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  • 생각만으로 기계를 조종할 수 있는 기술, BCI

    아마 많은 분들이 리모컨을 잃어버려 더운 여름을 에어컨 없이 버텨야만 했던 경험을 겪어본 적이 있을 것입니다. 에어컨을 켜고자 하는 명령을 대신 전달해주는 리모컨이 없으면 우리는 에어컨을 사용할 수 없기 때문입니다. 이러한 상황이 닥쳤을 때 누구나 한 번쯤 ‘생각만으로 기계를 조종할 수 있다면 얼마나 좋았을까?’라는 생각을 가져보게 됩니다. 그동안 우리는 전자기기를 이용할 때 키보드나 마우스, 리모컨 등 신호를 전달할 수 있는 특정 장치를 이용해야만 기기를 조정할 수 있었습니다. 물론 과학기술의 발전으로 인해 리모컨과 같은 개별적인 장치가 없어도 전자기기에 존재하는 터치패드를 이용하여 기기를 조종할 수 있게 되었고, 이 단계에서 더 나아가 제자리에서 손을 흔드는 것만으로도 명령을 전달할 수 있는 모션인식 기술이 개발되며 기계장치의 이용은 전보다 훨씬 간편 해지게 되었습니다. 그러나 앞에서 설명한 다양한 방법들보다 훨씬 간단히 기계를 조종할 수 있는 기술이 있습니다. 바로 생각을 직접 기계에게 전달해주는 기술, 뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface, BCI)입니다. BCI란 무엇일까 BCI란 뇌-컴퓨터 인터페이스라는 이름 그대로 뇌와 컴퓨터를 연결하여 생각하는 것 만으로 기계를 직접 조작할 수 있도록 하는 인터페이스를 말합니다. 기존에는 기계를 조종하기 위해 뇌에서 먼저 기계로 무엇을 할지를 생각한 후(ex. 에어컨을 켠다) 우리 몸의 각 부분에 명령을 내려 특정한 행동을 입력 장치에 함으로서(ex. 손으로 리모컨의 전원 버튼을 누른다) 기계가 받아들일 수 있는 신호를 보내어 기계를 조종하였습니다. 그러나 BCI는 뇌와 컴퓨터를 바로 연결하여 앞에서 설명한 과정 중 ‘행동’을 없앰으로써 훨씬 효율적이고 빠르게 기계에 명령을 보내는 것이 가능해지도록 하였습니다. 기본적으로 BCI는 뇌에서 만들어진 신호를 받아들이는 신호 측정 과정과 이 신호를 기계가 이해할 수 있는 전기적 신호로 바꾸는 신호 변환 과정, 변환 및 분석한 신호를 장치에 전달하여 명령을 내리는 최종 출력 과정의 세 가지 단계로 이루어집니다. 첫 번째 단계인 신호 측정 과정에서는 BCI의 종류에 따라 다양한 방법을 통해 뇌에서 만들어진 신호를 감지하여 뇌가 내린 명령을 받아들입니다. 이 단계에서 대상자의 뇌의 신호를 측정하기 전에 측정할 데이터의 기준 등을 미리 정해놓는 것이 중요하며, 뇌의 신호가 측정될 때 필요한 신호만 온전히 측정될 수 있도록 대상자의 급격한 변화나 돌발적 행동이 일어나는 것을 막아야 합니다. 이렇게 측정된 데이터는 신호 변환 과정으로 넘어가게 됩니다. 신호 변환 과정에서는 단순히 측정된 신호를 전기적 신호로 바꾸는 것이 아니라 신호를 더욱 알아보기 쉽도록 다듬고, 어떤 신호인지 분류해냅니다. 먼저 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 AD 컨버터를 통해 측정한 신호를 디지털 신호로 전환하여 연결된 컴퓨터에 입력합니다. 이렇게 컴퓨터에 입력된 데이터는 함께 섞여있는 잡다한 신호를 제거하고, 필요한 신호만 증폭하여 중요한 신호를 명확히 구분해내는 과정을 거칩니다. 이후 알고리즘을 통해 측정한 데이터가 어떠한 명령을 의미하는지 분석합니다. 기존에 가지고 있는 다양한 데이터를 바탕으로 새롭게 측정된 데이터가 어느 데이터와 비슷한지, 어떤 데이터들의 모임에 속하는지를 통해 해당 데이터가 가진 명령의 의미를 파악하는 방식이 주로 이용됩니다. 마지막 단계인 최종 출력 과정에서는 뇌의 신호로부터 파악한 명령을 바탕으로 기계를 제어하는 신호를 대상자가 조종하고자 했던 장치로 보냅니다. 이 제어 신호를 받아들인 기계는 대상자가 내린 명령을 수행하며 BCI 과정이 끝나게 됩니다. 전체 과정을 간단하게 요약하자면 뇌의 신호를 읽어내어 전기적인 신호로 바꾸고 이 신호를 움직이고자 했던 기계로 보내는 것이 전부입니다. 이 모든 과정이 컴퓨터를 통해 매우 빠르게 처리되어 간편하고 효율적인 기계 조종이 가능해지는 것입니다. 다양한 BCI의 종류 BCI의 종류는 뇌의 신호를 받아들이는 방법에 따라 크게 침습형과 비침습형의 두 가지로 나뉘게 됩니다. 먼저 침습형 BCI는 신호를 감지하는 장치를 직접 뇌 안에 삽입하는 방식의 BCI를 의미합니다. 이러한 BCI는 신호 감지 장치가 뇌와 맞닿아 있어 뇌세포로부터 발생한 신호를 직접 읽을 수 있기 때문에 약한 신호의 감지도 가능하며 더욱 정확히 신호를 감지할 수 있다는 장점을 가지고 있습니다. 또한 다른 BCI의 경우 뇌에서 만들어지는 다양한 신호들 중 뇌파만을 읽어낼 수 있지만 침습형 BCI를 통해서는 뇌세포에서 발생한 신경 신호 등 뇌파 이외의 신호 또한 읽어낼 수 있습니다. 이처럼 침습형 BCI는 다양한 장점을 가지고 있으나 장치를 뇌 안에 넣어야 하기 때문에 생기는 단점들도 존재합니다. 집어넣은 장치와 맞닿은 부분이 손상을 입을 수 있고, 이로 인한 부작용이 발생할 수도 있습니다. 또한 장치를 뇌에 삽입한다는 것 자체가 사람들에게 공포감과 두려움을 주기 때문에 널리 실용화되기 어렵습니다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 침습형 BCI 중 장치를 부분적으로 삽입하는 새로운 방식의 BCI가 연구되고 있습니다. 부분 삽입 BCI의 경우 두개골 내부에 임플란트를 통해 장치를 삽입하지만 뇌의 신경 세포가 존재하는 회백질 부분은 건드리지 않도록 장치를 넣습니다. 이렇게 삽입된 BCI는 뇌파 전위를 기록하여 해석하는 방식인 EEG를 통해 뇌파를 읽어냅니다. 신호 감지 장치가 뇌세포와 직접 맞닿아있는 것은 아니기 때문에 신경 신호까지 감지하는 일반 침습형 BCI와는 달리 뇌파 측정만이 가능하지만 측정 과정에서 두개골의 방해를 받지 않기 때문에 비삽입형보다 훨씬 정확한 뇌파 측정이 가능합니다. 또한 일반 침습형 BCI에 비해 뇌 손상 문제가 발생할 확률이 적기 때문에 부분 삽입형 BCI는 비침습형 BCI보다는 정확하며 침습형 BCI보다는 안전한 기술로 각광받고 있습니다. 비침습형 BCI는 신호를 감지하는 장치를 뇌에 넣지 않고도 신호를 측정하는 방식의 BCI입니다. 신호 감지 장치를 삽입하지 않고서 뇌의 신호를 측정하는 방법은 여러가지가 있지만 가장 널리 사용되는 방법이 뇌파를 읽는 것입니다. 이 방법에서는 부분 삽입형 BCI와 마찬가지로 EEG를 이용하여 뇌파를 측정하며, 신호를 감지하는 EEG 단자를 두피에 붙여 뇌파를 읽어냅니다. 뇌파는 연구가 많이 진행되어 측정한 데이터를 분석하기가 훨씬 용이하고, 측정 방법에 드는 비용이 비교적 적어 가장 많이 이용되고 있습니다. 이외에도 뇌의 자기장을 읽는 fMRI를 이용한 방법, 뇌의 신경 세포가 흡수할 수 있는 미약한 주파수인 ELF, SLF, ULF파를 이용하는 방법 등 다른 여러 신호 측정 방법들이 연구 중에 있습니다. 다만 fMRI는 장치의 크기 및 무게를 줄이기가 어렵고 가격이 훨씬 비싸며 초전도체가 이용되기 때문에 매우 낮은 저온을 필요로한다는 단점을 가지고 있어 뇌파를 제외한 나머지 방법들은 널리 실용화되기엔 조금 어려움이 있습니다. 비침습형 BCI는 뇌에 가해질 위험성이 적고 부담감과 공포심이 침습형 BCI에 비해 훨씬 적기 때문에 접근성이 훨씬 좋다는 매우 큰 장점이 있습니다. 물론 이러한 방식의 BCI는 칩습형 BCI보다 측정한 뇌파의 정밀도가 떨어진다는 단점이 있지만, 그럼에도 사람들이 받아들이기 비교적 쉬운 비침습형 BCI가 가장 먼저 일상생활에 적용될 것이라 보고 있습니다. 우리 생활 속의 BCI 이러한 BCI 기술은 이미 연구 단계를 넘어서 사람들의 생활 속 일부분에 직접 사용될 정도로 상용화 되었습니다. BCI 기술이 이미 적용되어 실제로 사용되고 있는 기기 중 하나가 바로 워드 프로세서, 전자 타자기입니다. BCI을 이용하여 글자를 입력하는 방법은 어떤 방식의 신호를 이용하는지, 글자를 입력하는 자판의 배열이 어떤지, 신호와 글자를 어떻게 매칭시키는지 등에 따라 매우 다양한 방법이 존재합니다. 가장 널리 이용되는 방법은 열과 행으로 이루어진 형태의 자판을 화면을 통해 보며 시각적인 깜빡임을 이용해 신호를 주는 방식입니다. 타자 분야에서의 BCI 기술 이용은 무려 1999년부터 시작되었으며 이 때 진행된 실험에서는 운동 신경이 파괴되어 몸을 움직일 수 없게 되는 루게릭병 환자가 1분에 0.5글자의 속도로 메시지를 작성하는데 성공하였습니다. 이후 많은 연구와 기술 개발이 진행된 결과 최근에는 g.tek사에서 1분에 5~10글자를 작성할 수 있는 워드 프로세서(그림 3)를 만들어냈으며, 가장 빠른 속도의 워드 프로세서는 1분에 17글자를 작성할 수 있다고 합니다. 이외에도 BCI 기술은 사고로 인해 팔, 다리를 잃어버리거나 장애를 가지고 태어난 사람들의 신체 기능을 대체하는데 이용되기도 합니다. BCI가 뇌의 명령을 직접 컴퓨터에 전달해주는 역할을 한다는 점을 이용하여 인공적으로 만든 신체 부위를 뇌와 직접 연결하여 조종함으로써 장애 극복 및 재활 치료 등을 진행하는 것입니다. Pittsburgh 대학에서 진행된 한 연구에서는 원숭이를 이용하여 BCI 실험을 진행한 결과 원숭이가 생각만으로 로봇 팔을 조종하여 먹이를 먹는데 성공하며 BCI를 이용한 인공 신체 부위 조종이 가능하다는 것을 보여주었습니다. 그림 4에서 볼 수 있듯이 완전히 신체가 남아있지 않은 경우 해당 신체를 대체할 수 있는 인공적 장치를 만들어 몸에 삽입한 후 이 장치를 BCI를 통해 뇌와 연결함으로서 마치 실제 사람의 몸처럼 움직일 수 있도록 하는 기술이 개발되었습니다. BCI의 미래 BCI 기술은 이 글에서 첫 번째로 소개했던 목적인 기계의 용이한 컨트롤을 이미 달성하였습니다. 또한 앞에서 설명한 BCI의 상용화 예시들을 통해 알 수 있듯이 BCI는 단순히 기계 조종을 간편하고 효율적으로 바꾸는 것에서 나아가 의료, 정보 입출력 등 더욱 다양한 분야에 폭넓게 이용될 수 있다는 가능성을 보여주었습니다. 앞으로의 BCI는 적용 가능한 분야가 더욱 넓어질 것입니다. 앞에서 이야기한 분야 외에도 VR, AR 등을 이용한 가상현실에 BCI를 접목시켜 실제로 눈앞의 세상에 들어와있는 것만 같은 생생함을 극대화시킬 수 있을 것입니다. 또한 현재의 BCI 기술이 가진 주된 기능인 뇌의 신호를 기계 장치로 전달하여 기계를 작동시키는 능력을 반대로 응용하여 컴퓨터를 통해 뇌에 자극을 가하는 것이 가능해질 경우 BCI 기술의 가능성은 무궁무진하게 커질 것이라 생각합니다. 이러한 BCI 기술의 응용을 엔터테인먼트 분야에 적용시킨다면 게임 속 플레이어의 감각, 영화 속 주인공의 감각 등을 뇌로 전달하여 직접 느낄 수 있도록 하는 것이 가능해질 것입니다. 또한 의료 분야에서는 이 응용 기술을 통해 신체 부위의 대체가 동작뿐만이 아닌 감각까지 대체할 수 있게 됩니다. 이처럼 BCI 기술은 그 자체만으로도 활용 가능한 분야가 매우 넓으며, 이를 응용할 경우 더욱 우리 생활에 큰 영향을 미칠 수 있을 매우 중요한 신기술이 될 것입니다. BCI 기술의 상용화 예시, 연구 진행 정도 등에 대해 더욱 자세히 알아보고 싶다면 BCI 기술을 바탕으로 한 뇌와 컴퓨터의 연결, 뉴럴링크(neuralink)를 다룬 아래의 동영상을 시청해주시기 바랍니다. 서해린 학생기자│Biology│지식더하기 참고자료 [1] 안민규&전성찬, 2011년, '뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템의 원리 및 기술 동향', 정보과학회지 제29권 제4호, 42-53 pages [2] 2011년, ‘BCI(Brain Computer Interface) 기술동향’, 문화기술(CT) 심층리포트 12호, 한국컨텐츠진흥원 [3] 전황수, 2011년, ‘뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술 및 개발 동향’, 전자통신동향분석 제26권 제 5호 123-133 pages [4] 조호현&전성찬, 2012년, ‘뇌전도 기반 뇌-컴퓨터 인터페이스 기술’, 한국통신학회지 v.29 no.7, 47-55 pages 첨부 이미지 출처 [1] 2011년, ‘BCI(Brain Computer Interface) 기술동향’, 문화기술(CT) 심층리포트 12호, 한국컨텐츠진흥원 [2] 네이버 블로그 https://m.blog.naver.com [3,4] 안민규&전성찬, 2011년, '뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템의 원리 및 기술 동향', 정보과학회지 제29권 제4호, 42-53 pages 첨부 동영상 출처 [1] https://www.youtube.com/watch?v=LuwMvSWQmIE ⓒ KAIST부설 한국과학영재학교 온라인 과학매거진 KOSMOS

  • 생각만으로 기계를 조종할 수 있는 기술, BCI

    아마 많은 분들이 리모컨을 잃어버려 더운 여름을 에어컨 없이 버텨야만 했던 경험을 겪어본 적이 있을 것입니다. 에어컨을 켜고자 하는 명령을 대신 전달해주는 리모컨이 없으면 우리는 에어컨을 사용할 수 없기 때문입니다. 이러한 상황이 닥쳤을 때 누구나 한 번쯤 ‘생각만으로 기계를 조종할 수 있다면 얼마나 좋았을까?’라는 생각을 가져보게 됩니다. 그동안 우리는 전자기기를 이용할 때 키보드나 마우스, 리모컨 등 신호를 전달할 수 있는 특정 장치를 이용해야만 기기를 조정할 수 있었습니다. 물론 과학기술의 발전으로 인해 리모컨과 같은 개별적인 장치가 없어도 전자기기에 존재하는 터치패드를 이용하여 기기를 조종할 수 있게 되었고, 이 단계에서 더 나아가 제자리에서 손을 흔드는 것만으로도 명령을 전달할 수 있는 모션인식 기술이 개발되며 기계장치의 이용은 전보다 훨씬 간편 해지게 되었습니다. 그러나 앞에서 설명한 다양한 방법들보다 훨씬 간단히 기계를 조종할 수 있는 기술이 있습니다. 바로 생각을 직접 기계에게 전달해주는 기술, 뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface, BCI)입니다. BCI란 무엇일까 BCI란 뇌-컴퓨터 인터페이스라는 이름 그대로 뇌와 컴퓨터를 연결하여 생각하는 것 만으로 기계를 직접 조작할 수 있도록 하는 인터페이스를 말합니다. 기존에는 기계를 조종하기 위해 뇌에서 먼저 기계로 무엇을 할지를 생각한 후(ex. 에어컨을 켠다) 우리 몸의 각 부분에 명령을 내려 특정한 행동을 입력 장치에 함으로서(ex. 손으로 리모컨의 전원 버튼을 누른다) 기계가 받아들일 수 있는 신호를 보내어 기계를 조종하였습니다. 그러나 BCI는 뇌와 컴퓨터를 바로 연결하여 앞에서 설명한 과정 중 ‘행동’을 없앰으로써 훨씬 효율적이고 빠르게 기계에 명령을 보내는 것이 가능해지도록 하였습니다. 기본적으로 BCI는 뇌에서 만들어진 신호를 받아들이는 신호 측정 과정과 이 신호를 기계가 이해할 수 있는 전기적 신호로 바꾸는 신호 변환 과정, 변환 및 분석한 신호를 장치에 전달하여 명령을 내리는 최종 출력 과정의 세 가지 단계로 이루어집니다. 첫 번째 단계인 신호 측정 과정에서는 BCI의 종류에 따라 다양한 방법을 통해 뇌에서 만들어진 신호를 감지하여 뇌가 내린 명령을 받아들입니다. 이 단계에서 대상자의 뇌의 신호를 측정하기 전에 측정할 데이터의 기준 등을 미리 정해놓는 것이 중요하며, 뇌의 신호가 측정될 때 필요한 신호만 온전히 측정될 수 있도록 대상자의 급격한 변화나 돌발적 행동이 일어나는 것을 막아야 합니다. 이렇게 측정된 데이터는 신호 변환 과정으로 넘어가게 됩니다. 신호 변환 과정에서는 단순히 측정된 신호를 전기적 신호로 바꾸는 것이 아니라 신호를 더욱 알아보기 쉽도록 다듬고, 어떤 신호인지 분류해냅니다. 먼저 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 AD 컨버터를 통해 측정한 신호를 디지털 신호로 전환하여 연결된 컴퓨터에 입력합니다. 이렇게 컴퓨터에 입력된 데이터는 함께 섞여있는 잡다한 신호를 제거하고, 필요한 신호만 증폭하여 중요한 신호를 명확히 구분해내는 과정을 거칩니다. 이후 알고리즘을 통해 측정한 데이터가 어떠한 명령을 의미하는지 분석합니다. 기존에 가지고 있는 다양한 데이터를 바탕으로 새롭게 측정된 데이터가 어느 데이터와 비슷한지, 어떤 데이터들의 모임에 속하는지를 통해 해당 데이터가 가진 명령의 의미를 파악하는 방식이 주로 이용됩니다. 마지막 단계인 최종 출력 과정에서는 뇌의 신호로부터 파악한 명령을 바탕으로 기계를 제어하는 신호를 대상자가 조종하고자 했던 장치로 보냅니다. 이 제어 신호를 받아들인 기계는 대상자가 내린 명령을 수행하며 BCI 과정이 끝나게 됩니다. 전체 과정을 간단하게 요약하자면 뇌의 신호를 읽어내어 전기적인 신호로 바꾸고 이 신호를 움직이고자 했던 기계로 보내는 것이 전부입니다. 이 모든 과정이 컴퓨터를 통해 매우 빠르게 처리되어 간편하고 효율적인 기계 조종이 가능해지는 것입니다. 다양한 BCI의 종류 BCI의 종류는 뇌의 신호를 받아들이는 방법에 따라 크게 침습형과 비침습형의 두 가지로 나뉘게 됩니다. 먼저 침습형 BCI는 신호를 감지하는 장치를 직접 뇌 안에 삽입하는 방식의 BCI를 의미합니다. 이러한 BCI는 신호 감지 장치가 뇌와 맞닿아 있어 뇌세포로부터 발생한 신호를 직접 읽을 수 있기 때문에 약한 신호의 감지도 가능하며 더욱 정확히 신호를 감지할 수 있다는 장점을 가지고 있습니다. 또한 다른 BCI의 경우 뇌에서 만들어지는 다양한 신호들 중 뇌파만을 읽어낼 수 있지만 침습형 BCI를 통해서는 뇌세포에서 발생한 신경 신호 등 뇌파 이외의 신호 또한 읽어낼 수 있습니다. 이처럼 침습형 BCI는 다양한 장점을 가지고 있으나 장치를 뇌 안에 넣어야 하기 때문에 생기는 단점들도 존재합니다. 집어넣은 장치와 맞닿은 부분이 손상을 입을 수 있고, 이로 인한 부작용이 발생할 수도 있습니다. 또한 장치를 뇌에 삽입한다는 것 자체가 사람들에게 공포감과 두려움을 주기 때문에 널리 실용화되기 어렵습니다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 침습형 BCI 중 장치를 부분적으로 삽입하는 새로운 방식의 BCI가 연구되고 있습니다. 부분 삽입 BCI의 경우 두개골 내부에 임플란트를 통해 장치를 삽입하지만 뇌의 신경 세포가 존재하는 회백질 부분은 건드리지 않도록 장치를 넣습니다. 이렇게 삽입된 BCI는 뇌파 전위를 기록하여 해석하는 방식인 EEG를 통해 뇌파를 읽어냅니다. 신호 감지 장치가 뇌세포와 직접 맞닿아있는 것은 아니기 때문에 신경 신호까지 감지하는 일반 침습형 BCI와는 달리 뇌파 측정만이 가능하지만 측정 과정에서 두개골의 방해를 받지 않기 때문에 비삽입형보다 훨씬 정확한 뇌파 측정이 가능합니다. 또한 일반 침습형 BCI에 비해 뇌 손상 문제가 발생할 확률이 적기 때문에 부분 삽입형 BCI는 비침습형 BCI보다는 정확하며 침습형 BCI보다는 안전한 기술로 각광받고 있습니다. 비침습형 BCI는 신호를 감지하는 장치를 뇌에 넣지 않고도 신호를 측정하는 방식의 BCI입니다. 신호 감지 장치를 삽입하지 않고서 뇌의 신호를 측정하는 방법은 여러가지가 있지만 가장 널리 사용되는 방법이 뇌파를 읽는 것입니다. 이 방법에서는 부분 삽입형 BCI와 마찬가지로 EEG를 이용하여 뇌파를 측정하며, 신호를 감지하는 EEG 단자를 두피에 붙여 뇌파를 읽어냅니다. 뇌파는 연구가 많이 진행되어 측정한 데이터를 분석하기가 훨씬 용이하고, 측정 방법에 드는 비용이 비교적 적어 가장 많이 이용되고 있습니다. 이외에도 뇌의 자기장을 읽는 fMRI를 이용한 방법, 뇌의 신경 세포가 흡수할 수 있는 미약한 주파수인 ELF, SLF, ULF파를 이용하는 방법 등 다른 여러 신호 측정 방법들이 연구 중에 있습니다. 다만 fMRI는 장치의 크기 및 무게를 줄이기가 어렵고 가격이 훨씬 비싸며 초전도체가 이용되기 때문에 매우 낮은 저온을 필요로한다는 단점을 가지고 있어 뇌파를 제외한 나머지 방법들은 널리 실용화되기엔 조금 어려움이 있습니다. 비침습형 BCI는 뇌에 가해질 위험성이 적고 부담감과 공포심이 침습형 BCI에 비해 훨씬 적기 때문에 접근성이 훨씬 좋다는 매우 큰 장점이 있습니다. 물론 이러한 방식의 BCI는 칩습형 BCI보다 측정한 뇌파의 정밀도가 떨어진다는 단점이 있지만, 그럼에도 사람들이 받아들이기 비교적 쉬운 비침습형 BCI가 가장 먼저 일상생활에 적용될 것이라 보고 있습니다. 우리 생활 속의 BCI 이러한 BCI 기술은 이미 연구 단계를 넘어서 사람들의 생활 속 일부분에 직접 사용될 정도로 상용화 되었습니다. BCI 기술이 이미 적용되어 실제로 사용되고 있는 기기 중 하나가 바로 워드 프로세서, 전자 타자기입니다. BCI을 이용하여 글자를 입력하는 방법은 어떤 방식의 신호를 이용하는지, 글자를 입력하는 자판의 배열이 어떤지, 신호와 글자를 어떻게 매칭시키는지 등에 따라 매우 다양한 방법이 존재합니다. 가장 널리 이용되는 방법은 열과 행으로 이루어진 형태의 자판을 화면을 통해 보며 시각적인 깜빡임을 이용해 신호를 주는 방식입니다. 타자 분야에서의 BCI 기술 이용은 무려 1999년부터 시작되었으며 이 때 진행된 실험에서는 운동 신경이 파괴되어 몸을 움직일 수 없게 되는 루게릭병 환자가 1분에 0.5글자의 속도로 메시지를 작성하는데 성공하였습니다. 이후 많은 연구와 기술 개발이 진행된 결과 최근에는 g.tek사에서 1분에 5~10글자를 작성할 수 있는 워드 프로세서(그림 3)를 만들어냈으며, 가장 빠른 속도의 워드 프로세서는 1분에 17글자를 작성할 수 있다고 합니다. 이외에도 BCI 기술은 사고로 인해 팔, 다리를 잃어버리거나 장애를 가지고 태어난 사람들의 신체 기능을 대체하는데 이용되기도 합니다. BCI가 뇌의 명령을 직접 컴퓨터에 전달해주는 역할을 한다는 점을 이용하여 인공적으로 만든 신체 부위를 뇌와 직접 연결하여 조종함으로써 장애 극복 및 재활 치료 등을 진행하는 것입니다. Pittsburgh 대학에서 진행된 한 연구에서는 원숭이를 이용하여 BCI 실험을 진행한 결과 원숭이가 생각만으로 로봇 팔을 조종하여 먹이를 먹는데 성공하며 BCI를 이용한 인공 신체 부위 조종이 가능하다는 것을 보여주었습니다. 그림 4에서 볼 수 있듯이 완전히 신체가 남아있지 않은 경우 해당 신체를 대체할 수 있는 인공적 장치를 만들어 몸에 삽입한 후 이 장치를 BCI를 통해 뇌와 연결함으로서 마치 실제 사람의 몸처럼 움직일 수 있도록 하는 기술이 개발되었습니다. BCI의 미래 BCI 기술은 이 글에서 첫 번째로 소개했던 목적인 기계의 용이한 컨트롤을 이미 달성하였습니다. 또한 앞에서 설명한 BCI의 상용화 예시들을 통해 알 수 있듯이 BCI는 단순히 기계 조종을 간편하고 효율적으로 바꾸는 것에서 나아가 의료, 정보 입출력 등 더욱 다양한 분야에 폭넓게 이용될 수 있다는 가능성을 보여주었습니다. 앞으로의 BCI는 적용 가능한 분야가 더욱 넓어질 것입니다. 앞에서 이야기한 분야 외에도 VR, AR 등을 이용한 가상현실에 BCI를 접목시켜 실제로 눈앞의 세상에 들어와있는 것만 같은 생생함을 극대화시킬 수 있을 것입니다. 또한 현재의 BCI 기술이 가진 주된 기능인 뇌의 신호를 기계 장치로 전달하여 기계를 작동시키는 능력을 반대로 응용하여 컴퓨터를 통해 뇌에 자극을 가하는 것이 가능해질 경우 BCI 기술의 가능성은 무궁무진하게 커질 것이라 생각합니다. 이러한 BCI 기술의 응용을 엔터테인먼트 분야에 적용시킨다면 게임 속 플레이어의 감각, 영화 속 주인공의 감각 등을 뇌로 전달하여 직접 느낄 수 있도록 하는 것이 가능해질 것입니다. 또한 의료 분야에서는 이 응용 기술을 통해 신체 부위의 대체가 동작뿐만이 아닌 감각까지 대체할 수 있게 됩니다. 이처럼 BCI 기술은 그 자체만으로도 활용 가능한 분야가 매우 넓으며, 이를 응용할 경우 더욱 우리 생활에 큰 영향을 미칠 수 있을 매우 중요한 신기술이 될 것입니다. BCI 기술의 상용화 예시, 연구 진행 정도 등에 대해 더욱 자세히 알아보고 싶다면 BCI 기술을 바탕으로 한 뇌와 컴퓨터의 연결, 뉴럴링크(neuralink)를 다룬 아래의 동영상을 시청해주시기 바랍니다. 서해린 학생기자│Biology│지식더하기 참고자료 [1] 안민규&전성찬, 2011년, '뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템의 원리 및 기술 동향', 정보과학회지 제29권 제4호, 42-53 pages [2] 2011년, ‘BCI(Brain Computer Interface) 기술동향’, 문화기술(CT) 심층리포트 12호, 한국컨텐츠진흥원 [3] 전황수, 2011년, ‘뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술 및 개발 동향’, 전자통신동향분석 제26권 제 5호 123-133 pages [4] 조호현&전성찬, 2012년, ‘뇌전도 기반 뇌-컴퓨터 인터페이스 기술’, 한국통신학회지 v.29 no.7, 47-55 pages 첨부 이미지 출처 [1] 2011년, ‘BCI(Brain Computer Interface) 기술동향’, 문화기술(CT) 심층리포트 12호, 한국컨텐츠진흥원 [2] 네이버 블로그 https://m.blog.naver.com [3,4] 안민규&전성찬, 2011년, '뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템의 원리 및 기술 동향', 정보과학회지 제29권 제4호, 42-53 pages 첨부 동영상 출처 [1] https://www.youtube.com/watch?v=LuwMvSWQmIE ⓒ KAIST부설 한국과학영재학교 온라인 과학매거진 KOSMOS

  • 노벨 화학상의 주인공 CRISPR, 너의 정체는?

    유전자 조작은 공상과학 영화에서부터 GMO 식품에 대한 논란, 감자와 토마토를 결합한 ‘포마토’ 등 대부분의 사람들이 한 번쯤은 접했을 법한 주제입니다. 특히 ‘유전자 가위’라고도 불리어 왔고, 이번 노벨 화학상에 선정된 주제인 CRISPR, 즉 크리스퍼는 현대의 유전자 편집 기술로 가장 각광받는 기술이라 해도 과언이 아닙니다. 과연 이 CRISPR-Cas9 시스템은 정확히 무엇이고, 어떻게 두 명의 과학자들에게 노벨상을 안겨주었을까요? CRISPR-Cas9이란? CRISPR(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)는 본래 박테리아가 바이러스에 대항하는 수단 중 하나로, DNA 상의 특정한 염기서열을 뜻합니다. 이 염기서열은 크게 두 가지의 조각들로 이루어져 있습니다. 첫 번째는 CRISPR의 풀네임에서 ‘Palindromic Repeats’가 뜻하는 repetitive sequence(반복되는 서열)입니다. 이 부분은 DNA의 두 가닥 중 어느 가닥을 읽더라도 그 염기서열이 같은, 즉 palindromic하다는 특징을 가집니다. 두 번째는 ‘Interspaced’를 담당하는 spacer DNA입니다. 이 DNA 조각의 정체는 박테리오파지가 박테리아를 감염시킬 때 사용한 염기 20개 정도 길이의 DNA 조각으로, 박테리아는 이 DNA 조각을 이용해 동일한 종류의 박테리오파지에 감염되었을 때 자기 자신을 방어할 수 있게 됩니다. 이 spacer DNA를 전사하게 되면 RNA를 얻을 수 있는데, 이는 박테리오파지의 DNA 서열을 전사해 얻었으므로 상보적이기 때문에 침입한 DNA를 알아볼 수 있는 탐지기 역할을 합니다. 이 RNA 탐지기를 이용할 경찰관이 바로 Cas(CRISPR associated) 단백질입니다. 이 단백질은 CRISPR를 전사해 얻은 RNA를 이용해 박테리오파지가 주입한 DNA 조각을 식별하고 달라붙은 뒤 이를 잘라 냅니다. 이렇게 분해된 파지의 유전물질은 더 이상 복제되거나 기능하지 못하기 때문에 박테리아는 자기 자신을 방어할 수 있습니다. 3세대 유전자 가위의 특장점은? CRISPR는 3세대 유전자 가위로 불립니다. 1, 2세대의 유전자 가위와는 무엇이 다르며, 또 어떤 장점이 있을까요? 1, 2세대의 유전자 가위들인 징크핑거뉴클레아제, 탈렌(TALENs)은 단백질이 DNA의 염기서열을 직접 인지합니다. 따라서 새로운 염기서열을 인지할 때마다 복잡한 구조를 가지는 단백질을 다시 디자인하고 만들어야 하기 때문에 시간도, 노력도, 물론 돈도 많이 소모됩니다. 그러나 CRISPR는 인식해야 할 DNA 염기서열이 달라지더라도 Cas9이라는 기본 단백질은 그대로 사용하고, 합성이 간편하며 구조가 간단한 RNA만 새로 만들어 결합하면 되기 때문에 기존 유전자 가위에 비해 편리하고 대량 생산에 있어서도 큰 이점을 가집니다. 또한, 유전자의 한 부분을 잘라내는 것이 아니라 염기 하나를 수정할 수 있도록 Cas9 단백질을 변형시킬 수도 있기 때문에 더욱 정교한 교정이 가능합니다. 크리스퍼를 둘러싼 특허권 분쟁 CRISPR의 특허를 놓고 2014년부터 분쟁을 벌여 온 두 연구팀이 있습니다. 유전자를 정밀 교정할 수 있는 CRISPR-Cas9을 처음 개발하고 실험에 성공한 것은 이번에 노벨상을 수상한 제니퍼 다우드나 교수(UC버클리 화학과), 그리고 같은 연구실에 있던 에마뉘엘 샤르팡티에 박사였습니다. 다우드나 박사는 연구를 마친 2012년, 크리스퍼 기술이 앞으로 무궁무진한 가능성을 가지리라고 예상하고 곧바로 미국에 특허를 출원하게 됩니다. 그러나 평화로웠던 2년이 지나고 브로드연구소(MIT-하버드 공동설립)의 장 펑 교수가 이끄는 팀이 진핵생물에 적용할 수 있는 크리스퍼 기술을 개발하고, 마찬가지로 특허를 출원하게 됩니다. 이들의 10개가 넘는 특허가 신속심사제도에 의해 다우드나 박사의 UC버클리 팀보다도 먼저 특허 심사를 통과하며 분쟁은 시작됩니다. UC버클리 측은 브로드연구소의 연구는 원천기술을 발명하고 처음 특허를 낸 다우드나 팀의 연구 성과에 편승한 것이므로 특허가 무효라고 주장했습니다. 하지만 미국 특허청은 브로드연구소의 특허에는 진핵생물이라는 UC버클리 팀(원핵세포 관련 연구)과의 차별점이 있으며 RNA와 Cas9 단백질을 변형시키는 데 성공했기 때문에 독자적인 특허를 받을 수 있는 자격을 갖추었다고 판정했고, 이후 치열한 공방 끝에 브로드연구소의 특허는 유지됩니다. COVID-19 대항할 무기도 크리스퍼? 크리스퍼는 유전자 가위뿐만 아니라 최근 전 세계 최대 관심사인 COVID의 진단, 치료에도 활용될 수 있습니다. 2016년, CRISPR-Cas 시스템이 DNA뿐만 아니라 RNA도 분해할 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 인간을 포함한 대부분의 진핵세포 생명체들은 이중 가닥인 DNA로 유전정보를 저장하는 한편, 바이러스 중에는 단일 가닥인 RNA를 이용하는 종류가 다수 존재합니다. 따라서 이 연구는 CRISPR-Cas 시스템이 단순히 유전자 편집에만 국한된 기술이 아니며 바이러스 감염을 진단하거나 치료하는 데 이용될 수 있다는 가능성을 보였습니다. 최근 코로나 바이러스 감염증이 대유행하며 과학자들은 크리스퍼의 바이러스 진단 가능성에 주목했고, 이를 이용한 진단 기술을 연구하기 시작했습니다. 그 중 현재 각광받고 있는 기술은 형광 RNA를 이용하는 방법입니다. 이 방법은 기존 24시간가량의 시간이 소요되던 핵산 증폭(PCR) 타입의 검사 방법과는 다르게 한 시간 내에 COVID-19 진단이 가능하다는 장점이 있습니다. 먼저 과학자들은 감지한 DNA가 아닌 표지용 DNA 또는 RNA를 잘라 형광을 나타낼 수 있는 새로운 Cas 단백질을 이용했습니다. 이 단백질에 코로나의 RNA를 감지할 표본 RNA를 결합하고 코로나 RNA에 단백질이 결합하면 활성화되어 형광을 나타낼 DNA 또는 RNA를 준비하면 코로나 검사의 준비는 완료됩니다. 여기에서 검사 결과를 확인할 방법에 따라 세부적인 진단법을 분류할 수 있습니다. 첫 번째 방법은 레이저를 활용한 방법입니다. 모든 분자는 고유한 흡수 파장대를 가지는데, 분자의 구조나 크기 등이 달라지면 그 흡수 파장대 또한 달라집니다. Cas 단백질이 RNA 가닥을 잘라낼 때도 마찬가지로 흡수 파장대 변화가 일어나기 때문에 Cas 단백질에 의해 잘린 RNA 가닥만이 흡수하는 파장의 레이저를 비추어 주면 코로나 RNA가 있을 때만 형광 반응이 나타나게 됩니다. 이 방법은 코로나 바이러스의 존재 여부뿐만 아니라 형광의 세기를 측정해 그 양까지 알 수 있다는 장점이 있습니다. 두 번째 방법은 현재의 임신테스트기와 비슷한 테스터를 이용한 방법입니다. 테스터 상의 검체가 지나갈 길에는 두 가지의 화학 물질로 이루어진 선이 있습니다. 첫 번째 선에서는 잘리지 않은 DNA 가닥이 붙잡히기 때문에 이곳에 색이 나타난다면 화학물질이 올바르게 존재한다는, 즉 테스터가 정상이라는 사실을 알 수 있습니다. 두 번째 선에서는 Cas 단백질에 의해 잘린 가닥이 붙잡히기 때문에 이곳에 색이 나타난다면 Cas 단백질이 활성화되었다는 사실을 알 수 있습니다. 이는 곧 COVID-19 바이러스가 몸속에 존재한다는 사실을 나타냅니다. 이 테스터기가 상용화된다면 누구나, 어디서나 빠르고 편리하게 코로나 검사를 진행할 수 있을 것입니다. 또한, CRISPR-Cas 시스템의 본질은 침입한 유전 물질을 분해하는 면역 체계이기 때문에 코로나 등 바이러스에 의한 질병을 앓고 있는 환자에게 도움을 줄 수 있습니다. Cas 단백질-RNA 조각 복합체를 이용해 증상을 완화하거나 질병 자체를 치료하는 방법에 대해 지금도 연구가 활발히 진행 중이며 실제로 쥐에서 HIV(에이즈 원인 바이러스)를 제거하는 성과를 보였습니다. 안영은 객원기자│Chemistry│지식더하기 참고자료 [1] Campbell Biology 11th Ed. [2] 동아사이언스 [3] 사이언스온(http://scienceon.hani.co.kr/142544) [4] 브릭(BRIC) 첨부 이미지 출처 [1] 과학동아 2015년 06호 [2] 네이쳐 바이오테크놀로지 [3] 조선일보 ⓒ KAIST부설 한국과학영재학교 온라인 과학매거진 KOSMOS

  • 지우가 블랙홀에 피카츄를 던진 이유

    질량-에너지 등가 관계식은 세상에서 가장 유명한 공식이라 할 수 있다. 질량-에너지 등가는 모든 질량은 그에 비례하는 엄청난 에너지를 가지고 있음을 설명한다. 예를 들어 5kg 질량을 가지는 피카츄를 전부 100% 효율로 에너지로 변환할 수 있다면 1년 동안 노르웨이가 1년간 소비하는 전력을 충당해 줄 수 있다. 그러나 질량을 높은 효율로 에너지로 변환하는 일은 매우 어렵다. 질량을 가장 효율적으로 에너지로 변환시키는 방법은 반물질을 사용하는 것이다. 피카츄와 반물질 피카츄를 반응시키면 총 10kg의 질량이 100% 효율로 에너지로 변환되어 노르웨이 전국에 2년동안 전력을 공급해줄 수 있다. 그러나 5kg 반물질 피카츄는 자연적으로 생기지 않는다. 반물질 피카츄를 인위적으로 만들기 위해서 많은 양의 에너지가 소모되기에 이 방식은 결과적으로 효율이 높지 않다. 질량을 에너지로 변환하는 보다 일반적인 방법에는 크게 2가지가 있다. 첫 번째로 화학 반응이다. 그러나 화학 반응은 질량이 에너지로 변환되는 효율이 극히 낮아서 보통 화학 반응의 에너지가 질량에서 추출된다고 취급하지 않는다. 수소와 산소의 반응을 살펴보면, 0.2mol의 수소와 0.1mol의 산소가 반응해 폭발하며 47kJ의 에너지를 생산하며 반응 후 줄어든 무게는 0.5ng(나노그램)이다. 질량-에너지 변환 효율을 계산하면 약 0.000000001%이다. 이 효율로 노르웨이에 1년간 전력을 공급하려면 100억 마리의 피카츄가 필요하다. 두 번째 방법은 핵반응이다. 화학 반응과 비교하면 효율이 매우 높다고 할 수 있지만, 절대적으로 보면 효율이 낮다. U235(우라늄235)을 Kr(크립톤)과 Ba(바륨)으로 바꾸는 핵분열은 우라늄 질량의 0.08%를 변환한다. 태양에서 일어나는 H(수소)-He(헬륨) 핵반응에서는 0.7% 질량이 에너지로 변환된다. 이 효율로 노르웨이에 1년간 전력을 공급하려면 150마리의 피카츄가 필요하다. 블랙홀을 이용하면 훨씬 높은 효율로 질량에서 에너지를 추출 할 수 있다. 이 방식은 아마 우주에서 질량을 에너지로 바꾸는 방법 중에서 가장 효율이 높은 방식 중 하나일 것이다. 그러나 블랙홀 사건의 지평선을 지나가면 빛을 포함해 아무것도 빠져나갈 수 없기에 블랙홀을 통해 에너지를 추출한다는 말에서 의문이 생길 수 있다. 핵심은 블랙홀로 점점 다가가고 있는, 사건의 지평선을 지나지 않은 물체에서 에너지를 추출하는 것이다. 블랙홀에 가까워지는 물체는 가속하며 운동에너지를 얻는다. 그 물체가 다른 물체와 마찰을 일으키면 운동에너지가 열에너지로 변환된다. 변환된 열에너지가 적외선으로 방사되면서 질량이 감소하게 된다. 비슷한 현상이 일어나는 곳이 바로 지구이다. 지구의 중력장에 의해 운석이 떨어질 때 대기와의 마찰로 운석 질량의 수십억분의 1 정도가 에너지로 변환되며 이는 앞서 설명했던 화학 반응과 비슷할 정도로 매우 낮은 효율을 보인다. 비슷한 원리로 에너지를 추출해도 블랙홀에서는 높은 에너지 효율을 얻을 수 있는데 블랙홀의 크기가 질량에 비해서 매우 작기 때문이다. 예시로 지구와 질량이 같은 블랙홀은 지름이 약 2cm정도 밖에 되지 않는다. (지구의 지름은 약 12600km이다) 중력의 크기는 거리의 제곱에 반비례하기 때문에 블랙홀에 가까워지는 물체는 더 강한 중력장에서 더 오랜 시간 가속된다. 사건의 지평선에서 물체의 운동에너지가 그 물체 질량 전부가 에너지로 변환됐을 때의 50% 정도임을 계산할 수 있다. 그러나 사건의 지평선을 지나며 그 물체는 영원히 블랙홀 속에 갇히게 된다. 사건의 지평선을 지나기 전에 물체의 운동에너지를 최대한 얻기 위해선 그 물체가 나선을 그리며 서서히 블랙홀로 접근해야 하며 그 경로에서 다른 물체들과 충돌하며 운동에너지를 열에너지로 변환시켜야 한다. 충돌 이후 운동에너지와 질량을 잃어 회전하는 궤도가 낮아지며 이를 최대한 반복하는 것이다. 이제 이 과정의 효율을 계산해 보자. 첫째로 회전하지 않는 블랙홀(schwarzschild black hole)에서 물체가 존재할 수 있는 가장 가까운 거리는 중심에서 지평선까지의 거리에 3배에 달한다. 물체가 주위를 나선 경로로 가까워지면 질량의 약 6% 정도를 에너지로 변환시켜 방출하게 된다. 더 가까워지면 사건의 지평선을 지나 블랙홀 안으로 들어가 더 에너지를 얻어낼 수 없게 된다. 6%의 효율로는 노르웨이 1년간 전력을 17마리의 피카츄를 사용해 충당할 수 있다. 가장 효율이 높았던 수소-헬륨 핵반응 0.7%와 비교하면 훨씬 높음을 알 수 있다. 회전하는 블랙홀(kerr black hole)에서는 더 높은 효율을 얻을 수 있다. 블랙홀이 회전하면서 틀 끌림에 의해 작용권이 형성되는데 이 효과로 주변의 시공간이 같이 휘게 된다. 휘어진 공간에서 물체는 블랙홀이 회전하는 방향으로 끌려가기 때문에 회전하지 않는 블랙홀보다 중심에 더 가까이 접근할 수 있게 된다. 블랙홀이 회전하는 속도에 따라 값이 변하지만 매우 빠르게 회전하는 블랙홀의 경우는 물체가 존재할 수 있는 가장 가까운 궤도가 지평선과 거의 접하게 된다. 회전하지 않는 블랙홀에서는 중심과 지평선 사이 거리의 3배 멀리 떨어져 있어야 했기에 이와 비교하면 훨씬 더 많은 운동에너지를 가지게 됨을 알 수 있다. 계산하면 빠르게 회전하는 블랙홀에 떨어지는 물체는 질량의 42%에 해당하는 양을 에너지로 변환시킬 수 있게 된다. 이 효율이면 2.5마리의 피카츄로도 노르웨이 1년치 전력을 공급할 수 있다. 블랙홀을 통해서 에너지 발전기를 만드는 다른 아이디어는 예상우 기자의 “블랙홀로 폭탄을 만드는 법” 기사에서 확인 할 수 있다. (기사 링크: https://www.ksakosmos.com/post/%EB%B8%94%EB%9E%99%ED%99%80%EB%A1%9C-%ED%8F%AD%ED%83%84%EC%9D%84-%EB%A7%8C%EB%93%9C%EB%8A%94-%EB%B2%95) 박선빈 학생기자│Physics│지식더하기 참고자료 [1] https://www.ksakosmos.com/ [2] https://en.wikipedia.org/wiki/Rotating_black_hole [3] https://brilliant.org/minutephysics 첨부 동영상 출처 [1] https://www.youtube.com/watch?v=t-O-Qdh7VvQ ⓒ KAIST부설 한국과학영재학교 온라인 과학매거진 KOSMOS

  • 물리실험실을 여행하는 일물실2 수강생을 위한 안내서

    한국과학영재학교에는 학생들에게 유익하고 많은 도움이 되는 수업과 강의들이 많지만, 이와는 별개로 여러 애로 사항을 안겨주는 과목들도 있습니다. 이 글에서는 그런 수업들 중 탐구관 2308에서 이루어지는 일반물리학실험2 (일물실2) 수업에 대한 몇 가지 안내 사항을 알려드리고자 합니다. 일반물리학실험2, 꼭 수강해야 하나요? 일반물리학실험2는 물리학부 상위 과목을 들으려 하는 학생들이라면 대부분이 졸업 전에 결국 수강해야 하는 과목입니다. 무조건 일반물리학2와 같은 학기에 수강해야 하기에 일반물리학2 이후의 물리 상위 과목을 들으려는 학생들의 경우 2학년 2학기, 또는 3학년 1학기에 수강하게 되기에 시기적으로 보았을 때도 다른 실험 과목들에 비해 상대적으로 부담이 되는 것도 사실입니다. 글쓴이의 경우 2학년 2학기에 다른 여러 자연 과목들과 함께 수강하며 꽤나 부담이 되기도 하였습니다. 그러나 일반물리학실험2를 듣지 않기 위한 방법은 오직 일반물리학2와 그 상위 과목들의 수강을 포기하는 방법뿐이기에, 애초에 선택지는 존재하지 않습니다. 일반물리학실험2의 진행 1학년 실험 수업들과 일반물리학실험1, 그리고 다른 실험 수업들과는 다르게 일반물리학실험2의 경우 실험 장비 부족으로 인해 반 전체가 한 번에 모두 동일한 실험을 진행하지 않습니다. 대신 한 시간에 2~3가지 종류의 실험 장비들이 준비되어 있고 팀별로 교대로 실험을 진행합니다. 이번 주에 첫 번째 팀과 두 번째 팀이 Lab01을 진행하고 세 번째 팀과 네 번째 팀이 Lab02를 진행했다면, 다음 주에는 첫 번째 팀과 두 번째 팀이 Lab02 진행하고 세 번째 팀과 네 번째 팀은 Lab01을 진행하는 식입니다. 이런 방식으로 한 학기 동안 총 10가지 실험을 진행하게 되는데, 마지막 실험의 경우 흑체복사 실험, 프랑크-헤르츠 실험, 광속 측정 실험, 원자 스펙트럼 실험 등의 몇 가지 실험들 중 한 가지를 선택해 그 실험 하나만을 수행하게 됩니다. 보고서의 경우 일반물리학실험1과 동일하게 중간고사 전까지는 선생님께서 보고서 형식을 제공해주시고 그 보고서의 빈칸을 채우고 질문에 답하기만 하면 됩니다. 일반물리학실험1과 다른 점이 있다면 보고서의 맨 앞에 초록을 적는 부분이 생긴다는 점이나 전반적인 질문의 수준이 조금 더 어려워진다는 점 등이 있을 것 같습니다. 중간고사가 지난 후로는 주어진 형식 없이 위 사진과 같이 직접 보고서를 제작해야 합니다. 이 역시 일반물리학실험1과 거의 동일하나, 2019년도 2학기 김경대 선생님의 경우 워크시트와 유사한 실험 보고서 형식이 아닌, 초록과 참고문헌까지 포함한 논문과 유사한 형식을 요구하신 점이 달랐습니다. 일반물리학실험2는 도대체 뭐가 그렇게 힘들까? 지금까지의 내용만 보아서는 그저 일반물리학실험1보다 조금 어려운 정도로밖에 느껴지지 않습니다. 그렇다면 도대체 뭐가 그렇게 힘들다는 것일까요? 일반물리학실험2에서 가장 힘든 점은 우선 실험 그 자체입니다. 일반물리학실험1의 경우 2시수로 편성되어 있음에도 불구하고 실제로 실험 수행에 2시간이 모두 소요된 적은 별로 없을 것이며, 간혹 재실험을 한다고 하더라도 이는 대부분 실험에서 발생한 실수 등으로 인한 것이었으리라 생각합니다. 그러나 일반물리학실험2의 경우 실험 자체에서 훨씬 많은 시간이 소요됩니다. 이에 대해서는 실험 자체의 난이도 증가, 그리고 훨씬 많은 실험 수행과 데이터를 요구하는 점 등이 그 원인이 될 수 있을 것입니다. 가령 쿨롱 힘 측정 실험 같은 경우 얼핏 보기에는 간단해 보이지만 주변 환경(주변 전자기장, 실험실 습도, 날씨(!)) 등 많은 요인에 영향을 받고, 이는 제대로 실험을 수행하기 위해 훨씬 많은 노력과 시간을 요구합니다. 또 다른 예시로는 헬름홀츠 코일에서의 자기장 측정 실험의 경우 위치와 전류를 바꾸어가며 약 100여번의 측정이 수행되었고, 저의 경우 그 중 결과가 제대로 나오지 않아 다시 측정한 경우들까지 포함하면 약 120여번 측정을 진행하였던 것으로 기억합니다. 실험들이 이러니 재실험을 하지 않더라도 기본 실험 수행에 3~4시간이 소요되고 혹 재실험이라도 하게 되면 일주일에 실험에만 7시간 이상을 투자해야 하는 일도 일어나기 마련입니다. 또 하나 어려운 점은 매뉴얼의 불친절함 입니다. 일반물리학실험2의 경우 일반물리학실험1처럼 잘 정리된 매뉴얼을 주시는 것이 아닌, PASCO 실험 장치의 매뉴얼을 그대로 제공해 주시며, 이를 본인이 스스로 습득하여 실험을 진행해야 합니다. 처음 장비 설정부터 실험 진행까지 오직 그 매뉴얼 하나에 의존해 진행하여야 하는데, 간혹 장비 기본 설정 및 배치 등에만 1시간 이상이 소요되거나 매뉴얼에 무슨 실험을 진행해야 하는지 조차 제대로 나와 있지 않은 경우가 있기에 결코 순탄치 않은 과정입니다. 이런 어려움들로 인해 일반물리학실험2는 실제로는 1학점 2시수 수업임에도 불구하고 체감 5~7시수를 웃돌게 되었고, 학생들 사이에서 1학점 짜리에 이렇게 정성과 시간을 들일 바에는 일반물리학실험2에서 B나 C를 받더라도 그 노력을 다른 과목에 쏟는 것이 좋지 않을까 하는 말이 나올 정도로 여러 수강생들에게 고난을 안겨주는 수업이 되고야 만 것입니다. 일반물리학실험2, 유익한 점은 없는 건가요? 비록 지금까지 일반물리학실험2를 수강하며 겪게 되는 어려움들을 중심으로 말씀드리긴 했지만, 사실 꽤나 많은 것을 얻어갈 수 있는 수업이기도 합니다. 저는 무엇보다도 특히 물리 실험 능력을 키우는 데에 있어서 매우 많은 도움이 되는 수업이라 생각합니다. KYPT, KSEF 등의 대회에 참가하지 않는 한 한국과학영재학교의 많은 학생들이 실제로 다양한 물리 실험을 겪어 볼 수 있는 기회는 의외로 많지 않습니다. 일반물리학실험1의 경우에는 대부분 실험이 간단하기도 하고 선생님들께서도 많은 도움을 주시기에 물리 실력에 있어서는 그렇게 많은 성장이 이루어지지 않는다고 생각합니다. 그러나 일반물리학실험2의 경우 정전기 실험부터 전자기 실험, 회로 실험, 광학 실험, 그리고 양자역학과 관련된 실험에 이르기까지 한 학기 동안 다양한 실험들을 스스로의 힘으로 수행하면서 물리 실력에서 훨씬 많은 발전을 이룰 수 있습니다. 게다가 광전효과 실험이나 밀리컨의 기름방울 실험 같은, 책에서만 보던 실험들을 직접 해보는 것만으로도 매우 가치 있는 일이라 생각합니다. 이런 실험들을 대학교 물리 실험실이 아닌 고등학생 시절에 직접 수행해보며, 기존의 이론과 대조해보는 일은 한국과학영재학교가 아니라면 쉽게 해볼 수 없는 체험이라 생각하는 만큼, 사실 일반물리학실험2에서 진행하는 실험들은 다른 학교에서 물리를 공부하는 학생들이라면 누구나 부러워할 만한 수업 이기도 합니다. 실험 실력에서뿐만 아니라 보고서 작성 등 실험 외적인 부분에서도 능력을 발전시킬 수 있습니다. 스스로 실험을 수행한 후 그를 바탕으로 역시나 스스로 보고서 형식을 만들고 어떤 내용을 넣어야 좋을지 생각해보며 실험 보고서를 쓰는 요령과 능력은 훨씬 좋아질 것입니다. 그리고 이런 과정을 반복하며 나중에는 실험을 진행하며 스스로 보고서에 이런 내용을 넣으면 좋을 것 같고, 그렇다면 그런 내용을 넣기 위해서는 어떤 실험을 어떻게 진행하는 것이 좋을지를 생각해낼 수도 있게 되니, 학교에서 수강할 수 있는 물리 실험 과목 중에서는 가장 유익하다고도 할 수 있다고 생각합니다. 일반물리학실험2를 조금이라도 수월하게 수강하기 위하여 일반물리학실험2 역시 여타 수업들과 같이 조금이라도 수월하게 수강하기 위한 팁들이 존재합니다. 여기에서는 제 개인적인 경험을 바탕으로 수강에 도움이 될 만한 몇 가지 사항들을 알려드리겠습니다. 우선 가장 중요한 것은 다른 학생들과 서로 도우라는 것입니다. 실험과목의 특성상 모두가 잘하면 모두 좋은 학점을 받을 수 있으므로, 서로를 학점을 두고 경쟁하는 경쟁자로 생각하기보다는 함께 어려움을 극복해나가야 할 동료로 생각해야 합니다. 앞서 일반물리학실험2의 경우 한번에 모두 같은 실험을 진행하는 것이 아니라 서로 다른 실험을 교대로 진행하게 된다고 하였는데, 이는 바꾸어 말하면 내가 이번주에 하는 실험을 지난주에 이미 한 번 해 본 친구가 있고, 반대로 내가 지난주에 이미 해 본 실험을 이번주에 진행하는 친구도 있다는 의미입니다. 이미 한 번 해 본 실험인 만큼 그 실험을 처음 해보는 다른 친구를 서로 도와주며 실험을 수행한다면 모두 실험을 훨씬 쉽고 빠르게 수행해낼 수 있을 것입니다. 게다가 지난주에 실험을 수행한 친구의 경우 이미 그 실험의 보고서까지 작성해 보았을 것이기 때문에 실험을 진행하며 유의해야 할 주의사항이나 보고서 작성 시 도움이 될 만한 추가 실험들을 서로 알려주며 실험을 진행한다면 같은 실험이라도 더 높은 수준으로 더 정확히 해낼 수 이으니, 꼭 서로 도우며 실험을 진행하기를 추천드립니다. 같이 수업을 듣는 친구 이외에, 이미 일반물리학실험2를 수강한 다른 선배나 친구들로부터 지난 실험 데이터나 보고서 등을 전달받아 본인이 실험을 진행할 때 참고하는 것도 큰 도움이 됩니다. 단순히 매뉴얼 만으로는 정확히 어떤 실험을 어떻게 진행해야 하는지 정확히 알기에 쉽지 않을 때가 많기에, 선배나 친구들의 지난 데이터와 보고서를 보고 실험 진행에서 도움을 받는다면 훨씬 실험을 쉽게 수행할 수 있습니다. 저 역시 다른 17학번 선배님의 보고서를 보고 도움을 받았습니다. 만일 제게도 연락을 주신다면 필요한 데이터나 보고서를 드릴 수 있으니, 도움이 필요하시다면 연락 주시기 바랍니다. 비록 일반물리학실험2가 힘든 수업이긴 하지만, 그만큼 유익하고 모두 마쳤을 때 뿌듯함과 함께 실제로도 많은 도움이 되는 과목이기도 하는 만큼, 열심히 참여하신다면 좋은 성적과 성적 외적인 요소 모두에서 좋은 결과를 얻어가실 수 있을 것입니다. 일반물리학실험2를 수강하시는 모든 분들께 행운을 빕니다. 유지환 학생기자│Physics│에세이 첨부 이미지 출처 [1] 유지환, 일반물리학실험2 보고서 Lab08: Photoelectric Effect, (2019) [2] 유지환, 일반물리학실험2 보고서 Lab07: Millikan Oil Drop Experiment (2019) ⓒ KAIST부설 한국과학영재학교 온라인 과학매거진 KOSMOS

  • 미세먼지, 화학으로 톺아보기

    어느 순간부터 날씨를 확인할 때 기온 다음으로 확인하는 것은 미세먼지 수치가 되었다. 일상화된 미세먼지 문제를 해결하는 것은 우리의 큰 과제이다. 미세먼지는 과연 얼마나 해로울까? 또 어떤 성분으로 이루어져 있고 어디에서 발생하는 걸까? 뉴스나 인터넷을 통해 알 수 있는 미세먼지 수치는 어떻게 측정된 것일까? 그리고 이 문제를 어떻게 해결할 수 있을까? 이번 기사에서는 이 수많은 물음표들을 해결해보고자 한다. 미세먼지, 너는 누구니? 미세먼지는 우리 눈에는 보이지 않는 아주 작은 물질로, 대기 중에 오랫동안 떠다니거나 흩날려 내려오는 직경 10㎛ 이하의 입자상 물질을 말한다. 미세먼지는 입자의 크기에 따라 총 먼지 지름이 10㎛ 이하인 미세먼지(PM 10)와 지름이 2.5㎛ 이하(PM 2.5)인 미세먼지로 나뉜다. PM2.5는 흔히 초미세먼지라고 불린다. 환경부 자료에 따르면 미세먼지는 질산염, 암모늄, 황산염 등의 이온 성분과 탄소화합물, 금속화합물 등으로 이루어져 있다. 지역에 따라, 시각에 따라 그 성분도 바뀌지만, 평균적으로 이온이 절반 이상을 차지한다. 또, 대체로 PM 2.5가 PM 10 보다 이온 비율이 높다고 한다. 세계보건기구(WHO)는 미세먼지 중 디젤에서 배출되는 BC(black carbon)를 1급 발암물질로 지정한 바 있다. 장기 노출 시 면역력이 급격히 저하되어 감기, 천식, 기관지염 등의 호흡기 질환은 물론 심혈관 질환, 피부질환, 안구질환 등 각종 질병에 노출될 수 있다. 특히 PM2.5는 인체 내 기관지 및 폐 깊숙한 곳까지 침투하기 쉬워 기관지, 폐 등에 더 치명적인 영향을 준다고 한다. 미세먼지, 너는 어디서 왔니? 미세먼지는 어떻게 발생하는 것일까? 그리고 그 중 우리나라에서 발생하는 양과 중국에서 발생하는 양은 어느 정도의 비율일까? 환경부의 '미세먼지, 도대체 뭘까?(2016.4)'에 따르면 미세먼지 발생원은 자연적인 것과 인위적인 것으로 구분된다. 자연적 발생원은 흙먼지, 바닷물에서 생기는 소금, 식물의 꽃가루 등이 있다. 인위적인 발생원은 보일러나 발전시설 등에서 석탄, 석유 등 화석연료를 태울 때 생기는 매연, 자동차 배기가스, 건설현장 등에서 발생하는 날림먼지, 공장 내 분말형태의 원자재, 부자재 취급공정에서의 가루성분, 소각장 연기 등이 있다. 또, 미세먼지는 굴뚝 등 발생원에서부터 고체 상태의 미세먼지가 나오는 경우(1차적 발생)와 발생원에서 매우 작은 휘발성유기화합물, 질소산화물 분자들이 기체 상태로 나와 공기 중의 다른 물질과 화학반응을 일으켜 미세먼지가 되는 경우(2차적 발생)로 나뉘어질 수 있다. 이중 PM 2.5 초미세먼지 발생량의 3분의 2를 차지하는 것은 2차적 발생이라고 한다. 2차적 발생을 더 자세히 살펴보자. 석탄이나 석유 등의 화석연료가 연소되는 과정에서 배출되는 황산화합물이 대기 중의 수증기, 암모니아와 결합하는 화학반응, 그리고 자동차 배기가스에서 나오는 질소화합물이 대기 중의 수증기, 오존, 암모니아 등과 결합하는 화학반응을 통해 미세먼지가 생성되는 것이 2차적 발생의 큰 비율을 차지한다. 앞서 언급한 휘발성유기화합물로부터 시작되는 경우도 있다. 더 자세한 생성과정은 다음 그림을 통해 알 수 있다. 과학기술정보통신부, 환경부, 보건복지부는 미세먼지 범부처 프로젝트 사업 성과발표회를 지난 9월 11일, 온라인으로 개최했다. 정부는 이번 연구에서 중국발 미세먼지가 유입될 때 유입량보다 더 심한 수준의 고농도 초미세먼지 현상이 나타나는 과학적 이유를 공식적으로 확인했다고 전했다. 중국발 미세먼지가 서해를 건너며 수분을 머금은 뒤 국내 자동차 배기가스(질소산화물)와 만나 PM 2.5 초미세먼지(질산염이 큰 비율을 차지)가 생성되었다고 말한다. 생성된 질산염이 수분을 흡수하면 질소산화물과 반응해 추가 질산염이 생성되면서 상황이 더욱 악화됐다. 또, 지난해 말 한중일 3국 공동연구에서는 한국의 PM 2.5 초미세먼지 중 32%가 중국에서 날아왔고, 51%는 국내에서 발생한 것으로 조사되었다. 이외에 가정에서도 많은 미세먼지가 발생할 수 있다. 가정에서 사용하는 에너지를 생산하기 위해서도 물론 미세먼지가 발생하지만, 직접적으로 조리 중에도 발생한다. 음식표면에서 15~40nm 크기의 초기입자가 생성되고 재료 중의 수분, 기름 등과 응결하여 그 크기가 커지는 것으로 알려져 있다. 조리법에 따라서 미세먼지 발생량이 다른데, 특히 굽는 조리법에서 미세먼지가 많이 생성된다고 알려져 있다. 미세먼지 측정하기 미세먼지 측정 방법은 크게 방사선 또는 빛의 물리적 특성을 이용하여 간접적으로 측정하는 방법인 베타선 흡수법, 광산란법과 미세먼지의 질량을 저울로 직접 측정하는 방법, 중량농도법이 있다. 베타선 흡수법이란 일정한 시간 포집한 입자를 감기는 테이프에 모아 그 테이프에 베타선을 쪼여 포집 전후의 농도를 비교하는 방법으로, 한 번 농도를 재기 위해 1시간 이상의 시간이 소요되는 단점이 있다. 광산란법이란 빛을 쏘아 측정된 입자의 개수를 가지고 농도를 알아보는 방법으로 산란된 양이 질량 농도에 비례하게 된다. 한 번에 PM 2.5, PM 10 측정이 가능하고 휴대 가능하게 만들 수 있어, 쉽게 구입할 수 있는 대부분의 가정용 미세먼지 측정기는 광산란법을 이용한다. 다만 간접적으로 측정하기 때문에 오차 범위가 크다. 그렇기에, 오차를 줄일 수 있는 방법 중 하나인 팬(fan)이 없다면 정확성을 의심해봐야 한다. 중량농도법은 포집 전후 여과지 무게를 측정해 미세먼지 농도를 알아보는 방법으로, 포집해야 하는 시간이 필요하기 때문에 실시간 측정이 어렵고, 측정하는 과정에서 습도, 온도, 정전기 등에 따른 오차가 발생된다. 반도체 센서를 이용한 미세먼지 측정 방법도 있다. 총휘발성유기화합물(TVOC)은 벤젠 등 수백 종류의 유기화합물질을 측정해 합산한 농도를 말하는데, 이를 측정하기 위한 반도체 센서는 일부 물질만을 측정하여 TVOC농도로 표현하기 때문에 비과학적이라는 평도 있다. 미세먼지 화학으로 해결하기 미세먼지의 구성성분과 발생 경로를 생각해보자. 미세먼지의 탄소핵은 질소산화물, 황산화물이 암모니아와 화학적으로 반응하여 생성시킨 화학물질로 둘러싸여 있다. 따라서 미세먼지의 핵을 이루는 탄소입자, 그리고 휘발성유기화합물의 배출을 억제하는 정책이 필요하다고 볼 수 있다. 미세먼지의 핵이 없다면 껍질도 형성될 일 없기 때문이다. 껍질을 줄이기 위해서는 질소산화물, 황산화물, 암모니아의 대기중 농도를 감소시켜야 한다. 실제로 미세먼지 껍질의 질소산화물, 황산화물의 비중이 암모니아보다 크기에 이들을 감소시키는 것이 더 중요하다고 생각할 수도 있겠다. 그러나, 분자수로 따져보자면, 암모니아의 비율이 더 높다. 일부 사람들이 착각하고 있는 바와 다르게, 질소산화물이 미세먼지에 있어서 가장 중요한 물질이라는 판단 근거가 부족하다는 것이다. 어떤 물질이 미세먼지 껍질 생성에 있어 결정적인 지, 그리고 과연 질소산화물만 없앤다고 해서 미세먼지가 감소할 것인지는 아직은 과학적 검증이 더 필요해 보이는 부분이다. 결론적으로, 이러한 물질의 유입과 생산을 막기 위해선 국제적 협력, 개인과 가정 차원의 친환경 소비 노력, 사업장의 질소산화물 방지시설 강화, 대중교통 사용 장려 및 노후 경유차 처리 등 어떤 한 분야의 노력만이 아닌, 모두의 노력이 필요하다. 이러한 노력을 통해 언젠가는 다시 미세먼지 걱정을 하지 않게 되는 시대가 오기를 기대한다. 방민솔 학생기자│Chemistry│지식더하기 참고자료 [1] 「미세먼지, 도대체 뭘까?」, 환경부, 2016 [2] 최상인, 안정언, 조영민, 「미세먼지 입자의 측정분석원리 고찰」, 공업화학 전망, 제 21호, 2018 [3] 한방우, 「사업장 미세먼지 저감기술 현황」, Air cleaning technology, Vol.31, 2018 [4] 환경부: http://www.me.go.kr/ [5] 한겨레: http://www.hani.co.kr/ 첨부 이미지 출처 [1] 「미세먼지, 도대체 뭘까?」, 환경부, 2016 [2] https://pixabay.com/ko/ [3] https://www.flickr.com/ ⓒ KAIST부설 한국과학영재학교 온라인 과학매거진 KOSMOS

  • 물리실험실을 여행하는 일물실2 수강생을 위한 안내서

    한국과학영재학교에는 학생들에게 유익하고 많은 도움이 되는 수업과 강의들이 많지만, 이와는 별개로 여러 애로 사항을 안겨주는 과목들도 있습니다. 이 글에서는 그런 수업들 중 탐구관 2308에서 이루어지는 일반물리학실험2 (일물실2) 수업에 대한 몇 가지 안내 사항을 알려드리고자 합니다. 일반물리학실험2, 꼭 수강해야 하나요? 일반물리학실험2는 물리학부 상위 과목을 들으려 하는 학생들이라면 대부분이 졸업 전에 결국 수강해야 하는 과목입니다. 무조건 일반물리학2와 같은 학기에 수강해야 하기에 일반물리학2 이후의 물리 상위 과목을 들으려는 학생들의 경우 2학년 2학기, 또는 3학년 1학기에 수강하게 되기에 시기적으로 보았을 때도 다른 실험 과목들에 비해 상대적으로 부담이 되는 것도 사실입니다. 글쓴이의 경우 2학년 2학기에 다른 여러 자연 과목들과 함께 수강하며 꽤나 부담이 되기도 하였습니다. 그러나 일반물리학실험2를 듣지 않기 위한 방법은 오직 일반물리학2와 그 상위 과목들의 수강을 포기하는 방법뿐이기에, 애초에 선택지는 존재하지 않습니다. 일반물리학실험2의 진행 1학년 실험 수업들과 일반물리학실험1, 그리고 다른 실험 수업들과는 다르게 일반물리학실험2의 경우 실험 장비 부족으로 인해 반 전체가 한 번에 모두 동일한 실험을 진행하지 않습니다. 대신 한 시간에 2~3가지 종류의 실험 장비들이 준비되어 있고 팀별로 교대로 실험을 진행합니다. 이번 주에 첫 번째 팀과 두 번째 팀이 Lab01을 진행하고 세 번째 팀과 네 번째 팀이 Lab02를 진행했다면, 다음 주에는 첫 번째 팀과 두 번째 팀이 Lab02 진행하고 세 번째 팀과 네 번째 팀은 Lab01을 진행하는 식입니다. 이런 방식으로 한 학기 동안 총 10가지 실험을 진행하게 되는데, 마지막 실험의 경우 흑체복사 실험, 프랑크-헤르츠 실험, 광속 측정 실험, 원자 스펙트럼 실험 등의 몇 가지 실험들 중 한 가지를 선택해 그 실험 하나만을 수행하게 됩니다. 보고서의 경우 일반물리학실험1과 동일하게 중간고사 전까지는 선생님께서 보고서 형식을 제공해주시고 그 보고서의 빈칸을 채우고 질문에 답하기만 하면 됩니다. 일반물리학실험1과 다른 점이 있다면 보고서의 맨 앞에 초록을 적는 부분이 생긴다는 점이나 전반적인 질문의 수준이 조금 더 어려워진다는 점 등이 있을 것 같습니다. 중간고사가 지난 후로는 주어진 형식 없이 위 사진과 같이 직접 보고서를 제작해야 합니다. 이 역시 일반물리학실험1과 거의 동일하나, 2019년도 2학기 김경대 선생님의 경우 워크시트와 유사한 실험 보고서 형식이 아닌, 초록과 참고문헌까지 포함한 논문과 유사한 형식을 요구하신 점이 달랐습니다. 일반물리학실험2는 도대체 뭐가 그렇게 힘들까? 지금까지의 내용만 보아서는 그저 일반물리학실험1보다 조금 어려운 정도로밖에 느껴지지 않습니다. 그렇다면 도대체 뭐가 그렇게 힘들다는 것일까요? 일반물리학실험2에서 가장 힘든 점은 우선 실험 그 자체입니다. 일반물리학실험1의 경우 2시수로 편성되어 있음에도 불구하고 실제로 실험 수행에 2시간이 모두 소요된 적은 별로 없을 것이며, 간혹 재실험을 한다고 하더라도 이는 대부분 실험에서 발생한 실수 등으로 인한 것이었으리라 생각합니다. 그러나 일반물리학실험2의 경우 실험 자체에서 훨씬 많은 시간이 소요됩니다. 이에 대해서는 실험 자체의 난이도 증가, 그리고 훨씬 많은 실험 수행과 데이터를 요구하는 점 등이 그 원인이 될 수 있을 것입니다. 가령 쿨롱 힘 측정 실험 같은 경우 얼핏 보기에는 간단해 보이지만 주변 환경(주변 전자기장, 실험실 습도, 날씨(!)) 등 많은 요인에 영향을 받고, 이는 제대로 실험을 수행하기 위해 훨씬 많은 노력과 시간을 요구합니다. 또 다른 예시로는 헬름홀츠 코일에서의 자기장 측정 실험의 경우 위치와 전류를 바꾸어가며 약 100여번의 측정이 수행되었고, 저의 경우 그 중 결과가 제대로 나오지 않아 다시 측정한 경우들까지 포함하면 약 120여번 측정을 진행하였던 것으로 기억합니다. 실험들이 이러니 재실험을 하지 않더라도 기본 실험 수행에 3~4시간이 소요되고 혹 재실험이라도 하게 되면 일주일에 실험에만 7시간 이상을 투자해야 하는 일도 일어나기 마련입니다. 또 하나 어려운 점은 매뉴얼의 불친절함 입니다. 일반물리학실험2의 경우 일반물리학실험1처럼 잘 정리된 매뉴얼을 주시는 것이 아닌, PASCO 실험 장치의 매뉴얼을 그대로 제공해 주시며, 이를 본인이 스스로 습득하여 실험을 진행해야 합니다. 처음 장비 설정부터 실험 진행까지 오직 그 매뉴얼 하나에 의존해 진행하여야 하는데, 간혹 장비 기본 설정 및 배치 등에만 1시간 이상이 소요되거나 매뉴얼에 무슨 실험을 진행해야 하는지 조차 제대로 나와 있지 않은 경우가 있기에 결코 순탄치 않은 과정입니다. 이런 어려움들로 인해 일반물리학실험2는 실제로는 1학점 2시수 수업임에도 불구하고 체감 5~7시수를 웃돌게 되었고, 학생들 사이에서 1학점 짜리에 이렇게 정성과 시간을 들일 바에는 일반물리학실험2에서 B나 C를 받더라도 그 노력을 다른 과목에 쏟는 것이 좋지 않을까 하는 말이 나올 정도로 여러 수강생들에게 고난을 안겨주는 수업이 되고야 만 것입니다. 일반물리학실험2, 유익한 점은 없는 건가요? 비록 지금까지 일반물리학실험2를 수강하며 겪게 되는 어려움들을 중심으로 말씀드리긴 했지만, 사실 꽤나 많은 것을 얻어갈 수 있는 수업이기도 합니다. 저는 무엇보다도 특히 물리 실험 능력을 키우는 데에 있어서 매우 많은 도움이 되는 수업이라 생각합니다. KYPT, KSEF 등의 대회에 참가하지 않는 한 한국과학영재학교의 많은 학생들이 실제로 다양한 물리 실험을 겪어 볼 수 있는 기회는 의외로 많지 않습니다. 일반물리학실험1의 경우에는 대부분 실험이 간단하기도 하고 선생님들께서도 많은 도움을 주시기에 물리 실력에 있어서는 그렇게 많은 성장이 이루어지지 않는다고 생각합니다. 그러나 일반물리학실험2의 경우 정전기 실험부터 전자기 실험, 회로 실험, 광학 실험, 그리고 양자역학과 관련된 실험에 이르기까지 한 학기 동안 다양한 실험들을 스스로의 힘으로 수행하면서 물리 실력에서 훨씬 많은 발전을 이룰 수 있습니다. 게다가 광전효과 실험이나 밀리컨의 기름방울 실험 같은, 책에서만 보던 실험들을 직접 해보는 것만으로도 매우 가치 있는 일이라 생각합니다. 이런 실험들을 대학교 물리 실험실이 아닌 고등학생 시절에 직접 수행해보며, 기존의 이론과 대조해보는 일은 한국과학영재학교가 아니라면 쉽게 해볼 수 없는 체험이라 생각하는 만큼, 사실 일반물리학실험2에서 진행하는 실험들은 다른 학교에서 물리를 공부하는 학생들이라면 누구나 부러워할 만한 수업 이기도 합니다. 실험 실력에서뿐만 아니라 보고서 작성 등 실험 외적인 부분에서도 능력을 발전시킬 수 있습니다. 스스로 실험을 수행한 후 그를 바탕으로 역시나 스스로 보고서 형식을 만들고 어떤 내용을 넣어야 좋을지 생각해보며 실험 보고서를 쓰는 요령과 능력은 훨씬 좋아질 것입니다. 그리고 이런 과정을 반복하며 나중에는 실험을 진행하며 스스로 보고서에 이런 내용을 넣으면 좋을 것 같고, 그렇다면 그런 내용을 넣기 위해서는 어떤 실험을 어떻게 진행하는 것이 좋을지를 생각해낼 수도 있게 되니, 학교에서 수강할 수 있는 물리 실험 과목 중에서는 가장 유익하다고도 할 수 있다고 생각합니다. 일반물리학실험2를 조금이라도 수월하게 수강하기 위하여 일반물리학실험2 역시 여타 수업들과 같이 조금이라도 수월하게 수강하기 위한 팁들이 존재합니다. 여기에서는 제 개인적인 경험을 바탕으로 수강에 도움이 될 만한 몇 가지 사항들을 알려드리겠습니다. 우선 가장 중요한 것은 다른 학생들과 서로 도우라는 것입니다. 실험과목의 특성상 모두가 잘하면 모두 좋은 학점을 받을 수 있으므로, 서로를 학점을 두고 경쟁하는 경쟁자로 생각하기보다는 함께 어려움을 극복해나가야 할 동료로 생각해야 합니다. 앞서 일반물리학실험2의 경우 한번에 모두 같은 실험을 진행하는 것이 아니라 서로 다른 실험을 교대로 진행하게 된다고 하였는데, 이는 바꾸어 말하면 내가 이번주에 하는 실험을 지난주에 이미 한 번 해 본 친구가 있고, 반대로 내가 지난주에 이미 해 본 실험을 이번주에 진행하는 친구도 있다는 의미입니다. 이미 한 번 해 본 실험인 만큼 그 실험을 처음 해보는 다른 친구를 서로 도와주며 실험을 수행한다면 모두 실험을 훨씬 쉽고 빠르게 수행해낼 수 있을 것입니다. 게다가 지난주에 실험을 수행한 친구의 경우 이미 그 실험의 보고서까지 작성해 보았을 것이기 때문에 실험을 진행하며 유의해야 할 주의사항이나 보고서 작성 시 도움이 될 만한 추가 실험들을 서로 알려주며 실험을 진행한다면 같은 실험이라도 더 높은 수준으로 더 정확히 해낼 수 이으니, 꼭 서로 도우며 실험을 진행하기를 추천드립니다. 같이 수업을 듣는 친구 이외에, 이미 일반물리학실험2를 수강한 다른 선배나 친구들로부터 지난 실험 데이터나 보고서 등을 전달받아 본인이 실험을 진행할 때 참고하는 것도 큰 도움이 됩니다. 단순히 매뉴얼 만으로는 정확히 어떤 실험을 어떻게 진행해야 하는지 정확히 알기에 쉽지 않을 때가 많기에, 선배나 친구들의 지난 데이터와 보고서를 보고 실험 진행에서 도움을 받는다면 훨씬 실험을 쉽게 수행할 수 있습니다. 저 역시 다른 17학번 선배님의 보고서를 보고 도움을 받았습니다. 만일 제게도 연락을 주신다면 필요한 데이터나 보고서를 드릴 수 있으니, 도움이 필요하시다면 연락 주시기 바랍니다. 비록 일반물리학실험2가 힘든 수업이긴 하지만, 그만큼 유익하고 모두 마쳤을 때 뿌듯함과 함께 실제로도 많은 도움이 되는 과목이기도 하는 만큼, 열심히 참여하신다면 좋은 성적과 성적 외적인 요소 모두에서 좋은 결과를 얻어가실 수 있을 것입니다. 일반물리학실험2를 수강하시는 모든 분들께 행운을 빕니다. 유지환 학생기자│Physics│에세이 첨부 이미지 출처 [1] 유지환, 일반물리학실험2 보고서 Lab08: Photoelectric Effect, (2019) [2] 유지환, 일반물리학실험2 보고서 Lab07: Millikan Oil Drop Experiment (2019) ⓒ KAIST부설 한국과학영재학교 온라인 과학매거진 KOSMOS

  • 미세먼지, 화학으로 톺아보기

    어느 순간부터 날씨를 확인할 때 기온 다음으로 확인하는 것은 미세먼지 수치가 되었다. 일상화된 미세먼지 문제를 해결하는 것은 우리의 큰 과제이다. 미세먼지는 과연 얼마나 해로울까? 또 어떤 성분으로 이루어져 있고 어디에서 발생하는 걸까? 뉴스나 인터넷을 통해 알 수 있는 미세먼지 수치는 어떻게 측정된 것일까? 그리고 이 문제를 어떻게 해결할 수 있을까? 이번 기사에서는 이 수많은 물음표들을 해결해보고자 한다. 미세먼지, 너는 누구니? 미세먼지는 우리 눈에는 보이지 않는 아주 작은 물질로, 대기 중에 오랫동안 떠다니거나 흩날려 내려오는 직경 10㎛ 이하의 입자상 물질을 말한다. 미세먼지는 입자의 크기에 따라 총 먼지 지름이 10㎛ 이하인 미세먼지(PM 10)와 지름이 2.5㎛ 이하(PM 2.5)인 미세먼지로 나뉜다. PM2.5는 흔히 초미세먼지라고 불린다. 환경부 자료에 따르면 미세먼지는 질산염, 암모늄, 황산염 등의 이온 성분과 탄소화합물, 금속화합물 등으로 이루어져 있다. 지역에 따라, 시각에 따라 그 성분도 바뀌지만, 평균적으로 이온이 절반 이상을 차지한다. 또, 대체로 PM 2.5가 PM 10 보다 이온 비율이 높다고 한다. 세계보건기구(WHO)는 미세먼지 중 디젤에서 배출되는 BC(black carbon)를 1급 발암물질로 지정한 바 있다. 장기 노출 시 면역력이 급격히 저하되어 감기, 천식, 기관지염 등의 호흡기 질환은 물론 심혈관 질환, 피부질환, 안구질환 등 각종 질병에 노출될 수 있다. 특히 PM2.5는 인체 내 기관지 및 폐 깊숙한 곳까지 침투하기 쉬워 기관지, 폐 등에 더 치명적인 영향을 준다고 한다. 미세먼지, 너는 어디서 왔니? 미세먼지는 어떻게 발생하는 것일까? 그리고 그 중 우리나라에서 발생하는 양과 중국에서 발생하는 양은 어느 정도의 비율일까? 환경부의 '미세먼지, 도대체 뭘까?(2016.4)'에 따르면 미세먼지 발생원은 자연적인 것과 인위적인 것으로 구분된다. 자연적 발생원은 흙먼지, 바닷물에서 생기는 소금, 식물의 꽃가루 등이 있다. 인위적인 발생원은 보일러나 발전시설 등에서 석탄, 석유 등 화석연료를 태울 때 생기는 매연, 자동차 배기가스, 건설현장 등에서 발생하는 날림먼지, 공장 내 분말형태의 원자재, 부자재 취급공정에서의 가루성분, 소각장 연기 등이 있다. 또, 미세먼지는 굴뚝 등 발생원에서부터 고체 상태의 미세먼지가 나오는 경우(1차적 발생)와 발생원에서 매우 작은 휘발성유기화합물, 질소산화물 분자들이 기체 상태로 나와 공기 중의 다른 물질과 화학반응을 일으켜 미세먼지가 되는 경우(2차적 발생)로 나뉘어질 수 있다. 이중 PM 2.5 초미세먼지 발생량의 3분의 2를 차지하는 것은 2차적 발생이라고 한다. 2차적 발생을 더 자세히 살펴보자. 석탄이나 석유 등의 화석연료가 연소되는 과정에서 배출되는 황산화합물이 대기 중의 수증기, 암모니아와 결합하는 화학반응, 그리고 자동차 배기가스에서 나오는 질소화합물이 대기 중의 수증기, 오존, 암모니아 등과 결합하는 화학반응을 통해 미세먼지가 생성되는 것이 2차적 발생의 큰 비율을 차지한다. 앞서 언급한 휘발성유기화합물로부터 시작되는 경우도 있다. 더 자세한 생성과정은 다음 그림을 통해 알 수 있다. 과학기술정보통신부, 환경부, 보건복지부는 미세먼지 범부처 프로젝트 사업 성과발표회를 지난 9월 11일, 온라인으로 개최했다. 정부는 이번 연구에서 중국발 미세먼지가 유입될 때 유입량보다 더 심한 수준의 고농도 초미세먼지 현상이 나타나는 과학적 이유를 공식적으로 확인했다고 전했다. 중국발 미세먼지가 서해를 건너며 수분을 머금은 뒤 국내 자동차 배기가스(질소산화물)와 만나 PM 2.5 초미세먼지(질산염이 큰 비율을 차지)가 생성되었다고 말한다. 생성된 질산염이 수분을 흡수하면 질소산화물과 반응해 추가 질산염이 생성되면서 상황이 더욱 악화됐다. 또, 지난해 말 한중일 3국 공동연구에서는 한국의 PM 2.5 초미세먼지 중 32%가 중국에서 날아왔고, 51%는 국내에서 발생한 것으로 조사되었다. 이외에 가정에서도 많은 미세먼지가 발생할 수 있다. 가정에서 사용하는 에너지를 생산하기 위해서도 물론 미세먼지가 발생하지만, 직접적으로 조리 중에도 발생한다. 음식표면에서 15~40nm 크기의 초기입자가 생성되고 재료 중의 수분, 기름 등과 응결하여 그 크기가 커지는 것으로 알려져 있다. 조리법에 따라서 미세먼지 발생량이 다른데, 특히 굽는 조리법에서 미세먼지가 많이 생성된다고 알려져 있다. 미세먼지 측정하기 미세먼지 측정 방법은 크게 방사선 또는 빛의 물리적 특성을 이용하여 간접적으로 측정하는 방법인 베타선 흡수법, 광산란법과 미세먼지의 질량을 저울로 직접 측정하는 방법, 중량농도법이 있다. 베타선 흡수법이란 일정한 시간 포집한 입자를 감기는 테이프에 모아 그 테이프에 베타선을 쪼여 포집 전후의 농도를 비교하는 방법으로, 한 번 농도를 재기 위해 1시간 이상의 시간이 소요되는 단점이 있다. 광산란법이란 빛을 쏘아 측정된 입자의 개수를 가지고 농도를 알아보는 방법으로 산란된 양이 질량 농도에 비례하게 된다. 한 번에 PM 2.5, PM 10 측정이 가능하고 휴대 가능하게 만들 수 있어, 쉽게 구입할 수 있는 대부분의 가정용 미세먼지 측정기는 광산란법을 이용한다. 다만 간접적으로 측정하기 때문에 오차 범위가 크다. 그렇기에, 오차를 줄일 수 있는 방법 중 하나인 팬(fan)이 없다면 정확성을 의심해봐야 한다. 중량농도법은 포집 전후 여과지 무게를 측정해 미세먼지 농도를 알아보는 방법으로, 포집해야 하는 시간이 필요하기 때문에 실시간 측정이 어렵고, 측정하는 과정에서 습도, 온도, 정전기 등에 따른 오차가 발생된다. 반도체 센서를 이용한 미세먼지 측정 방법도 있다. 총휘발성유기화합물(TVOC)은 벤젠 등 수백 종류의 유기화합물질을 측정해 합산한 농도를 말하는데, 이를 측정하기 위한 반도체 센서는 일부 물질만을 측정하여 TVOC농도로 표현하기 때문에 비과학적이라는 평도 있다. 미세먼지 화학으로 해결하기 미세먼지의 구성성분과 발생 경로를 생각해보자. 미세먼지의 탄소핵은 질소산화물, 황산화물이 암모니아와 화학적으로 반응하여 생성시킨 화학물질로 둘러싸여 있다. 따라서 미세먼지의 핵을 이루는 탄소입자, 그리고 휘발성유기화합물의 배출을 억제하는 정책이 필요하다고 볼 수 있다. 미세먼지의 핵이 없다면 껍질도 형성될 일 없기 때문이다. 껍질을 줄이기 위해서는 질소산화물, 황산화물, 암모니아의 대기중 농도를 감소시켜야 한다. 실제로 미세먼지 껍질의 질소산화물, 황산화물의 비중이 암모니아보다 크기에 이들을 감소시키는 것이 더 중요하다고 생각할 수도 있겠다. 그러나, 분자수로 따져보자면, 암모니아의 비율이 더 높다. 일부 사람들이 착각하고 있는 바와 다르게, 질소산화물이 미세먼지에 있어서 가장 중요한 물질이라는 판단 근거가 부족하다는 것이다. 어떤 물질이 미세먼지 껍질 생성에 있어 결정적인 지, 그리고 과연 질소산화물만 없앤다고 해서 미세먼지가 감소할 것인지는 아직은 과학적 검증이 더 필요해 보이는 부분이다. 결론적으로, 이러한 물질의 유입과 생산을 막기 위해선 국제적 협력, 개인과 가정 차원의 친환경 소비 노력, 사업장의 질소산화물 방지시설 강화, 대중교통 사용 장려 및 노후 경유차 처리 등 어떤 한 분야의 노력만이 아닌, 모두의 노력이 필요하다. 이러한 노력을 통해 언젠가는 다시 미세먼지 걱정을 하지 않게 되는 시대가 오기를 기대한다. 방민솔 학생기자│Chemistry│지식더하기 참고자료 [1] 「미세먼지, 도대체 뭘까?」, 환경부, 2016 [2] 최상인, 안정언, 조영민, 「미세먼지 입자의 측정분석원리 고찰」, 공업화학 전망, 제 21호, 2018 [3] 한방우, 「사업장 미세먼지 저감기술 현황」, Air cleaning technology, Vol.31, 2018 [4] 환경부: http://www.me.go.kr/ [5] 한겨레: http://www.hani.co.kr/ 첨부 이미지 출처 [1] 「미세먼지, 도대체 뭘까?」, 환경부, 2016 [2] https://pixabay.com/ko/ [3] https://www.flickr.com/ ⓒ KAIST부설 한국과학영재학교 온라인 과학매거진 KOSMOS

  • 질병과의 전쟁: 유전공학 전성시대

    COVID-19 팬데믹 속 인류는 절체절명의 위기에 놓여 있습니다. 인류의 생활양식은 코로나 이전과 이후로 나뉠 것이라는 말이 있는데, 정말 과언이 아닌 것 같습니다. 하지만, 코로나 이전 훨씬 더 많은 사상자를 낸 말라리아를 아시나요? 말라리아라는 선례를 통해 인류가 유전공학을 이용하여 전염병을 어떻게 대처하고 있는지 알아보고 이러한 기술들과 관련된 과학적, 도덕적 논쟁들을 살펴보도록 하겠습니다. 모기, 전염병, 그리고 인류 유전공학을 이용하여 인류의 가장 위험한 포식자이자 수십억 명의 죽음에 책임이 있는, 지구상에서 가장 치명적인 동물, 모기를 막을 수 있다면 어떨까요? 모기는 뎅기열, 지카바이러스와 함께 지구상에서 가장 잔인한 질병이라고 말할 수 있는 말라리아를 유발합니다. 말라리아는 아마도 역사상 가장 잔인한 살인자일 것입니다. 2015년에만 약 2억 명이 말라리아에 감염되었고 거의 50만 명이 말라리아에 의해 사망했습니다. 이 새로운 기술은 우리가 말라리아를 영원히 근절하는데 도움을 줄 수 있지만 그러기 위해서 우선, 우리는 이전까지 존재한 적이 없는 새로운 동물을 설계할 필요가 있습니다. 이것은 상상 속의 이야기가 아닙니다. 사실, 변형된 모기들은 이미 실험실에 존재하고 있지요. 우리는 과연 이 기술을 사용해야 할까요? 그리고 말라리아는 과연 이 기술에 따른 위험을 감수할 만큼 ‘나쁜’ 질병일까요? 인류의 살인자, 말라리아 살펴보기 말라리아는 Plasmodia라는 단세포 생물에 의해 발생합니다. 모기에 완전히 의존하는 기생충이죠. 말라리아는 모기가 숙주를 물면서 시작됩니다. 모기의 침샘에서 수천 마리의 sporozoites는 모기의 침이 사람의 피부를 관통할 때까지 대기합니다. 체내에 침투한 직후 이들은 간으로 향하는데, 간의 큰 세포들로 조용히 들어가 인간의 면역 체계로부터 숨습니다. 약 한 달간 그들은 여기서 살아있는 세포를 소비하고 다음 형태로 바뀝니다. 그들은 스스로의 복제품을 수천 개를 만들어 증식한 뒤 내부에서 세포를 폭발시킵니다. 이제 수천 마리의 ‘기생충’들이 다음 희생자인 적혈구를 찾기 위해 혈관으로 이동합니다. 이들은 눈에 띄지 않기 위해, 자신들이 죽인 세포의 세포막으로 몸을 감싸지요. 정말 악랄하지 않나요? 그들은 이제 격렬하게 적혈구를 공격하고, 적혈구가 폭발할 때까지 그 안에서 분열을 거듭합니다. 더 많은 적혈구를 찾아내고, 이 악순환은 계속해서 반복되지요. 죽은 세포의 파편들은 강력한 면역 반응을 활성화시키는 독성 폐기물을 많이 퍼뜨리는데 이로 인해 독감에 걸렸을 때 나타나는 증상들, 고열, 땀, 오한, 경련, 두통, 때로는 구토와 설사 등이 발생합니다. 만약 말라리아가 혈액-뇌 장벽을 뚫으면 혼수상태, 신경학적 손상 또는 심지어 사망을 초래할 수 있습니다. 다른 모기가 감염된 사람을 물면, 기생충들은 모기의 몸속으로 대피한 뒤, 다른 사람의 체내에서 이 과정을 반복합니다. 2015년 임산부를 감염시키면 끔찍한 선천성 결함을 일으키는 지카바이러스가 전 세계 새로운 지역으로 급속히 확산되었습니다. 지카바이러스 역시 모기에 의해 운반되었지요. 모기는 적어도 2억년 동안 존재해온 인간 질병의 완벽한 매개체입니다. 지구상에 모기는 수조 마리가 있는데 이들은 한 번에 300개까지 알을 낳을 수 있습니다. 모기들은 실질적으로 근절하기가 불가능한 완벽한 기생충 ‘택시’이지요. 하지만 오늘날 우리는 마침내 그들을 상대로 한 전쟁에서 이길 수 있는 새로운 혁명적인 기술을 가지고 있습니다. 바로 저희가 생물학 및 실험1 시간에 배운 CRISPR-Cas9 이지요. 인류 역사상 처음으로, 우리는 유전자 정보를 우리가 원하는 대로 바꾸면서 전 종을 빠르고 대규모로 변화시킬 수 있는 도구를 가지게 되었습니다. 유전공학의 꽃, CRISPR-Cas9과 유전자 드라이브(Gene Drive) 과학자들은 유전자 공학을 이용해 plasmodium을 대상으로 하는 항체 유전자를 모기 DNA에 추가해 말라리아 기생충에 면역력이 있는 모기를 만들어내는데 성공하였습니다. 이 모기들은 말라리아를 퍼뜨리지 않지요. 하지만 유전 정보를 바꾸는 것만으로는 충분하지 않습니다. 대부분의 유전자는 유전체 내부에 두 가지 버전을 가지고 있기 때문에 편집된 유전자는 절반의 자손에게만 유전될 것입니다. 따라서 단지 2세대가 지나면, 자손의 절반만이 공학적 유전자를 가지고 있을 것입니다. 여러 세대가 지나고 수십억 마리의 모기를 잡는다면 안타깝게도 그 효과는 거의 미미해지지요. 유전자 드라이브(Gene Drive)라고 불리는 유전공학적인 방법이 이 문제를 해결합니다. 이 기술을 통해 새로운 유전자는 다음 세대에서 거의 완전히 기존의 유전자를 압도합니다. 이 기술 덕분에, 모든 공학적 모기 자손들 중 99.5%가 말라리아 예방 편집기를 가지고 다니게 됩니다. 만약 우리가 정상적인 모기들과 교미할 수 있을 만큼 충분히 조작된 모기들을 야생으로 방출한다면, 말라리아 차단 유전자는 매우 빨리 퍼질 것입니다. 새로운 유전자가 모기 개체군의 영구적인 특성이 되면서 plasmodium은 본거지를 잃게 될 것입니다. 과학자들은 그 변화가 너무 빨라서 plasmodium이 충분히 빨리 적응하지 못할 것이라고 희망합니다. 사실상 말라리아를 영원히 박멸할 수 있는 셈이지요. 피할 수 없는 논쟁들, 인류의 미래는…? 매년 약 50만 명의 아이들이 말라리아에 의해 사망한다는 사실을 고려한다면, 여러분이 이 글을 읽기 시작한 이후로 약 5명의 무고한 생명이 우리 곁을 떠나갔습니다. 일부 과학자들은 우리가 그 기술을 더 늦기 전에 하루빨리 사용해야 한다고 주장하지요. 만약 인류의 계획대로 진행된다면 우리는 믿을 수 없는 규모로 수백만 명의 생명을 구하고 고통을 막을 수 있을 것입니다. 그렇다면 우리는 왜 이 축복받은 기술을 아직 적용하지 않았을까요? 첫째로, CRISPR 편집기술은 이제 겨우 8년밖에 지나지 않았습니다. 시간적 여유가 모자랐던 것이지요. 또한, 이에는 몇 가지 타당한 염려가 있습니다. 인간이 이렇게 거대한 규모로 생물체의 유전정보를 의도적으로 조작한 사례는 일찍이 없었습니다. 또한, 유전자 편집은 한번 건너면 되돌아갈 수 없는 강이지요. 그러므로 우리가 자연을 편집하기 시작하면 원치 않는 결과가 있을 수 있기에, 만약 해야만 한다면 그것은 매우 신중히 이루어져야 할 것입니다. 그러나 말라리아의 경우, 유전자 변형이 전체 게놈에 큰 변화를 일으키지 않기 때문에 그 위험은 어느정도 용인될 수 있다는 견해도 있습니다. 최악의 시나리오는 아마도 이 기술이 효과가 없거나 기생충이 부정적인 방식으로 적응하는 경우일 것입니다. 아직 논쟁은 끈임없이 이루어지고 있지요. 유전자 드라이브만큼 강력한 기술은 많은 주의를 기울여 다루어야 하지만, 우리는 스스로에게 다음과 같이 자문해야 합니다. ‘매일 1,000명의 아이들이 사망하는데 과연 이 기술을 사용하지 않는 것이 비윤리적일까요?’ 인류는 앞으로 몇 년 이내에 이 문제를 어떻게 대처할지 결정해야 할 것입니다. 안타깝게도 공개적인 논의는 항상 기술의 발전보다 한발짝 뒤떨어져 있는 것 같습니다. 여러분들의 생각은 어떠한가요? 박준혁 학생기자│Biology│지식더하기 참고자료 [1] https://www.youtube.com/ [2] https://www.nature.com/ [3] https://wyss.harvard.edu/ 첨부 이미지 출처 [1] https://www.theguardian.com/ [2] https://www.labiotech.eu/ [3] https://www.youtube.com/ [4] https://www.mayoclinic.org/ [5] https://en.wikipedia.org/wiki/Gene_drive 첨부 동영상 출처 [1] https://www.youtube.com/ [2] https://wyss.harvard.edu/ ⓒ KAIST부설 한국과학영재학교 온라인 과학매거진 KOSMOS

  • 질병과의 전쟁: 유전공학 전성시대

    COVID-19 팬데믹 속 인류는 절체절명의 위기에 놓여 있습니다. 인류의 생활양식은 코로나 이전과 이후로 나뉠 것이라는 말이 있는데, 정말 과언이 아닌 것 같습니다. 하지만, 코로나 이전 훨씬 더 많은 사상자를 낸 말라리아를 아시나요? 말라리아라는 선례를 통해 인류가 유전공학을 이용하여 전염병을 어떻게 대처하고 있는지 알아보고 이러한 기술들과 관련된 과학적, 도덕적 논쟁들을 살펴보도록 하겠습니다. 모기, 전염병, 그리고 인류 유전공학을 이용하여 인류의 가장 위험한 포식자이자 수십억 명의 죽음에 책임이 있는, 지구상에서 가장 치명적인 동물, 모기를 막을 수 있다면 어떨까요? 모기는 뎅기열, 지카바이러스와 함께 지구상에서 가장 잔인한 질병이라고 말할 수 있는 말라리아를 유발합니다. 말라리아는 아마도 역사상 가장 잔인한 살인자일 것입니다. 2015년에만 약 2억 명이 말라리아에 감염되었고 거의 50만 명이 말라리아에 의해 사망했습니다. 이 새로운 기술은 우리가 말라리아를 영원히 근절하는데 도움을 줄 수 있지만 그러기 위해서 우선, 우리는 이전까지 존재한 적이 없는 새로운 동물을 설계할 필요가 있습니다. 이것은 상상 속의 이야기가 아닙니다. 사실, 변형된 모기들은 이미 실험실에 존재하고 있지요. 우리는 과연 이 기술을 사용해야 할까요? 그리고 말라리아는 과연 이 기술에 따른 위험을 감수할 만큼 ‘나쁜’ 질병일까요? 인류의 살인자, 말라리아 살펴보기 말라리아는 Plasmodia라는 단세포 생물에 의해 발생합니다. 모기에 완전히 의존하는 기생충이죠. 말라리아는 모기가 숙주를 물면서 시작됩니다. 모기의 침샘에서 수천 마리의 sporozoites는 모기의 침이 사람의 피부를 관통할 때까지 대기합니다. 체내에 침투한 직후 이들은 간으로 향하는데, 간의 큰 세포들로 조용히 들어가 인간의 면역 체계로부터 숨습니다. 약 한 달간 그들은 여기서 살아있는 세포를 소비하고 다음 형태로 바뀝니다. 그들은 스스로의 복제품을 수천 개를 만들어 증식한 뒤 내부에서 세포를 폭발시킵니다. 이제 수천 마리의 ‘기생충’들이 다음 희생자인 적혈구를 찾기 위해 혈관으로 이동합니다. 이들은 눈에 띄지 않기 위해, 자신들이 죽인 세포의 세포막으로 몸을 감싸지요. 정말 악랄하지 않나요? 그들은 이제 격렬하게 적혈구를 공격하고, 적혈구가 폭발할 때까지 그 안에서 분열을 거듭합니다. 더 많은 적혈구를 찾아내고, 이 악순환은 계속해서 반복되지요. 죽은 세포의 파편들은 강력한 면역 반응을 활성화시키는 독성 폐기물을 많이 퍼뜨리는데 이로 인해 독감에 걸렸을 때 나타나는 증상들, 고열, 땀, 오한, 경련, 두통, 때로는 구토와 설사 등이 발생합니다. 만약 말라리아가 혈액-뇌 장벽을 뚫으면 혼수상태, 신경학적 손상 또는 심지어 사망을 초래할 수 있습니다. 다른 모기가 감염된 사람을 물면, 기생충들은 모기의 몸속으로 대피한 뒤, 다른 사람의 체내에서 이 과정을 반복합니다. 2015년 임산부를 감염시키면 끔찍한 선천성 결함을 일으키는 지카바이러스가 전 세계 새로운 지역으로 급속히 확산되었습니다. 지카바이러스 역시 모기에 의해 운반되었지요. 모기는 적어도 2억년 동안 존재해온 인간 질병의 완벽한 매개체입니다. 지구상에 모기는 수조 마리가 있는데 이들은 한 번에 300개까지 알을 낳을 수 있습니다. 모기들은 실질적으로 근절하기가 불가능한 완벽한 기생충 ‘택시’이지요. 하지만 오늘날 우리는 마침내 그들을 상대로 한 전쟁에서 이길 수 있는 새로운 혁명적인 기술을 가지고 있습니다. 바로 저희가 생물학 및 실험1 시간에 배운 CRISPR-Cas9 이지요. 인류 역사상 처음으로, 우리는 유전자 정보를 우리가 원하는 대로 바꾸면서 전 종을 빠르고 대규모로 변화시킬 수 있는 도구를 가지게 되었습니다. 유전공학의 꽃, CRISPR-Cas9과 유전자 드라이브(Gene Drive) 과학자들은 유전자 공학을 이용해 plasmodium을 대상으로 하는 항체 유전자를 모기 DNA에 추가해 말라리아 기생충에 면역력이 있는 모기를 만들어내는데 성공하였습니다. 이 모기들은 말라리아를 퍼뜨리지 않지요. 하지만 유전 정보를 바꾸는 것만으로는 충분하지 않습니다. 대부분의 유전자는 유전체 내부에 두 가지 버전을 가지고 있기 때문에 편집된 유전자는 절반의 자손에게만 유전될 것입니다. 따라서 단지 2세대가 지나면, 자손의 절반만이 공학적 유전자를 가지고 있을 것입니다. 여러 세대가 지나고 수십억 마리의 모기를 잡는다면 안타깝게도 그 효과는 거의 미미해지지요. 유전자 드라이브(Gene Drive)라고 불리는 유전공학적인 방법이 이 문제를 해결합니다. 이 기술을 통해 새로운 유전자는 다음 세대에서 거의 완전히 기존의 유전자를 압도합니다. 이 기술 덕분에, 모든 공학적 모기 자손들 중 99.5%가 말라리아 예방 편집기를 가지고 다니게 됩니다. 만약 우리가 정상적인 모기들과 교미할 수 있을 만큼 충분히 조작된 모기들을 야생으로 방출한다면, 말라리아 차단 유전자는 매우 빨리 퍼질 것입니다. 새로운 유전자가 모기 개체군의 영구적인 특성이 되면서 plasmodium은 본거지를 잃게 될 것입니다. 과학자들은 그 변화가 너무 빨라서 plasmodium이 충분히 빨리 적응하지 못할 것이라고 희망합니다. 사실상 말라리아를 영원히 박멸할 수 있는 셈이지요. 피할 수 없는 논쟁들, 인류의 미래는…? 매년 약 50만 명의 아이들이 말라리아에 의해 사망한다는 사실을 고려한다면, 여러분이 이 글을 읽기 시작한 이후로 약 5명의 무고한 생명이 우리 곁을 떠나갔습니다. 일부 과학자들은 우리가 그 기술을 더 늦기 전에 하루빨리 사용해야 한다고 주장하지요. 만약 인류의 계획대로 진행된다면 우리는 믿을 수 없는 규모로 수백만 명의 생명을 구하고 고통을 막을 수 있을 것입니다. 그렇다면 우리는 왜 이 축복받은 기술을 아직 적용하지 않았을까요? 첫째로, CRISPR 편집기술은 이제 겨우 8년밖에 지나지 않았습니다. 시간적 여유가 모자랐던 것이지요. 또한, 이에는 몇 가지 타당한 염려가 있습니다. 인간이 이렇게 거대한 규모로 생물체의 유전정보를 의도적으로 조작한 사례는 일찍이 없었습니다. 또한, 유전자 편집은 한번 건너면 되돌아갈 수 없는 강이지요. 그러므로 우리가 자연을 편집하기 시작하면 원치 않는 결과가 있을 수 있기에, 만약 해야만 한다면 그것은 매우 신중히 이루어져야 할 것입니다. 그러나 말라리아의 경우, 유전자 변형이 전체 게놈에 큰 변화를 일으키지 않기 때문에 그 위험은 어느정도 용인될 수 있다는 견해도 있습니다. 최악의 시나리오는 아마도 이 기술이 효과가 없거나 기생충이 부정적인 방식으로 적응하는 경우일 것입니다. 아직 논쟁은 끈임없이 이루어지고 있지요. 유전자 드라이브만큼 강력한 기술은 많은 주의를 기울여 다루어야 하지만, 우리는 스스로에게 다음과 같이 자문해야 합니다. ‘매일 1,000명의 아이들이 사망하는데 과연 이 기술을 사용하지 않는 것이 비윤리적일까요?’ 인류는 앞으로 몇 년 이내에 이 문제를 어떻게 대처할지 결정해야 할 것입니다. 안타깝게도 공개적인 논의는 항상 기술의 발전보다 한발짝 뒤떨어져 있는 것 같습니다. 여러분들의 생각은 어떠한가요? 박준혁 학생기자│Biology│지식더하기 참고자료 [1] https://www.youtube.com/ [2] https://www.nature.com/ [3] https://wyss.harvard.edu/ 첨부 이미지 출처 [1] https://www.theguardian.com/ [2] https://www.labiotech.eu/ [3] https://www.youtube.com/ [4] https://www.mayoclinic.org/ [5] https://en.wikipedia.org/wiki/Gene_drive 첨부 동영상 출처 [1] https://www.youtube.com/ [2] https://wyss.harvard.edu/ ⓒ KAIST부설 한국과학영재학교 온라인 과학매거진 KOSMOS

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