미래사회의 삶을 살기위한 통합과학 공부

통합과학 교과서 뛰어넘기 1 - 과학적 상상력과 문제해결력을 높여주는 ㅣ 해냄 통합교과 시리즈
신영준 외 지음 / 해냄 / 2020년 1월

인공지능과 구분되는 인간의 강점은 무엇일까요? 인공지능의 시작과 끝에는 인간이 있으며, 결국 인공지능은 가질 수 없는 지성과 감성이 우리에게는 있습니다. 이를 바탕으로 어떤 덕목을 길러야 할까요? 그것은 인간에 대한 이해와 사회에 대한 통찰, 자연과학적 원리 이해, 공학적 능력, 예술적이고 직관적인 능력, 세상에 없는 것을 상상하는 능력 등일 것입니다. 이미 알고 있는 지식을 기반으로 세상의 다양한 현상에 끊임없이 질문을 던지고 새롭게 인식하는 노력이 필요합니다. - '들어가며' 중에서

통합과학의 핵심을 살펴본다

청소년들을 창의융합형 인재로 성장시키기 위해 신설된 '통합과학' 교과는 물리학, 화학, 생명과학, 지구과학으로 구분되어 있던 과학 과목을 서로 유기적으로 연결하며, 미래 사회를 살아가는 데 필수적인 통합적 시각을 길러주는 중요한 역할을 한다. 즉 통합과학의 핵심은 특정 분야에 한정하지 않고 여러 학문을 아우르는 개념이나 원리로 다양한 현상을 설명할 수 있도록 해주는 것이다.

이를 위해 경인교육대학교 과학교육과 신영준 교수와 학교 현장에서 학생들을 가르치는 김호성(화학), 박창용(지구과학), 오현선(생명과학), 이세연(물리학) 교사가 통합과학을 친절하게 안내하고 과학 개념을 완벽하게 이해하는 <통합과학 교과서 뛰어넘기> 2권을 출간했는데, 1권에서는 총 5장에 걸쳐서 주로 자연 현상을 '물질과 규칙성', '시스템과 상호 작용'의 측면에서 다루었다.

멘델레예프가 발견한 원소의 규칙성

원자 번호 101번 Md는 '멘델레븀'이라고 읽는다. 이는 러시아 화학자 드미트리 멘델레예프를 기리기 위해서 이름을 붙였다. 1869년 그는 원소의 성질과 원자량과의 관계에 관한 연구 결과를 발표했다. 여기에는 원소들을 원자량뿐만 아니라 물리적, 화학적 성질도 함께 고려하여 배열함으로써 원소의 성질이 주기적으로 나타나는 것을 표현한 주기율표가 포함되어 있었다.

그는 원소의 성질을 조사하기 위해 여러 장의 카드를 준비하고, 각 카드마다 원소의 특징을 기록한 뒤 바닥에 펼친 후 여러 가지 조합으로 배열을 바꾸면서 일정한 규칙을 찾아냈다. 당시 알려진 63종의 원소를 분류하여 가로축과 세로축에 배열한 표가 바로 멘델레예프의 주기율표이다. 

멘델레예프가 자신만의 주기율표를 완성하게 된 계기와 관련된 일화가 있다. 상트페테르부르크 대학의 화학과 교수였던 그는 기숙사 생활을 하는 학생들이 밤새 카드 게임을 하고 다음 날 아침에 졸린 상태로 강의실에 들어오는 모습을 보고는, 학생들에게 자신이 연구하고 있는 원소의 규칙성을 알려주기 위해서 카드 게임을 도입했던 것이다.

 
그는 종이로 만든 카드에 원소의 성질과 원자량을 적은 다음, 학생들에게 규칙성을 찾아서 배열해 보라고 하고, 배열이 끝난 학생은 기숙사로 돌아가도 좋다고 제안했다. 카드 게임에 자신이 있는 학생들은 몇 번이고 주어진 원소 카드 배열을 시도했다. 자신도 역시 답을 모르고 제안한 것이라 학생들과 함께 수많은 시도를 했는데도 정확한 배열 방법을 찾지 못해 애만 태우며 시간을 보낼 수밖에 없었다.

어느 날, 멘델레예프는 꿈속에서 자신이 고민했던 원소의 규칙성이 반영된 주기율표의 모습을 보게 되었다. 잠에서 깬 그는 꿈속에서 본 장면을 그대로 옮겨 적었는데, 이것이 오늘날 우리가 사용하는 주기율표의 기본 틀이 탄생하는 순간이었다고 한다. 이만큼 그는 오랫동안 원소의 규칙성을 고민하고 연구했던 과학자였음을 보여준다.

과학자들은 물질에 대한 연구를 진행할 때 원소의 특성을 이해하기 위해서 주기율표를 참고한다. 주기율표를 보면서 어떤 원소들이 유사한 성질을 가졌는지, 새로운 물질을 합성할 때 어떤 원소들을 활용할지 등을 생각하는 것이다. 특히, 물질을 다루는 연구를 수행할 때, 주기율표에서 원소들의 규칙성을 이해하는 것은 미지의 물질을 접했을 때의 두려움을 친숙함으로 바꿔주는 역할을 하기도 한다. 

단백질은 어떤 단위체로 이루어졌을까?

도시화와 기후 변화 등으로 인해 미래에는 농작물 생산량이 감소할 것으로 전망한다. 그래서 2003년부터 식용 곤충에 대한 전문가 회의 및 연구가 이루어졌고, 2013년 유엔식량농업기구(FAO)는 곤충을 유망한 미래 식량으로 선정했다. 많은 사람들이 징그럽다고 여기는 곤충이 미래 식량으로 선정된 까닭은 무엇일까? 무엇보다 곤충은 좁은 공간에서 사육하기 쉽고 단백질이 풍부하기 때문이다.

 
단백질을 의미하는 영어 단어 프로틴(protein)은 그리스어 'proreios'에서 유래된 것으로, '첫 번째로 중요하다(primary)'라는 뜻이다. 이와같은 유래만 봐도 우리들은 단백질이 사람을 비롯한 모든 생명체 내에서 생명 현상을 조절하는 필수 성분이며 생명체를 구성하는 주요 물질임을 알 수 있다. 생명체 내에서 화학 반응이 빠르게 일어나도록 도와주는 효소, 생명 활동을 조절하는 호르몬, 병원체를 물리치는 항체도 모두 단백질로 이루어져 있다.

 
단백질은 성장기의 청소년뿐만 아니라 노화가 진행되고 있는 성인에게도 꼭 필요한 물질이고, 머리카락과 손톱, 근육 등도 모두 단백질로 이루어져 있다. 우리 몸의 머리카락은 케라틴 단백질로, 피부는 콜라젠 단백질로, 근육은 마이오신과 액틴 단백질로 이루어져 있으며, 적혈구에 들어 있는 헤모글로빈은 산소 운반을 담당하는 단백질이다. 인간의 몸뿐 아니라 공작의 깃털, 양의 뿔, 거미줄 등과 같이 여러 생물의 몸을 구성하기도 한다. 

근육, 효소, 호르몬을 구성하는 단백질은 서로 다르다. 그렇다면 우리 몸을 구성하는 단백질은 몇 종류일까? 놀라지 마시라. 무려 10만 개나 된다. 이렇게 종류가 많지만 모든단백질은 공통적으로 아미노산이라고 하는 단위체로 구성되어 있으며, 아미노산의 종류는 20가지이다. 이들 아미노산이 다양하게 배열되어 결합함으로써 많은 종류의 단백질이 만들어진다.   

작은 자동차에 탄 사람이 더 큰 충격을 받는다?

뉴턴의 제3법칙에 의하면 큰 트럭과 작은 승용차가 충돌하면 두 자동차는 같은 크기의 충격량을 받는다. 두 자동차가 충돌하는 시간도 같으므로 작용하는 평균 힘의 크기 역시 같다. 그렇다면 탑승자가 받는 충격량도 같을까?

 
그렇지 않다. 두 자동차가 받은 충격량의 크기가 같으므로 두 자동차의 운동량의 변화량도 같지만, 질량이 서로 다르기 때문에 속도 변화, 즉 가속도가 다르다. 큰 트럭은 질량이 크기 때문에 가속도가 작고 작은 승용차는 질량이 작기 때문에 가속도가 더 크다.

두 자동차의 가속도는 각 자동차에 탑승한 탑승자의 가속도이기도 하다. 즉, 작은 자동차에 탄 탑승자가 더 큰 가속도로 움직이는 것이다. 그러나 두 자동차의 탑승자는 비슷한 몸무게(질량)를 가지고 있으므로 질량과 가속도의 곱인 '힘'은 작은 자동차에 탑승한 탑승자에게 더 크게 작용한다. (또는 작은 자동차에 탑승한 탑승자의 운동량의 변화량이 더 크다.) 그래서 작은 자동차에 탑승한 탑승자가 더 큰 충격을 받는 것이다.

만약 일정한 속도로 날아오는 물 풍선을 손으로 잡아 멈춘다면 운동량의 변화는 이미 정해진 상태이다. 그러나 멈추는 시간에 따라 필요한 힘의 크기가 달라진다. 손을 쭉 뻗어 풍선을 잡으면서 즉각 멈추게 한다면 큰 평균 힘이 필요하다. 반면에 손을 뒤로 빼면서 풍선이 날아오는 방향과 같은 방향으로 물 풍선을 받으면 풍선이 서서히 멈출 테니 평균 힘이 작아도 된다. 아래와 같다.

최근 유럽과 일본 등에서는 자동차를 디자인할 때 보행자의 안전을 고려하는 '보행자 보호 규제'를 실시하고 있다. 보행자 보호 규제의 핵심은 차량과 보행자의 충돌 사고가 발생했을 때 보행자가 차량의 보닛 위로 쓰러지게 하는 것이다. 일반적으로 충돌하면 보행자는 차량 진행 방향의 도로에 넘어져서 가해 차량의 추가 충격을 받는 2차 사고로 연결되므로 사망 확률이 높아진다. 

지진을 설명하는 방식, 규모와 진도

지진이 발생하면 언론에서는 "규모 얼마의 지진이 발생했다", "진도 얼마의 지진이 발생했다" 라고 보도한다. 여기서 지진 규모와 진도의 차이는 무엇일까?

지진 규모는 지진에서 방출되는 에너지를 수치화한 것으로 1935년 지진학자 찰스 리히터가 제안한 방식이다. 그의 이름을 따서 리히터 규모라고도 한다. 리히터 규모가 1.0 증가하면 지진에서 방출된 에너지는 10의 1.5승乘, 약 30배 증가한다. 이는 지진 규모 1.0의 차이가 나는 지진에서 방출된 에너지는 30배 차이가 난다는 뜻이다. 따라서 규모 7.0의 지진은 규모 6.0의 지진보다 30배 강하고, 규모 5.0의 지진보다 900배 강하다.

그러나 큰 지진이 발생한다 하더라도 멀리 떨어진 지역에서는 잘 느끼지 못한다. 이와 같이 특정 지역의 지반이 흔들리는 정도를 진도震度라고 합니다. 진도는 지진을 자주 겪는 나라(미국, 일본, 인도, 이스라엘, 필리핀, 타이완, 러시아, 중국 등)에서 각자 사정에 맞게 기준을 정해 사용하고 있다.

 
지진의 진도에 대한 기준이 없었던 우리나라는 2000년까지는 일본 기상청에서 사용하는 진도 계급을 사용하였으나, 2001년부터는 미국 등지에서 사용하고 있는 수정 메르칼리 진도 계급을 사용하고 있다. 아래는 수정 메르칼리 진도 계급의 일부 내용이다. 진도는 지진 규모와 구분하기 위해 로마자를 사용한다. 수치로 말할 때 지진 규모는 소수점 첫째 자리까지 반드시 표기하며, 진도는 정수로만 표기하여 구분한다.

물질대사의 핵심, 생체 촉매

닭가슴살을 먹으면 그 안에 들어 있는 단백질이 곧바로 체내로 흡수되어 근육이 만들어질까? 아니다. 우리들이 먹은 닭가슴살은 위, 소장 같은 소화 기관에서 소화 과정을 거친다. 닭가슴살의 단백질이 크기가 작은 아미노산으로 분해되어야 세포 안으로 들어와 근육 형성에 필요한 단백질로 합성되는 것이다.

 
이와 같이 우리 몸에서는 단백질이 분해되거나 합성되는 화학 반응이 일어나는데, 이를 물질대사라고 한다. 사람을 비롯한 모든 생명체는 물질대사를 통해 생명 활동에 필요한 물질과 에너지를 얻는다. 물질대사는 화학 반응이지만 생명체 밖에서 일어나는 화학 반응과는 다르다.

 
닭가슴살에 들어 있는 단백질이 생명체 밖에서 화학 반응을 통해 분해되려면 염산에 담가 섭씨 200도 이상의 높은 온도에서 하루 동안 두어야 하지만, 생명체 안에서는 물질대사를 통해 이보다 낮은 섭씨 35~ 37도 온도에서 1~2시간 만에 분해된다.

"2권 공부를 이어서 할 계획입니다"