세포들이 자가복제하며 성장하게 되면서 후천적 질환을 치료할 수 있다고 한다.

   여기서 크리스퍼는 원래 단순히 DNA를 절단하기 위해 사용되었지만, 그 후 크리스퍼는 사람 유전체에 완전히 새로운 DNA 절편이나 유전자 전체를 삽입하여 기존의 유전정보를 다른 것으로 바꾸기 위한 기술로 개발하는 과정에 있다.

   이러한 점에서 새로운 유전자를 삽입하여 기존의 것을 바꾸어주는 크리스퍼가 있기에 선천적인 유전 질병뿐만 아니라 후천적인 유전 질병도 치료 가능한 것 같다고 생각한다.

   이 점에서 유전자 편집 기술에서 크리스퍼의 역할이 필수적이라는 걸 알 수 있게 되었다.

4. 과천과학관에 가보니까 학교에서 배운 내용과 내가 평소에 관심이 없던 분야에 대한 설명도 있었는데 원래 알고 있던 내용은 과천과학관에 있는 내용들을 보면서 다시 상기시키면서 추가적으로 내용을 얻어 갈 수 있어 좋았고 평소에 관심 없던 분야인 분야에 대해서는 흥미가 생겼다.

   특히 물리에 대해서 평소에 관심이 많은 편은 아니였지만 기억에 남는 것으로는 비행기가 나는 물리적인 원인을 비행기 모형을 두어 공기역학적 현상을 날개의 각도를 다르게 하여 보여준 것을 통해 딱딱한 이론이 아닌 시각적으로 설명해주어 유익하였다.

전시에서는 모형을 직접 연결하며 고분자의 구조를 탐구할 수 있었고, 제가 입고 있던 옷을 렌즈로 확대하여 옷의 구조도 눈으로 확인할 수 있었습니다. 그중에서 고분자인 케블라의 모형을 직접 연결하며 만들었던 활동이 가장 인상 깊었습니다.

케블라는 고분자 물질로, 긴 사슬 형태의 분자들이 결합하고 있는 형태이며, 강한 내구성을 가집니다. 저는 과천과학관에서 제공된 모형을 연결하여 케블라의 구조를 완성해 보면서 고분자 화합물의 성질을 직접 느낄 수 있었습니다. 고분자 화합물은 무질서한 원자 배열이 아니라, 작은 구조 단위들이 반복적으로 결합해 긴 사슬 모양을 형성하고 있습니다.

이날 과천과학관에서 처음 알게 된 케블라는 학교에서 배웠던 고분자가 아닌 처음 들어본 이름의 고분자여서 제가 알고 있지 않은 케블라만의 특성은 무엇이 있고, 케블라뿐만 아니라 다양한 고분자들이 저의 진로인 화학 분야, 그리고 일상생활에서 어떻게 응용되는지에 대해 깊이 탐구하고 싶다는 생각이 들었습니다.

케블라는 파라계 방향족 폴리아마이드 섬유로, 황산 용액에서 액정 방사를 통해 형성되는 고강도 섬유입니다. 강철보다 5배 이상 강한 내구성을 가지며, 탄성과 진동 흡수력이 뛰어나 진동 흡수 장치나 방탄 재료로 사용됩니다. 또한, 열에 의해 변형되지 않기 때문에 방화복 등 고온 환경에서의 소재로도 적합합니다. 하지만 물에 젖으면 강도가 급격히 저하되므로 방수 처리가 필수적입니다. 이 문제를 해결하기 위한 화학적인 방법으로는 케블라의 화학 구조에 친수성이 낮은 메틸기나 에틸기 등의 화학적 구조를 도입하여 물과의 상호작용을 줄이는 방법이 사용되며, 이는 중합 반응과 섬유화 과정을 통해 진행됩니다.

이러한 케블라뿐만 아니라 다양한 고분자 화합물은 플라스틱, 고무, 섬유, 접착제 등에서 널리 응용되고 있습니다. 이러한 고분자 소재들은 현대 사회에서 중요한 기술적 기반을 이루고 있으며, 최근에는 생분해성 플라스틱, 생체 적합성 고분자 등 친환경적이고 안전한 고분자 화합물이 개발되고 있어 고분자 화학의 중요성이 더욱 부각되고 있습니다. 또한, 현대 사회에서 화학 기술이 지속적으로 발전함에 따라 화학 물질의 안전성도 매우 중요해지고 있습니다. 저는 안전하고 친환경적인 화학 물질 개발에 관심을 가지고 있으며, 고분자 화학과 친환경 소재 개발에 대한 깊은 이해를 쌓아가면서 실질적인 문제 해결에 기여하는 화학 전문가로 성장하고자 합니다.

저에게 이번 체험학습은 단순한 체험을 넘어, 고분자 화합물의 구조와 그 중요성을 깊이 이해할 수 있는 소중한 기회였습니다. 특히 케블라의 독특한 성질과 응용 분야를 직접 탐구하면서 고분자 화학이 우리의 생활에 미치는 영향을 실감할 수 있었습니다. 이러한 경험은 저의 진로 선택에 긍정적인 영향을 미쳤으며, 앞으로도 끊임없이 배우고 노력하며 화학 분야에서의 저의 꿈을 키워나가고 싶습니다.

제가 과천 과학관에 가서 봤던 전시물은 정상 헤모글로빈의 모형과 낫모양 헤모글로빈의 모형이었습니다. 다른 것도 많았지만 이 주제를 선택한 이유는 헤모글로빈에 대해서 배운 적이 있었지만 헤모글로빈의 1차부터 4차까지의 구조는 배운 적이 없었기 때문에 헤모글로빈의 정확한 역할과 구조에 대해 심화탐구하기위해서 이 주제를 선택하게 되었습니다. 또한 진로는 아직 정하지 못하였지만 가고 싶은 학과가 생명과도 관련이 있기 때문에 생명과 관련된 주제를 심화탐구하게 되었습니다.

헤모글로빈은 철을 함유하고 있는 단백질로 적혈구에서 산소 운반을 촉진하는 역할을 합니다. 혈색소라고도 불리면, 남극 빙어과에 속하는 어류를 제외하고, 거의 모든 척추동물들은 헤모글로빈을 가지고 있습니다. 혈액 속의 헤모글로빈은 조직세포에서 산소를 방출하여 동물의 물질대사에서 에너지를 생성하는 산소 호흡을 가능하게 합니다. 건강한 사람은 혈액 100mL 당 12~20g의 헤모글로빈을 가지고 있습니다. 또한 헤모글로빈은 산소뿐만 아니라 다른 기체들도 운반합니다. 신체에서 세포호흡으로 생성된 이산화 탄소 중 일부(전체의 20~25%)를 카바미노헤모글로빈으로 운반하게 하며, 여기서 CO₂는 햄단백질에 결합합니다. 이 분자 또한 글로빈 단백질의 싸이올기에 결합된 중요한 조절 분자인 산화질소를 운반하며 산소와 동시에 방출합니다.

헤모글로빈은 많은 다중 소단위체 구형 단백질의 특징인 4차 구조를 가지고 있습니다. 우선 정상 헤모글로빈의 1차 구조는 특정 순서대로 배열된 146개의 아미노산이 있습니다. 2차구조에서는 알파 나선이나 베타병풍 구조를 만들지만 많은 부분은 알파 나선으로 구성되어있습니다. 3차구조는 2차 구조들이 더 복잡하게 3차원적으로 접하는 구조이고, 특정 3차원 형태로 접혀 산소를 운반할 수 있는 자리를 형성합니다. 4차구조는 여러개의 단백질 소단위체가 모여 완성된 기능성 단백질을 이룹니다. 헤모글로빈은 4개의 단위체로 구성되어 있고, 각 소단위체는 헤임이라는 철이 포함된 구조를 포함하여 산소를 결합합니다. 반면에 낫모양 헤모글로빈에서는 정상헤모글로빈과 다르게 1차구조에서 6번째 아미노산이 글루탐산(산성) 대신 발린(중성)으로 변형되는데 이 작은 변화가 4차구조까지 모든 구조에 영향을 미칩니다.

헤모글로빈을 조사하면서 느꼈던 점은 평소에 실험을 하다보면 정말 정교함이 중요하다고 느끼는데 정교함의 중요성을 다시 한번 깨달을 수 있었던 것 같습니다. 낫모양 헤모글로빈의 사례로 생명체가 작은 변화에 얼마나 크게 반응할 수 있는지 알 수 있었습니다. 단 하나의 아미노산 변형이 적혈구의 모양을 바꾸고, 산소 운반 능력을 떨어뜨려 심각한 질병을 초래할 수 있다는 사실은 놀랍습니다. 이는 또한 우리 몸이 얼마나 균형 잡힌 체계로 이루어져 있는지를 깨닫게 되었습니다.

원자는 핵자(양성자, 중성자)와 전자로 이루어져 있다. 원자핵에서 양성자는 원거리에서 작용하는 척력으로 서로를 밀어내지만 아주 가까운 거리에서 작용하는 강력으로 서로를 단단히 붙잡는다. 모든 원자핵에는 결합 에너지가 있다. 이 결합 에너지는 원자핵 속 핵자의 개수와 구조에 따라 강력의 결합 에너지가 변하게 되고 결합 에너지가 클수록 원자핵 구조가 안정적이고 내부 에너지가 더 낮다는 것을 의미한다. 예를 들어 핵자의 개수가 2개인 중수소보다 핵자의 개수가 4개인 헬륨이 결합 에너지가 중수소의 것의 2배보다 크다. 그러므로 에너지는 질량과 같다는 질량 에너지 등가 원리에 의하여 상식적으로 원래는 중수소보다 질량이 2배이었어야 했던 헬륨은 2배가 되지 못하고 에너지가 2배보다 더 큰 것만큼 질량이 감소하는 것이다. 이러한 원리가 상시 성립되는 것은 아니다. 핵자들이 서로 결합 할수록 핵자들 사이의 결합 에너지 즉, 강력이 계속 증가한다. 하지만 결합 에너지는 원소 기호 26번 철에서 정점을 찍고 계속 감소한다. 그 이유는 핵자들이 결합하며 강력도 강해지지만 그만큼 전기적 척력도 커지며 원자핵의 안정성이 낮아지기 때문이다. 따라서 철 원자 다음부터는 질량이 추가된다. 별의 핵융합으로는 철보다 무거운 원자가 탄생하기 어려운 이유가 이 때문이다. 그러므로 철보다 원자 번호가 작은 원자들은 핵융합으로 에너지를 방출하고 원자 번호가 큰 원자들은 핵분열으로 에너지를 방출하는 것이다.

핵발전 과정 중 우라늄에 저속 중성자를 발사한다. 일단 우라늄에 중성자를 발사하는 이유는 우라늄은 핵자가 아주 많아(235개) 원자 핵이 불안정하다. 이 때 중성자를 발사하여 이 둘을 반응 시키면 핵자들이 교란되어 서로 충돌하면서 불안정하고 뜨거운 핵이 되고 핵분열이 일어나 중성자 3개를 발사하고 크립톤과 바륨으로 나뉘는 것이다. 그리고 느린 중성자를 발사하는 이유는 중성자가 너무 빠르면 우라늄과 충분히 반응을 할 수 없기에 느리게 발사하여 반응 할 수 있도록 하는 것이다.

동아리 체험 학습을 하며 과학을 총 7년 동안 배워왔음에도 불구하고 아직도 모르는게 많다는 것에 아득한 기분이 들기도 했지만 끝이 없다는 것에 무궁무진한 느낌이 들어 오히려 홀가분하기도 하였다. 그리고 심화탐구를 진행하며 교과서에 쓰여 있는 것이 전부가 아니라는 생각이 들었고 고속 중성자를 활용하는 예가 있는 지도 궁금하게 되었다.

무성생식에 대해 조사해보니 무성생식은 방법이 따라 여러 개로 나누어진다는 것을 알게되었다. 무성생식 방법은 분열, 출아법, 영양 생식, 조각 생식, 배수체 생식, 포자 생식이 있다.

분열은 주로 단세포 생물에서 나타나는 방식이다, 부모 세포는 이문법으로 두 개의 자손 세포로 나뉜다. 이 과정에서 부모 세포의 유전 정보가 그대로 복제되어 자손 세포로 전달된다. 박테리아와 아메바 등이 분열을 한다.

출아법에서는 부모 개체에서 작은 자식이 자라나서 떨어져 나간다. 이 자식은 부모와 유전적으로 동일하다. 효모, 해파리 등이 있다.

영양 생식은 식물에서의 꺾꽂이, 포자 형성에서 발생한다. 식물의 경우, 뿌리나 줄기의 일부가 떨어져 나가거나 나누어져 새로운 개체를 형성한다. 이러한 방식은 주로 환경이 안정적이고 유리할 때 일어난다, 이때 형성된 새로운 개체는 부모의 유전자를 그대로 물려받는다.

조각 생식은 일부 다세포 생물의 신채의 일부가 떨어져 나가 새로운 개체를 형성하는 것이다. 떨어져 나간 부분은 다시 자라나서 새로운 개체를 만들며, 이 개체는 부모의 유전자와 동일하다. 해삼, 산호 등이 있다.

일부 식물은 배수채 생식을 통해 무성생식을 한다. 이 경우, 부모의 유전자와 배수체 세포가 결합하여 자손을 만든다. 자손은 부모의 유전자를 그대로 가지며, 일부에서 발생하는 유전자 복제 현상은 도 다양한 개체들이 생기는 원인이 될 수 있다.

포자 생식은 다양한 환경에서 자손을 생성할 수 있도록 하는 무성생식의 한 형태다. 포자는 하나의 세포에서 시작되어 자라는 방식으로, 포자가 발이하면 그로부터 새로운 개체가 자라난다.

무성생식은 기본적으로 부모의 유전자를 그대로 복제하는 과정이므로 유전적 다양성이 마을 낮다. 그러나 무성생식에서도 유전자 복제 과정 중이 돌연변이가 발상할 수 있다. 이러한 돌연변이로 인하 무성생식도 간접적인 유전적 다양성이 나타날 수 있다.

과천과학관을 구경하니 여러 과학 분야에 대한 정보와 지식을 얻을 수 있었다. 책이나 인터넷으로 정보를 알아보는 것이 아니라 직접 돌아다니며 눈으로 보고 귀로 들으니 더욱 재미있게 배울 수 있었으며 어려운 내용들이 좀 더 쉽게 다가왔다. 다양한 과학 지식들이 대해 알아보며 과학에 대한 흥미가 더 생겼으며 진로와 미래에 대해 좀 더 생각해보게 되었다. 여러 재미있는 내용으로 즐거웠을뿐만 아니라 새로운 지식도 얻고 진로에 대해 구체화 해 보는 시간이 되어 정말 즐겁고 유익한 현장체험 이었다.

내가 선택한 '고래와 가장 비슷한 DNA를 가진 동물을 찾는 법'을 알려주는 영상은 생물학자들의 진화연구방법에 대해 설명을 해준다. 생물학자들의 진화연구방법에서 내가 그 쓰임새를 궁금해했던 PCR기술의 쓰임새가 나와있다. 일단 진화연구방법에 대해서 알아보자면, 먼저 구강상피세포를 채취한 다음, DNA추출시약을 첨가하고 원심분리기에 작동을 시킨다. 그 다음 PCR기계 작동을 25~30회 정도를 반복한 후 증폭된 DNA의 염기서열을 분석한다. 이런 연구 방법을 크게 3파트로 1.구강세포 채취 2.분석할 DNA증폭 3.DNA염기서열 분석으로 나눈다고 한다. 이때 PCR기술이 2번째 파트인 분석할 DNA 증폭에 쓰이는 것이다. PCR기술은 생물들의 유전적 유사성과 차이점을 확인하는데 중요한 역할을 하는 것이다. 나는 이 사실을 알게되고 나서, 그저 DNA를 증폭시키는 기술이라고만 알고있던 PCR기술이 이런식으로 생물 간의 진화적 관계를 분석하는데 쓰일 수도 있다는 점을 알게되어 놀랐다.

과거에는 그저 가족과 함께 어딘가를 왔다는 즐거움으로 과천과학관을 즐겼다면, 이번 현장체험학습에서는 과학을 보는 즐거움을 느끼면서 과천과학관을 즐긴것이다. 내가 과거에는 보지 못하였지만 이번 현장체험학습에서 보았던 것들 중 하나가 바로 pcr이였다. pcr의 역할인 DNA증폭과 pcr의 쓰임새를 설명하는 전시물들이 눈에 보이기 시작하였다.

하지만 아직도 pcr은 나에게 어려웠기에 pcr과정에서 나오는 프라이머라는 개념이나 Taq 중합효소와 같은 개념들을 잘 이해할 수 없어, pcr을 완전히 이해하지 못하였다. 2학년이 되어서는 더 많은 과학적 지식과 경험을 쌓고, 다시 한번 과천과학관에 찾아가서 pcr에 관련된 전시물들을 다시 한 번 보고 현재와는 또 다른 즐거움들을 느껴보고 싶다.

과천과학관을 방문하면서 고분자 화합물의 대표적인 예인 나일론과 폴리에스터의를 관찰하였고 화학시간에 배웠던 내용이기에 인상적이기에 선택하였다. 현재 우리 일상에서 많이 쓰이는 물질에서 거의 대부분 각광받는 물질이기에 궁금하였다. 나일론과 폴리에스터는 모두 반복 단위가 연결된 고분자로 축합중합 반응을 통해 만들어진다. 하지만 화학적 구조에서의 차이로 인해 각기 다른 특성을 지니며 이러한 특성은 우리의 일상과 산업에서 중요한 역할을 한다.

먼저 나일론은 아디프산과 헥사메틸렌다이아민의 축합 반응에 의해 생성되는 폴리아마이드로 분자 구조에 아마이드 결합(-CONH-)을 포함하고 있다. 아마이드 결합은 수소 결합을 형성해 나일론 분자 간의 강한 상호작용을 만들어내며 이는 나일론의 높은 인장 강도의 원인이다. 또한, 헥사메틸렌다이아민에서 유래한 길고 유연한 탄화수소 사슬은 나일론의 신축성을 증가시킨다. 이러한 특성 덕분에 나일론은 강도와 유연성이 필요한 의류, 낚싯줄, 타이어 코드 등 다양한 제품에 사용된다.

반면 폴리에스터는 에틸렌글리콜과 테레프탈산의 축합 반응으로 만들어지는 물질로 에스터 결합(-COO-)을 포함한다. 에스터 결합은 극성을 띠며 분자 간 반데르발스 힘을 형성해 폴리에스터의 높은 내구성과 견고성을 만들어낸다. 또한 비극성 탄화수소 사슬은 내화학성을 높여 폴리에스터가 산이나 염기와 같은 화학 물질에 잘 손상되지 않도록 한다. 이러한 화학적 안정성은 폴리에스터를 의류, PET 병, 필름과 같은 다양한 용도에서 활용 가능하게 한다.

두 고분자는 공통적으로 축합중합 반응으로 생성되지만 나일론의 수소 결합은 높은 강도와 신축성을 제공하는 반면 폴리에스터의 에스터 결합은 내화학성과 습기에 대한 저항성을 높인다. 과천과학관의 전시물은 이러한 분자 구조의 차이가 물질의 물리적 특성과 어떻게 연결되는지 시각적으로 보여주었으며 이를 통해 분자의 화학적 특성을 깊이 이해할 수 있었다.

이번 탐구는 나일론과 폴리에스터가 현대 산업과 생활에 미친 영향을 이해하고 동시에 이러한 물질들이 환경에 미치는 문제를 고려하는 계기가 되었다. 고분자 화합물은 내구성과 안정성이 뛰어난 만큼 자연 분해가 어렵다는 단점이 있다. 과천과학관에서 소개된 나일론과 폴리에스터의 재활용 기술은 이 문제를 해결하기 위한 중요한 시도였다. 나일론은 화학적 분해를 통해 원료로 되돌리는 방식이 연구되고 있으며, 폴리에스터는 폐PET 병을 다시 원료로 재활용하여 새로운 제품을 만드는 순환 시스템이 상용화되어 있다.

이번 과천과학관에 가보아 많은 현대 과학를 보고 과거 과학 기술의 변천사를 보며 많은 생각과 경험 그리고 흥미를 느꼈다. 계속해서 발전해 나가는 과학을보며 나 자신도 변화가 되어야한다는 생각이 들었다. 체험학습을 가보며 생각을했지만 많은 추억도 생겼으며 또한 1,2학년의 화합이 더욱더 돈독하게 결성되었다고 생각한다.

석탄과 석유에는 한가지 물질만 있는 것이 아니다. 석탄과 석유 모두 여러 종류의 탄화수소 혼합물로 이루어져 있어, 이 혼합물질을 분리하기 위해 끓는 점의 차이를 이용하는 증류를 필요로 하게 된다. 증류는 혼합되어 있는 용액을 가열하여 끓는 점의 차이로 발생하는 증발과 응축 현상으로 분리하는 방법이다.

이렇게 증류에 대해 알아보면서 특정 산업에서의 증류탑 활용 사례를 분석해 보고 싶다는 생각을 하게 되었다. 대표적으로 화학산업에서 증류탑은 플라스틱, 합성섬유, 고무 등의 원료로 사용되는 에틸렌 및 프로필렌 생산에 이용되는데, 석유 또는 천연가스를 크래킹(석유 산업에서 이용되는 반응으로, 큰 탄화수소 분자를 쪼개는 것)하여 생성된 가스를 증류탑에서 분리하여 순수한 에틸렌과 프로필렌을 얻는다.

과천과학관 관람을 통해 과학의 여러 분야에 대해 더 깊이 알아갈 수 있었고 통합과학에서 배웠던 내용들을 다시 한번 상기할 수 있어 뜻깊었다.

국립과천과학관을 동아리 부원들과 둘러보다가 과학탐구관이라는 곳을 들어가보게되었다.그곳에는 수많은 과학적원리를 이용한 전시물들을 직접 체험해볼 수있는 시설들이 많이 있었고 그중에서도 ‘휘어지는 빛‘이라는 전시물이 내 눈길을 이끌었다.시작버튼을 누르고 내가 직접 레버를 이용하여 서로 다른 색을 가진 물줄기들이 합쳐지게되면서 각각의 색들을 띄게되는데 그 모습이 나에게는 정말 흥미로웠고 그 원리가 무엇인지 더 탐구해보고 싶었다.

이 ‘휘어지는 빛’의 원리는 바로 ’전반사‘라는 원리인데

전반사란 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 향해 빛이 입사할 때,빛이 굴절하지 않고 전부 반사되어 버리는

현상을 말한다.레이저에서 나오는 빛이 물줄기에 갇혀

휘어지는 이유 또한 전반사 때문이다.우리 실생활에서 쓰이는 광섬유 통신에서도 전반사의 원리가 적용이 되는데

광섬유는 빛의 전반사 현상을 이용하여 정보를 빠르게 전달한다.빛이 데이터를 실은 상태로 광섬유의 구조 중 하나인 코어 안에서 전파가 되고,이때 빛이 코어와 클래스딩의 경계면에서 전반사가 되어 신호가 손실없이 잘 전달된다고한다.더 나아가 환경적인 측면에서 전반사를 이용한 광센서를 수질 오염을 실시간으로 감지하는데에 사용할 수 있으며 전반사를 이용한 광집속 장치를 개발하여 태양광의 에너지 수집 효율을 높일 수 있다.

처음 동아리 장소가 정해졌을 때에는 혹시나 ‘전시내용들이 나에게 지루하게 다가오면 어떡하지‘라는 생각들이 들었는데 막상 과학관에 가보니 이론적인 내용들 뿐만아니라 내가 직접적으로 체험해보고 느껴볼 수 있는 내용들이 정말 많았고 또한 실제 생물들도 볼 수 있어서 생동감있는 활동을 할 수 있었다.무엇보다 내가 갖고있던 과학적지식들 뿐만 아니라 세상에 존재하는 다양하고 신비한 원리들도 만날 수 있어 너무나도 값진 경험이었다. 돔에 직접 들어가 평소 관심있는 천문학에 관련한 별자리,우주 활동들을 체험해볼 수 있어 너무 좋았고 동아리 체험학습이 아니더라도 내가 직접 나중에 다시한번 재방문을 해보고싶을만큼 너무나도 즐거운 체험학습이 되었다.

두번째로 인상깊었던 전시물인 PCR(중합효소연쇄반응)은 검출하려는 극소량의 특정 DNA를 복제하고 증폭하는 기술이다. 동아리에서 PCR에 대한 기본적 개념을 학습하고 PCR 전기영동 실험을 진행한 경험이 있는데, 해당 전시물을 보면서 동아리에서의 실험을 떠올리며 특정 DNA를 증폭하는 기술이 우리 삶과 어떠한 연관성을 가지고 있으며, 학문적 연구에서는 어떤 쓰임을 가지고 있는지, 앞에서 보았던 바이러스의 진화에 따른 전염병 연구와 관련성이 존재하는 것인지 의문을 가졌다.

PCR과 바이러스 연구의 관련성, 쓰임에 대한 궁금증을 바탕으로 심화탐구를 진행한 결과는 다음과 같다. PCR을 이용하여 바이러스의 검출, 감염의 정도, 바이러스와 숙주와의 상호작용, 항 바이러스 치료의 결과로 바이러스에 생기는 변화, 질병의 진행 과정에서 바이러스의 재활성화나 내성 역할, 바이러스의 지향성, 복제상의 변화 및 이런 변화가 숙주세포에 주는 효과를 연구할 수 있다. 또 PCR은 바이러스 유전자 치료용 운반체의 분석에 사용되며, 특별한 바이러스의 염기서열과 환자가 느끼는 여러가지 증상과의 상호관계를 증명하는 등 PCR은 바이러스 연구에 매우 큰 영향을 미치고, 많은 형태의 시료로부터 얻은 주형들을 증폭할 수 있는 PCR의 능력은 미생물학의 연구에 활발히 이용된다. (참고자료: https://www.reseat.or.kr/portal/cmmn/file/fileDown.do?atchFileId=b299ed1e0e2e435aadd380f5c692e34c&fileSn=1)

과천과학관에서의 동아리 체험학습을 통해 물리,화학,생명 등 다양한 분야의 과학을 눈으로 보고, 체험함으로써 다양한 궁금증을 해결하고 새로운 지식을 배울 수 있는 뜻깊은 시간이었다. 또, 심화 탐구를 통해 체험학습에서 관람한 전시물을 바탕으로 우리 생활 속 바이러스의 진화를 PCR이라는 과학 기술과 연관지어 바이러스 연구와 PCR사이의 연관성에 대한 궁금증을 해결하며 창의융합적으로 사고하는 능력을 기를 수 있었다. 심화 탐구 활동은 PCR의 미생물학에서의 응용과 우리삶과의 밀접한 연관을 이해하는 계기가 되었다.

이후 추가 탐구 활동으로 PCR 과정에서 DNA 중합 효소의 복제를 위한 프라이머의 역할에 대해 더 공부해보고 싶다.

먼저 세포주기란 세포 분열이 끝난 딸세포가 생장하여 다시 세포 분열을 끝마칠 때까지의 과정으로 간기와 분열기로 구분이 된다 그리고 분열기는 전기, 중기, 후기, 말기로 나뉘어져 있다 간기란 세포 분열 주기에서 분열기를 제외한 시기로 DNA 복제 등이 일어나는 중요한 시기로 휴지기, 분열간기 또는 정지기, 대사기라고도 한다. 세포 분열에서 DNA 복제가 일어나는 시기이다. 다른 말로는 분열간기, 정지기라고도 한다. 일반적으로 구형이며, 이 시기에 핵 안에서의 합성 활동 등은 왕성하지만 눈으로 확인할 수 있는 염색체 변화 등이 보이지 않아 정지기라는 이름이 붙었다 처음에는 DNA 합성을 위해 단백질, 탄수화물, 지방 등의 영양분 합성을 많이 하고, 영양분이 충분히 보충되면 DNA 복제를 한다. 그 후 다시 영양분을 보충하는데 여기까지의 과정을 간기라고 한다. 그리고 분열기에서 전기때에는 염색체가 응축되고 핵막과 인이 사라진다 그리고 방추사가 형성되어 동원체에 붙게 된다. 여기서 동원체란 염색체의 주요 구성체로 단백질 구조이다. 세포분열기에 염색체의 운동과 분배를 조절한다. 동원체란 명칭은 일반적으로 센트로메어와 방추사 부착점을 일컫는 키네토코어의 두 의미를 포함한다. 형태로 붙어 있는 염색분체의 접합 부분으로, 염색체가 1차 협착을 이루며 방추사가 붙게 된다. 동원체가 자리하는 위치에 따라 중부동원체성 염색체, 차중부동원체성 염색체, 차말단동원체성 염색체, 말단동원체성 염색체로 분류된다. 또한 방추사란 염색체를 분해하는 데에 사용하는 것으로 전기에 형성되어 말기 후반부에는 사라지게 된다. 그리고 다음은 중기인데 중기때는 염색체가 세포의 중앙에 배열이 된다. 그래서 염색체를 관찰하기 가장 좋은 시기이기도 하다. 다음은 후기인데 후기때는 하나의 염색체를 이루던 염색 분체가 분리되어 세포 양극으로 이동하게되는 시기이다 그리고 말기때에 염색체가 풀어지고 핵막과 인이 형성되어 2개의 딸세포를 생성하게 된다.

세포주기를 조사하면서 느낀점은 원래는 세포주기에 대해서 잘 알지는 못했지만 이번에 심화탐구를 하면서 세포주기에 대해서 더 많은 지식을 얻은 것 같아서 좋았다. 또한 세포주기는 생명체의 성장과 번식에 필수적인 과정이고 세포가 분열하고 성장하는 과정을 단계별로 알아가면서, 생명의 복잡성과 정교함에 놀라움을 느꼈다. 그리고 세포주기의 각 단계에서 일어나는 다양한 생물학적 과정들을 이해하면서, 생물의 다양성과 복잡성을 더욱 깊이 이해할 수 있었던 것 같다. 그리고 세포주기는 의학, 생물학, 유전학 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 할 것 같다는 생각을 하게 되었다.

'같아 보이지만 다른 분자'는 '거울상 이성질체'라는 것을 표현한 것으로 서로 거울에 비추면 똑같아 보이나 거울 밖에서 포갤때는 서로 포개지지 않는 화합물을 뜻한다. 이 '거울상 이상질체'는 원소의 종류와 개수는 같으나 원소 배열이 반대인 것으로, 이에 따라 서로 다른 성질을 나타낸다. 이곳에 전시되어 있던 것은 카르본으로 '거울상 이성질체'를 갖는 화합물이다. 알(R)-카르본은 민트향이 나고, 에스(S)-카르본은 캐러웨이 향이 난다고 한다. 이것과 관련한 사건도 일어났는데 그것이 '탈리도마이드 의약품 사고'이다. 1957년 이후 몇년간 유럽에서 갑자기 팔다리가 짧거나 없는 아기가 많이 태어났다. 이는 임산부의 입덧을 줄여주는 알(R)-탈리도마이드와 달리, 이것의 거울상 구조를 가진 에스(S)-탈리도마이드가 혈관 생성을 막아 기형을 일으킨다는 것을 알아차리지 못해 벌어진 사고인 것이다.

1학기 때, 이미 과학관에 가본적이 있어서 더 보는게 의미가 없을 수도 있지 않을까 고민 했었는데 막상 가보니 오히려 2학기에 배운 내용으로 더 잘 알아 볼 수 있었고 생각보다 더 심오한 작품도 많았다는 것을 인지하게 되어 2학년에 한번 더 가보면 그 작품들이 더 색다른 모습으로 다가올 것 같아 한번더 가고 싶은 마음이 생겼다.

과천 과학관을 둘러보다가 유전자 증폭 기술에 대해 쓰여있는 문장을 보게 되었는데, 극소량의 dna를 대략 천억 배 정도로 증가시킬 수 있다는 점이 놀라웠고 이 기술이 나의 진로인 의료 분야에서 활발히 사용되고 있었으며 동아리 실험 때 유전자 증폭 기술의 원리인 pcr에 대해 정확히 이해하기 어려웠었기 때문에 다시 탐구 해보고 싶어 이 주제로 선정하게 되었다.

유전자 증폭 기술이란 특정 dna나 rna의 양을 늘려 분석할 수 있는 기술이다. 이 기술은 중합 효소 연쇄 반응(pcr)의 원리에 따라 이루어진다. pcr은 총 세 개의 단계로 나뉘는데 그 중 첫 번째 단계는 변성 단계이다. 변성 단계에서는 복제하고자 하는 dna의 샘플을 약 94도에서 98도의 고온으로 가열하여 이중 나선 구조가 풀어지고 단일 가닥의 dna로 분리되도록 만든다. 그다음 단계는 결합 단계이다. 고온의 온도를 약 50도에서 65도의 온도로 낮추게 되면 프라이머라고 불리는 짧은 dna 조각들이 결합하고자 하는 목표 dna 가닥에 결합한다. 프라이머는 증폭하려는 dna 양 끝에 결합하여 dna 합성을 돕는다. 마지막 단계는 신장 단계이다. 신장 단계에서는 dna 합성 효소인 타액 dna 중합 효소가 프라이머에 결합한 후 온도를 약 75도에서 80도로 조절하여 dna의 연장을 할 수 있게 한다. 위 단계를 계속 반복함으로써 짧은 시간 안에 수없이 많이 복제된 dna 조각을 얻을 수 있다. 이 유전자 증폭 기술은 코로나 시대에 pcr 진단법으로 널리 사용되었다. 사람에게는 약 30억 쌍의 dna가 있기 때문에 이 중 필요한 특정 dna만을 찾기에는 매우 어려움이 있고 찾더라도 적은 양으로 인해 식별하기 어렵다. pcr은 특정 바이러스가 지닌 유전정보를 선택적으로 찾아 양을 증폭시킨다. 학자들은 증폭된 바이러스의 양을 사람의 눈으로 확인할 수 있도록 pcr의 한 주기가 반복될 때마다 생기는 결과물의 dna에서 형광물질이 나오도록 하는 방식을 고안해 내었고 이 형광의 세기를 모니터링하여 증폭 정도를 확인하는 방식을 실시간 중합효소 연쇄 반응이라 한다. 이때 특정 기준선을 중심으로 연쇄반응이 반복되는 횟수를 측정해 감염병 바이러스의 감염 여부를 식별할 수 있다.

pcr에 대한 심화 탐구 보고서를 작성하면서 우리 신체 중 정말 작은 부분인 유전자를 증폭시킬 수 있다는 점이 새로웠고 동아리 활동 때 정확히 이해하기 어려웠던 부분에 대해 직접 탐구해 보면서 완벽히 이해할 수 있게 되었으며 더불어 이 기술이 나의 진로인 간호와 관련해 의료 분야에서 어떻게 사용되고 있는지 알아볼 수 있는 계기가 되었다.

  1. 20122 이세빈

2. 가장 인상 깊었던 전시물은 ‘맞춤형 정밀 의료’에 관한 것이었다. DNA를 읽고 쓰고 편집하는 것의 궁극적인 목표가 정밀의료라는 내용이었다. 이때 정밀 의료의 현재 진행 상황과 개선이 필요한 점이 무엇일지 궁금해져 더 탐구해 보았다.

   3. 정밀의료란 개인의 의학적, 유전적, 분자적, 환경적, 정신적 요인을 기반으로 최대의 효과를 낼 수 있는 개인 맞춤형 치료를 적용하는 포괄적 개념이다.     정밀의료에 있어서 데이터 수집은 매우 중요한데, 신뢰성 높은 데이터를 수집할 수 있어야지만 건강관리에 적절히 활용할 수 있기 때문이다. 이를 위해 다양한 정책과 시범 사업, 연구 등이 시행되고 있으나 실제 보건의료분야에서 데이터의 활용과 연계는 기관별로 분산되어 있으며, 개방적 필요성과 폐쇄적 법률의 상충된 입장 앞에서 그 방향을 잃고 있는 것으로 확인되었다.

    또한 이러한 보건의료 데이터의 수집과 사용에 대한 많은 우려가 있다. 보건의료 데이터는 개개인에게 상당히 민감한 정보로서 정보 보안이 매우 요구되는 사항이며 이를 환자 자신과 주치의를 제외한 다른 사람이 사용하는 데 큰 거부감이 따르기 때문이다. 그러나 의료정보에 대한 교류 없이 가치 있는 보건의료 데이터를 구축할 수 없으므로 국민이 이해하고 동의할 수 있는 안전한 원칙을 만들고 이해를 구하는 것이 중요하다. 뿐만 아니라 유전정보기반의 정밀의료 구현으로 특정 집단이 제도적으로 소외되고 사회적 차별을 받는 등 여러 윤리적 쟁점이 발생할 수 있다.

   이렇게 정밀 의료에 필요한 데이터 수집과 공유, 그에 따른 개인 정보 보호 문제를 해결하기 위해서는 기술적 보안과 법적 규제를 잘 결합해 데이터를 적절히 활용할 필요가 있다.

4. 맞춤형 정밀의료에 필요한 데이터 수집 및 보호에 관한 윤리적 고찰을 통해 개인의 데이터를 잘 다루기 위한 제도적 장치들의 필요성을 절실히 느낄 수 있었다. 보건의료 데이터를 처리할 때의 핵심은 환자의 신뢰를 얻는 것에 있으며, 금융서비스업에서 데이터를 얻어내는 방식처럼 데이터 제공자에게 혜택을 확실히 보장하며 보건의료 데이터 제공에 대한 사회적 인식을 바꿀 필요가 있다고 생각했다.

연쇄성장과 단계성장은 고분자 합성에서 중요한 두 가지 메커니즘으로 볼 수 있다. 연쇄성장은 개시, 전파, 종결의 세 단계를 통해 진행된다. 이 과

정에서 개시제가 활성종(촉매 작용을 관장하는 화학 종)을 생성하고 활성종이 단량체(분자와 함께 반응하여 더 큰 중합체를 이룰수 있는 분자)와 결합하여 고분자가 빠르게 성장한다. 결과적으로 고분자의 분자량이 크게 증가한다는 특징이 있고 연쇄성장은 일반적으로 플라스틱, 합성 섬유, 고무 등의 생산에 널리 사용된다.

단계성장은 두 개 이상의 단량체가 서로 결합하는 방식으로 진행된다. 이 과정은 각 단계에서 저분자 화합물이 생성되고 고분자의 형성이 점진적으로이루어지게 된다. 단계성장은 상대적으로 느린 반응 속도를 가지며 시간이 지남에 따라 고분자의 분자량이 증가한다. 단계성장은 에폭시 수지, 폴리에스터, 폴리아마이드 등의 생산에 주로 사용된다.

두 메커니즘 모두 고분자 화학에서 중요한 역할을 하며, 각각의 특성에 따라 다양한 응용 분야에서 활용됩니다. 연쇄성장은 빠른 반응 속도로 대량 생산에 유리하다는 장점이 있고 단계성장은 다양한 화합물을 형성할 수 있는 장점이 있다.

과천과학관에서 세포에 관한 내용을 둘러보다가 낫모양 적혈구에 관한 내용을 보게 되었다. 낫 모양 적혈구는 지금 내가 배우는 생명과학 1 내용에서도 낫 모양 적혈구 증후군이라는 유전적 질환으로 소개되는 질환이다. 과천과학관에서도 보게되니 교과내용중 배웠던거라 반갑기도 했고 교과서에서 유전적 질환의 대표적인 사례로 소개되기도 하면서 과천과학관에서도 소개가 되는 만큼 낫 모양 적혈구가 왜 발생하게 되는지, 낫 모양 적혈구로 인해 어떤 증상, 결과가 발생하고 이걸 어떻게 치료할 수 있는지 궁금해지게 되었고, 자세한 이해를 통해 유전적 질환의 이해에 더욱 다가가고 싶었다. 또한 선생님의 수업을 들을때 낫 모양 적혈구를 가진 사람은 정상 적혈구를 가진 사람보다 말라이아에 더 강한 저항성을 지닌다고 했는데 왜 그런지 또한 심화탐구를 통해 알아보고 싶었다.

가. 낫 모양 적혈구의 발생과 그로 인한 증상

낫 모양 적혈구는 적혈구의 헤모글로빈 단백질을 구성하는 분자 중 B사슬의 6번째 아미노산인 글루탐산(GAG)가 발린(GTG)으로 변환되어 헤모글로빈의 변형이 발생하여 이로 인해 전체적인 단백질에 변이가 일어나 적혈구를 구성하는 단백질이 서로 정상적이지 않은 모양으로 엉켜 낫 모양의 적혈구가 만들어진다. 원래의 적혈구는 매우 유연하고 디스크 모양이라 작은 모세혈관을 효과적으로 통과할 수 있지만 낫 모양 적혈구는 덜 유연하며 생긴것 또한 낫 모양으로 생겼기 때문에 산소를 운반하는데에 있어서 장애가 발생할 수 있다. 또한 체내에서 불량혈구로 인식되어 파괴당할수도 있다. 이 때 혈구가 파괴되는 장소인 비장에 혈구가 모여 비정상적으로 부풀어 오르고 결과적으로 만성 빈혈이나 간 기능 저하, 황달, 장기 기능 저하 등 주로 혈액과 관련된 질병을 유발한다.

나. 낫 모양 적혈구의 치료

낫 모양 적혈구 빈혈증은 줄기세포 이식을 통해 완치될 수 있다. 낫 모양 적혈구 빈혈증을 가지고 있지 않은 가족 구성원, 혹은 다른 기증자의 골수나 줄기세포를 낫 모양 적혈구 빈혈증을 가진 사람에게 이식할 경우 완치가 가능하다고 한다. 또한 낫 모양 적혈구 빈혈증은 크리스퍼 유전자 가위 기술을 활용한 유전자 교정 치료제가 허용되었다.

다. 말라리아 저항성

낫 모양 적혈구 빈혈증은 말라리아에 강한 저항성을 지니고 있다. 말라리아의 원충은 적혈구에 침입해 '어드헤신(adhesin)' 이라는 단백질을 만들고, 소포체에 담아 적혈구 표면에 내보낸다. 혈구 표면에 모인 어드헤신은 적혈구 표면을 끈적끈적하게 만들어 혈액 속의 적혈구끼리 서로 달라붙고 엉기게 만든다. 이렇게 해서 말라리아의 전형적 증세인 모세혈관 염증이 나타난다. 이때 원충은 '액틴(actin)'이란 적혈구의 단백질을 활용한다. 반면에 낫 모양의 적혈구에서는 말라리아가 액틴을 활용하지 못해 어드헤신을 적혈구 표면에 보내지 못했다. 독일 하이델베르크대학의 연구팀은 말라리아 원충이 액틴을 찾아내야 하는데 낫 모양 적혈구의 돌연변이 헤모글로빈이 이를 방해하기 때문이라고 밝혔다.

과천과학관은 보통 어린이들이 많이 가는곳이라 생각해서 고등학생이 배울만한 지식이 있을까? 생각했었는데 정말 많은 과학 분야의 지식들이 퀄리티 높게 소개되어있었고, 뿐만 아니라 다양한 체험들을 통해 과학적 지식들을 쉽고 재미있게 이해할 수 있었을 뿐만 아니라 더욱 기억에 남길 수 있었다. 앞서 가졌던 생각을 반성하고 어린이가 가는곳이든 어디든 다 배울 지식들이 있다는 생각을 가질 수 있었으며 과천과학관에서 보았던 낫 모양적혈구에 관한 심화탐구를 진행함으로써 교과 수업을 통해 얻었던 궁금증을 해결할 수 있었던 계기가 되었다. 한편으로는 자료조사를 할때 낫 모양 적혈구가 아프리카에서 특히 많이 보이는 유전질환이라고 했는데 심각한 빈혈을 유발하여 생존율이 줄어드는데도 말라리아가 창궐하는 아프리카에서는 낫 모양 적혈구가 오직 말라리아에 저항성을 가지기 때문에 자연선택되는 것이라면 만약 아프리카의 말라리아를 해결할 경우 낫 모양 적혈구를 가진 사람들도 점차 사라지게 되는건가? 하는 의문점이 생겼다. 낫 모양 적혈구가 열성 유전이기 때문에 부모에게서 각각 낫 모양 적혈구 유전자를 받아야 발현이 되는것이라 했는데 그렇다면 정말 말라리아만 없앨경우 낫 모양 적혈구 발생 환자의 빈도가 적어지는게 아닐까는 생각이 들었다.

출처 :

Marina Cavazzana, 「Sickle cell anemia patient 'cured' by gene therapy, doctors say」, 사이언스온 https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchTrend.do?cn=GTB2017001552

강찬수, 아프리카인 '낫 모양 적혈구' 말라리아에 안 걸리는 비밀, 중앙일보 https://www.joongang.co.kr/article/6648997

이원국, 세계 첫 유전자가위 치료법 ‘카스제비’ 美 FDA 승인…비싼 가격 걸림돌, 헬스경향 https://www.k-health.com/news/articleView.html?idxno=68823

MSD 매뉴얼, 낫 적혈구 병, https://www.msdmanuals.com/ko/home/%ED%98%88%EC%95%A1-%EC%A7%88%ED%99%98/%EB%B9%88%ED%98%88/%EB%82%AB%EC%A0%81%ED%98%88%EA%B5%AC%EB%B3%91

사용하여 지구와 유사한 환경을 만드는 원리에서 화학 작용에 흥미가 생겨 주제로 선정하게 되었다. 여기에서 어떤 원리나 작용을 사용하는지, 방사선이나 태양복사에너지등은 어떠한 방식으로 차단하는지 궁금증이 생겨 알아보는것을 심화탐구주제로 잡았다.

우주식물농장을 만들기위해 방사선이나 태양복사에너지를 차단하는 방식은 특수한 필터나 다층의 투명한 소재를 사용하여 차단하는 투과성 소재 활용이나 태양빛의 일부를 차단하고 인공조명을 사용하여 필요한 파장의 빛만을 제공하는 시스템을 구축하는 스마트 조명 시스템등이 활용되는것을 알수 있었다. 또한 우주의 대기의 온도가 매우 급격히 달라지기에 열 제어 시스템 역시 활용되어야하는 것을 알 수있었다.

현재에는 우주식물농장과 같이 식물의 재배가 이루어지는 곳이 다양한데, 예를 들자면 빌딩을 이용한 재배라던가 인공지능을 이용한 재배 또한 무한히 반복되어서 식물 혼자 재배가 되는 시스템등 다양한 것들이 있었다.

이를 통해 식물은 날이 갈수록 사람의 손길 없이도 자동적으로 재배가 되는 기술이 발전되어짐을 알 수 있었다.

심화탐구를 진행하면서 우주식물농장에 대해 더 궁금해진 점은 우주의 중력을 어떻게 뚫고 식물이 뿌리를 내리고 줄기가 자라고 그러는 과정과 어떻게 재배하는지에 대한 궁금증이 추가로 생겼다.

중력을 다스리는것이 아니라면 어떠한 방식을 이용하는지도 추가로 궁금해졌다.

동아리 체험학습을 하면서 느끼고 배운것들이 여러가지가 있었고 인상깊은것도 많았지만 그 중에 가장 관심이 가고 흥미가 가는 내용을 체험학습을 통해 직접 본 것을 바탕으로 더 알아보고 궁금증을 해결할 수 있어서 좋았다. 현장체험에서 실제로 우주식물농장의 형태를 보았기에 탐구 할때도 많은 도움이 되었으며 실제로 볼때 보라색 빛을 띄는게 무엇일지 몰랐는데 후에 탐구해보니 광을 이용한것임을 알게되었다. 탐구를 진행하면서 느끼고 배운점은 우주식물농장을 더 활성화 된다면 앞으로 우주 연구에 있어서도 지구로부터 식량을 공급 받지 않고도 편리하고 또 경쟁력 있게 탐구와 연구에 몰입할 수 있도록 도움이 된다는 것을 알게되었다.

케블라는 폴리머 사슬이 결합된 고분자 물질로 아라미드 분자의 일종인 파라-아라미드 분자 내에서 일정한 방향으로 배열된 아민 그룹과 벤젠 고리를 포함하고 있어 강한 결합력을 지닌다. 이 특성은 케블라 섬유의 높은 강도와 뛰어난 내열성을 부여한다. 각 분자의 결합력은 섬유가 늘어나거나 찢어질 때 매우 높은 에너지를 흡수할 수 있도록 해준다.이로 인해 케블라는 금속보다 강하지만, 무게는 훨씬 가벼운 특성을 가지고 있어 다양한 방어용 장비에 사용된다. 케블라는 생산 과정에서 상당한 에너지를 소모하며, 합성 섬유이기 때문에 자연 분해가 어려운 특성을 가지고 있다. 이는 장기적으로 환경에 미칠 수 있는 영향을 고려해야한다. 특히 대량 생산 시 발생하는 이산화탄소 배출과 섬유 폐기물의 처리 문제가 주요 환경적 이슈로 떠오른다. 결론적으로 케블라 섬유는 물리적 특성과 내열성으로 다양한 산업에서 중요한 역할을 해왔으며, 환경적 영향을 최소화하는 방향으로의 연구와 새로운 응용 분야 개발을 통해 앞으로도 더욱 넓은 영역에서 사용될 수 있는 가능성을 가졌다.

동아리 체험학습을 통해 그동안 학교에서 이론으로만 배웠던 것들을 직접 눈으로 관찰하고 체험해볼 수 있었어서 뜻깊은 시간이였다. 그리고 학교에서 배우지 않았던 것들, 나의 진로가 아닌 주제들을 접해볼 기회가 없었는데 체험학습을 통해 알게 되어 좋았다. 심화탐구를 통해 케블라 섬유가 다양한 분야에서 중요한 역할을 하는 만큼, 그 특성이 어떻게 적용되고 있는지에 대해 더 깊이 이해할 수 있었다. 환경적 측면에서의 재활용 문제도 중요하다는 점을 알게 되어, 기술 발전이 환경적인 책임과 함께 이루어져야 한다는 생각을 하게 되었다.케블라가다른 산업 분야에서도 활용될 가능성을 보며, 앞으로 이 섬유가 어떻게 더 넓은 영역에서 활용될 수 있을지에 대해 흥미롭게 생각했다.

이 장치는 우리의 귀가 진동을 통해 듣는 다는 것에서 시작된다. 우리의 귀는 귓바퀴에 모인 음파가 외이도로 이동하면서 고막을 진동시키면 이 진동은 가운뎃귀의 청소골에서 진동이 증폭되어 속귀의 달팽이관의 난원창에 전해지고 난원창의 진동이 림프액에 전달되어 청세포를 흥분시키고 그리하여 청세포의 흥분이 청신경에 의해 대뇌에 전달되어 소리가 들리는 것이다. 근데 이런 진동의 전파는 우리의 신체를 통해서도 된다. 그래서 자신이 봤던 장치가 노래를 들을 수 있었던 것이다.

노래의 진동이 흘러나오는 작은 스피커에 팔꿈치를 가져다대면 노래의 진동이 팔꿈치를 향한다. 팔꿈치로 향한 진동은 그 팔을 따라서 위로 이동하게 되고 결국 양 귀에 갖다대고 있던 손바닥을 통해 진동이 전달되어 노래 소리가 우리의 귀에 들어오게 된다. 여기서 흥미로운 점은 진동이 우리의 신체를 통해 이동되어 우리의 귀를 자극시켜 노래 소리가 들리게 된다는 점이다. 이러한 점은 과학적으로 진동의 이동 활동이 우리의 신체에 머물게 하여 신체의 끝부분으로 진동이 이동하는 현상을 이용한 것이다. 이러한 활동을 통해 진동의 이동과 소리를 듣게 되는 방법 등을 알 수 있었다. 이를 활용하여 청각적인 이미지를 형상화하는데 도움이 될 수 있었고 이에 대한 사고는 앞으로 켜져가는 청각적 문화작품에서 잘 활동될 것 이다.

돌연변이란, 유전자를 이루는 염기서열의 변화로 유전정보가 변하면서 유전형질이 달라지는 변이 현상이다. 
돌연변이의 원인은 DNA의 염기서열이 복제되는 과정에서 발생하는 오류에 따른 자연적 현상이 있다.
또한 염색체의 구조 일부에 변화가 생겨 돌연변이가 유발될 수 있는데, 삽입, 결실, 중복, 역위, 전좌(비상동염색체 사이의 염색체의 일부가 끊어진 후 염색체가 삽입되는 삽입전좌, 끊어진 후 서로의 염색체를 교환하는 상호전좌)가 그 원인이다. 추가로 방사선, 화학물질 노출 등의 외부요인도 있다.
카이스트 연구원들은 수많은 돌연변이 원인들 중 유전적 돌연변이에 주목하여 세포소기관 미토콘드리아 DNA의 인체 내 모자이시즘 현상을 최초로 규명했다. 연구 방법으로는 우선 31명에게서 정상 조직에서 확보한 총 2,096개의 단일 세포를 분리한 후 정확한 유전체 서열 확보를 위해 단일 세포를 증폭시킨다. 이후 전장유전체를 분석하여 수정을 통해 사람 정상세포에서 미토콘드리아 DNA 돌연변이를 규명하는 것이다. 연구 결과, 세포 사이에서는 평균적으로 3개의 유의미한 미토콘드리아 DNA 차이가 존재했으며, 약 6%의 차이는 모계로부터 이형 상태로 전달됨이 확인됐다. 또한 암 발생 과정에서 돌연변이 수가 유의미하게 증가했으며, 이들 변이 중 일부는 미토콘드리아 RNA 불안정성에 기여한다는 사실도 확인했다. 더 나아가 연구원들은 이를 바탕으로 인간의 배아 발생단계부터 노화 및 발암 과정에서의 미토콘드리아 발생 및 진화 과정을 이해하고 구체화하는 모델을 구축하기도 하였다.

변이 바이러스 또한 비슷한 유전적 요인에 의해 발생하곤 한다. 유전 물질로 DNA가 아닌 RNA를 가지고 있는, 즉 코로나 바이러스와 같은 RNA 바이러스가 복제할 때에 RNA가 DNA로 변경되는 과정인 역전사를 추가적으로 거쳐야 한다. 이때 이 과정에서 염기서열의 변화가 자주 발생하기에 DNA 바이러스 보다 매우 높은 빈도로 변이 바이러스가 생성되곤 한다. RNA 바이러스에는 추가로 인플루엔자 바이러스, 인체 면역결핍 바이러스(HIV), 에볼라 바이러스, 노로바이러스 등이 있으며 특히 5세 이하의 영유아와 어린이들에 흔히 발병하는 로타 바이러스가 있다.
이와 같은 돌연변이 바이러스를 예측하기 위한 기술로는 대표적으로 중국, 호주 등 공동연구팀이 개발한 단백질 구조 분석 및 예측 AI 모델인 루카프롯이 있다. 루카프롯을 이용하여 연구진들은 16만 개 이상의 RNA 바이러스를  찾았다고 국제 학술지 '셀'에 발표하였다. RNA 바이러스를 식별하려면 바이러스 유전체에서 RDRP, 즉 RNA 의존성 RNA 중합 효소(RNA 바이러스의 게놈에 암호화된 필수 단백질)가 인코딩되는 부위를 분석하고 바이러스 구조를 예측하며 찾는다.
미국 Fred Hutchinson 암 연구소에서는 2021년 9월, 심층 돌연변이 스캐닝(DMS) 첨단 기술을 활용하여 연구를 진행하였다. 우선 코로나 바이러스의 단백질에 다양한 변이를 일으킨 후 그 유해 효과를 관찰하고, 효모 세포에 유전자 조작을 가하여 인체 세포 표면에 존재하는 ACE2라는 수용체 영역과 결합하는 단백질을 생산하여 효모를 배양하는 과정에서 변이가 발생하도록 하였다. 이 과정을 통해 수용체와 잘 결합하는 단백질을 확인하여 변이 유전자를 역추적하는 방식으로 연구를 진행하였는데, 실제로 몇 달 후 발생한 알파 변이 코로나 바이러스에서 동일한 형태의 돌연변이가 발견된 사례가 있었다. 이러한 기술을 통해 얻은 정보는 새로운 백신 개발을 준비하는 데 큰 도움이 되었다.

이러한 방식들로 변이 바이러스의 형태 및 특징을 분석하여 실제로도 백신 개발 준비 등과 같이 질병 발생에 대비하여 방안을 세우는 데 도움을 주었던 사례들을 직접 조사하면서 AI가 우리 삶에 깊이 연관되어 있으며, 앞으로는 그 범위가 더욱 넓고 깊어질 것이라는 사실을 깨닫게 되었고, AI와 다른 여러 가지 분야와 상호작용하며 정보를 공유하면서 과학의 발전과 삶의 질을 높이는 데 큰 기여를 하고 있다는 사실 또한 더욱 자세히 알게 되었다.
또, 과천과학관을 돌아다니며 진로가 비슷한 친구들과 모여 관심 분야의 설명을 함께 보고 이해하는 과정이 가장 기억에 남았고, 여러 가지 체험을 하면서 기존에 알고 있던, 혹은 알지 못했던 분야까지 보다 쉽게 이해하며 다양한 전시물을 관람하는 과정이 재밌고 흥미로웠다. 동아리 친구들과 짧았지만 함께 모여 여러 추억을 쌓을 수 있어서 더욱 뜻깊은 시간이었다.

우주에 중력이 없는데 어떻게 식물을 재배할 수 있는 걸까 식물의 뿌리와 줄기는 어떻게 성장하는 걸까 의문이 들어 선택했다

우주식물농장은 우주 환경에서 식물의 성장과 생명 유지 가능성을 연구하는 공간이다. 이 농장은 우주에서의 식물 재배 기술을 개발하고, 우주 탐사에 필요한 식량 자원을 확보하기 위한 실험을 진행하고 있다.

우주에서의 중력, 온도, 습도 등을 모사하여 식물이 어떻게 자라는지 관찰한다. 다양한 식물 종을 재배하여 생리학적 반응을 연구하고, 우주에서의 생명 유지 가능성을 탐구한다.

이 농장은 우주 탐사의 미래와 인류의 지속 가능한 생존 가능성을 탐구하는 중요한 공간이다.

지구에서는 중력이 뿌리를 아래로, 줄기를 위로 성장하게 하지만, 무중력 상태에서는 이러한 방향성이 약해져 식물의 생장 패턴이 달라질 수 있다. 식물은 주로 중력에 반응하여 성장 방향을 결정하는데, 무중력에서는 이 반응이 제한적이어서 뿌리와 줄기가 어떻게 자랄지가 불확실하다.

무중력에서는 물이 기포 형태로 변해 뿌리에게 적절한 수분과 통기를 제공하기 어렵다. NASA의 연구에 따르면, 이러한 문제를 해결하기 위해 '마이크로 중력 관수 시스템'이 개발되고 있다. 이 시스템은 식물의 뿌리에 정확한 양의 물과 영양분을 공급하도록 설계되었다.

ISS에서 Zinnia 꽃을 성공적으로 재배한 사례가 있다.이 실험은 무중력 환경에서도 식물이 복잡한 생명 주기를 관리할 수 있음을 보여주었고, 심리적으로도 큰 의미가 있었다.

이러한 연구들은 우주 탐사뿐만 아니라 지구의 극한 환경에서도 식물 재배 기술을 발전시키는 데 기여할 수 있다. 중력의 영향을 이해함으로써, 우리는 새로운 농업 기술을 개발하고 지속 가능한 식량 생산 모델을 구축할 수 있는 가능성을 열어준다.

국립과천과학관의 우주식물농장에서 시작해서, 무중력 환경에서의 식물 재배 방법, 그리고 중력이 식물 성장에 미치는 영향까지 깊이 있게 탐구했다. 특히 중력이 광합성 속도에는 직접적인 영향을 주지 않지만, 뿌리 발달과 영양분 흡수에는 영향을 준다는 점이 인상적이었다.