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[기후의 역습(104)] "참다랑어를 살려라"⋯기후변화로 위협받는 참치 초밥
- 과도한 어획으로 멸종 위기에 처했다가 최근 몇 년 동안 회복세를 보이던 참다랑어(참치)가 기후 변화의 맹공으로 생존이 다시 위협받고 있다. 지난 2019년 도쿄 경매에서 한 초밥 재력가는 참다랑어 한 마리를 구입하는데 310만 달러를 지불했다. 당시 원화로 환산해도 30억 원이 넘는 금액이었다. 회색곰과 비슷한 무게인 278kg의 참치는 지금까지 판매된 생선 중 가장 비쌌다. 세계자연기금(WWF)의 사라 글레이서에 따르면 초밥과 회로 식용하는 참치, 특히 참다랑어 종은 전 세계에서 가장 비싼 생선이다. 참다랑어 한 마리는 가장 작고 가장 풍부한 참치 종인 가다랑어 1톤 이상과 맞먹는다. 이런 높은 가치와 초밥에 대한 전 세계적 수요는 참다랑어의 과도한 어획으로 이어졌고 2010년에는 멸종 직전까지 몰렸다. 그러나 최근 몇 년 동안 참다랑어 개체는 세계 각국이 보다 지속 가능한 어획 할당량을 도입하고 불법 어업을 단속한 후 놀라운 회복세를 보였다. 국제자연보전연맹(IUCN)은 2021년 대서양 참다랑어를 '멸종 위기'에서 '최소 관심'으로 등급을 격하했다. 태평양 참다랑어는 종전 최고치로 회복돼 예정보다 10년 앞당겨 국제 목표를 초과했다. 남방 참다랑어는 여전히 멸종 위기에 처해 있지만 IUCN 적색 목록에서는 더 이상 '심각한 멸종 위기'는 아니다. 그러나 참다랑어는 이제 또 다른 주요 도전인 기후 변화에 직면해 있다. 연구에 따르면 참다랑어는 기온 변화에 매우 민감하며, 약간의 온도 변화에도 신진대사, 번식 및 먹이 습관에 영향을 받는다. 과학자들은 참다랑어의 이러한 변화가 다른 해양 생물과 어촌 사회에 영향을 미칠 수 있다고 경고한다. 1.8~3m 길이의 참다랑어는 세계에서 가장 큰 참치 종이다. 최대 40년까지 살 수 있으며 청어와 고등어를 포함한 물고기 떼를 시력으로 감별해 사냥하는 최상위 포식자이다. 이 온혈 물고기는 지구상에서 가장 빠르게 수영하는 어종이기도 하다. 매년 수천 마일을 이동하여 산란하고 사냥한다. 그런데 이런 이동 패턴이 기후 변화로 변화하기 시작했다. 기온상승으로 서식지 북쪽으로 이동 해수 온도가 상승함에 따라 참다랑어는 더 차가운 물을 찾아 북쪽으로 이동하고 있다. 국립해양수산청의 최근 연구에 따르면 크고 작은 대서양 참다랑어가 매년 4~10km의 속도로 매사추세츠 해안에서 북쪽으로 이동하고 있다. 아일랜드 과학자들은 2019년에 6마리의 거대한 대서양 참다랑어가 기존 아일랜드와 비스케이만 또는 중부 대서양 사이의 이동 경로를 벗어나 아이슬란드를 향해 더 북쪽으로 이동했다는 사실을 발견했다. 이는 해양 열파에 대한 참다랑어의 대응으로 분석됐다. 북해, 스칸디나비아, 아이슬란드 주변 등 특이한 지역에서 참다랑어의 먹이 사냥이 목격되고 있다. 이미 이동 패턴은 눈에 띄게 바뀌고 있다. 기온 상승이 산란지에 미치는 영향에 대한 우려도 있다. 6월과 7월에 대서양 참다랑어는 산란을 위해 지중해로 몰려든다. 지중해는 세계에서 가장 중요한 참다랑어 어장이다. 그러나 지중해는 또한 기후의 핫스팟으로 부상했다. 세기말까지 지중해의 평균 해수면 온도는 섭씨 1~3도 상승할 것으로 예상된다. 큰 바다만큼 해류가 활발하지 않기 때문에 기후 변화의 영향을 더 크게 받는 것이다. 어린 참다랑어, 50년내 지중해서 퇴출 전망 영국 사우스햄튼 대학교의 연구에 따르면 기온 상승으로 인해 향후 50년 이내에 어린 참다랑어가 지중해에서 퇴출될 수 있다. 연구에 따르면 해양 온도가 섭씨 28도를 초과하면 어린 참다랑어의 신진대사와 성장에 부정적인 영향을 미친다. 이 온도 한계선은 사우스햄튼 대학교의 클라이브 트루먼 교수팀이 규명한 것이다. 연구팀은 참다랑어의 귀를 통해 신진대사를 분석하는 선구적인 방법을 개발했다. 연구팀은 물고기의 내이(속귀)에 있는 탄산칼슘 구조인 이석(otolith)의 특징을 분석했다. 이석 구조는 물고기가 균형을 잡고 소음과 진동을 감지할 수 있게 해준다. 이석은 나무의 나이테와 같이 물고기의 나이를 나타내며 과거의 환경 조건을 보여주는 동위 원소를 포함하고 있다. 산소 동위 원소는 물고기가 살아오면서 경험한 역대의 수온을 보여주며, 탄소 동위 원소는 물고기가 음식을 에너지로 전환하는 속도, 즉 신진대사를 나타낸다. 연구팀은 "이 두 가지를 합치면 물고기가 살았던 온도와 대사율을 알 수 있다"고 말한다. 참다랑어 뼈가 밝힌 세부 정보 수준은 전례가 없이 놀라운 수준이었다고 한다. 참다랑어가 산란하기 위해서는 따뜻한 물이 필요하다. 온도가 섭씨 20도에 도달하면 알이 발달하지만, 그 이상으로 따뜻해지면 대사율이 감소하기 시작한다. 그 한계가 28도였던 것이다. 지중해의 온도는 2024년 8월 이 한계를 넘어섰고, 일일 평균 표면 온도는 기록적인 28.45도에 도달했다. 참다랑어가 대부분의 시간을 수심 20m에서 보내는 것을 감안하면, 지중해의 어린 1년 미만의 참다랑어에게 표면 수온은 매우 중요하다. 연구팀은 바닷물 온도가 상승함에 따라 참다랑어는 지중해에서 더 시원한 비스케이만 등으로 산란 지역을 옮길 것으로 예상된다고 밝혔다. 어린 참다랑어가 비스케이만의 기존 멸치 및 정어리 어장에서 부수적으로 잡힐 수 있다는 의미다. 연구팀은 이러한 어종 분포 변화에 대응하기 위해 모니터링을 변경하거나 어업 규정을 바꾸는 것을 생각해야 한다고 지적했다. 참다랑어 이동 패턴 변화로 어업 붕괴 위기 참다랑어 이동 패턴의 변화는 생계를 위해 참치를 잡는 어촌 사회에도 영향을 미칠 것이다. 지중해의 많은 어촌 공동체는 역사적으로 특정 시기에 해안을 지나가는 참다랑어에 의존해 왔다. 기후 변화로 이동 패턴이 바뀌면 더 이상 신뢰할 수 있는 어업이 어렵다. 소규모 어촌 공동체는 지난 20년 동안 참다랑어 어획을 제한하는 조치의 영향을 이미 받았다. 엄격한 어획 할당량으로 인해 참다랑어 어업 산업은 많이 붕괴됐다. WWF의 글레이서 박사는 참다랑어 개체수가 최근 몇 년 동안 회복되었지만 "불행히도 멸종 위기는 여전히 사라지지 않았다"라며 참다랑어를 구하기 위한 세계적 노력은 지속되어야 할 것이라고 강조했다.
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- ESGC
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[기후의 역습(104)] "참다랑어를 살려라"⋯기후변화로 위협받는 참치 초밥
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[신소재 신기술(141)] 칼텍, 인체 내 특정 부위에 치료 약물 전달하는 구형 마이크로 로봇 개발
- 미국 캘리포니아 공과대학교(칼텍·Caltech) 과학자들이 생체적합형 미세 하이브리드 마이크로 로봇을 개발해, 치료용 약물을 원하는 신체 부위에 주입하는 데 성공했다. 미래에는 치료용 약물을 체내 필요한 곳에 정확히 전달하는 것이 소형 로봇의 과제가 될 것이다. 금속 휴머노이드 로봇이나 생체를 모방한 로봇이 아니라 눈에 보이지 않을 정도로 작은 거품과 같은 구체가 될 것이다. 체내 실핏줄을 따라 이동해야 할 것이기 때문이다. 이러한 로봇의 개발은 까다롭다. 위산과 같은 체액으로부터 생존해야 하고 외부에서 제어가 가능해야 한다. 그래야 정확하게 목표 부위로 향할 수 있다. 또 목표에 도달했을 때만 치료제를 방출해야 하며, 그 후에는 인체에 해를 끼치지 않고 신체 내에서 흡수되어야 한다. 이런 모든 요건을 충족하는 마이크로 로봇이 칼텍(Caltech) 연구팀에 의해 개발되었다고 칼텍이 공식 홈페이지를 통해 밝혔다. 연구팀은 로봇을 사용해 쥐의 방광에 발생한 종양의 크기를 줄이는 치료제를 성공적으로 전달했다. 관련 논문은 사이언스 로보틱스(Science Robotics) 저널에 게재됐다. 연구팀이 개발한 로봇은 '생체흡수성 음향 마이크로 로봇(BAM)'이라고 명명됐다. 연구팀의 레이 가오 박사는 "약물을 신체에 주입하면 신체 모든 곳으로 확산된다. 우리가 개발한 마이크로 로봇은 종양 등 치료 대상 부위로 직접 안내해 통제되고 효율적인 방식으로 약물을 방출할 수 있다"고 말했다. 마이크로 또는 나노 로봇 개념은 새로운 것은 아니다. 전문가들은 지난 20년 동안 마이크로 로봇을 개발해 왔다. 그러나 혈액, 소변 또는 타액과 같은 복합적인 생체 유체에서 로봇을 정밀하게 움직이는 것은 매우 어렵기 때문에 생물 대상 적용은 제한적이었다. 특히 생체적합성 및 생체흡수성으로 신체에 독성 물질을 남기지 않아야 하는데, 이 역시 난제였다. 칼텍에서 개발한 마이크로 로봇은 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트라는 하이드로겔로 만들어진 미세한 구체다. 하이드로겔은 액체 또는 수지 형태로 시작해 내부에 있는 폴리머 네트워크가 굳어지면 고체가 되는 재료이다. 이러한 특성으로 하이드로겔은 다량의 액체를 유지할 수 있고, 많은 하이드로겔이 생체적합성을 갖는다. 또한 적층 제조 방법을 통해 구체의 외부에 치료용 약물을 탑재, 신체 내 목표 부위로 운반할 수 있다. 하이드로겔 레시피를 만들기 위해 연구팀의 일원이었던 줄리아 그리어는 '2광자 중합(TPP) 리소그래피'라는 기술을 활용, 3D 프린팅을 연상시키는 방식으로 복잡한 형태의 구조를 층층이 쌓아 올려 완성했다. 이 기술은 적외선 레이저 펄스를 사용해 특정 패턴에 따라 매우 정밀한 방식으로 감광성 폴리머를 가교시키는 기술이다. 그리어 팀은 직경 30마이크론의 미세 구조를 인쇄하는 데 성공했다. 이는 사람의 머리카락 직경과 비슷하다. 최종적으로 마이크로 로봇은 구체의 바깥쪽 내부에 자성 나노 입자와 치료 약물을 넣었다. 자성 나노 입자는 외부에서의 통제를 위한 것으로, 외부 자기장을 사용해 로봇을 원하는 위치로 안내할 수 있게 한다. 로봇이 목표 부위에 도달하면 그 자리에 머무르고 약물을 주입하게 된다. 연구팀은 마이크로 로봇의 외부를 친수성으로 설계해 구형 로봇이 신체를 통과할 때 뭉치지 않도록 했다. 그러나 마이크로 로봇의 내부는 기포를 가두어야 하기 때문에 친수성이어서는 안 된다. 그렇지 않으면 기포는 쉽게 붕괴되거나 용해된다. 가두어진 기포는 로봇을 이동시키고 실시간 이미징으로 추적하기 위해 중요하다. 외부는 친수성이고 내부는 소수성, 즉 물에 대한 저항성을 모두 갖춘 하이브리드 마이크로 로봇을 만들기 위해 연구팀은 2단계 화학적 변형을 고안했다. 먼저, 하이드로겔에 긴 사슬 탄소 분자를 부착해 전체 구조를 소수성으로 만들었다. 그런 다음 산소 플라즈마 에칭 기술을 사용해 외부의 긴 사슬 탄소 구조 일부를 제거함으로써 외부는 친수성으로, 내부는 소수성으로 남겼다. 이것이 이번 연구 프로젝트의 핵심 혁신이었다. 가오는 "내부는 소수성이고 외부는 친수성인 비대칭 표면 변형을 통해 소변이나 혈청과 같은 생체 유체에 장시간 기포를 가둘 수 있게 됐다“고 설명했다. 구형 마이크로 로봇 안에 있는 기포는 초음파 영상 대조제 역할을 한다. 기포를 통해 생체 내에서 움직이는 로봇을 실시간으로 모니터링할 수 있다. 연구팀은 마이크로 로봇이 목표 지점으로 이동하는 것을 추적하는 방법도 개발했다. 연구의 마지막 단계는 방광 부위에 종양이 있는 쥐에 대한 테스트였다. 연구팀은 21일 동안 마이크로 로봇을 통해 네 차례 치료제를 전달했다. 그 결과 로봇이 전달하지 않은 치료제보다 종양을 줄이는 데 더 효과적이라는 사실이 규명됐다. 연구팀은 이번 개발 결과는 환자에 대한 약물 전달 및 정밀 수술을 위한 매우 유망한 플랫폼이 될 것이라고 자평하고 사람에 대한 임상 실험을 거쳐 상용화가 필요하다고 주장했다.
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- IT/바이오
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[신소재 신기술(141)] 칼텍, 인체 내 특정 부위에 치료 약물 전달하는 구형 마이크로 로봇 개발
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가구 평균 소득, '역대 최대폭' 증가…2030세대, 소득 부진
- 지난해 한국 가구의 평균소득이 역대 최대 폭으로 증가했다. 9일 통계청이 발표한 2024년 가계금융복지조사에 따르면, 2023년 가구의 평균소득은 7185만원으로, 전년(6762만원)보다 6.3% 상승하며 2011년 통계 집계 이후 가장 큰 증가폭을 기록했다. 근로소득과 사업소득은 각각 5.6%와 5.5% 증가했으며, 재산소득은 28.1% 급등하며 소득 비중을 7.8%로 끌어올렸다. 반면, 청년층의 소득 증가율은 물가 상승률의 3분의 1에도 미치지 못한 것으로 나타났다. 39세 이하 가구의 소득은 1.1% 증가에 그쳤으며, 이는 8년 만에 가장 낮은 증가율이다. 취업자의 수가 감소한 청년층(15~29세) 고용률 부진이 주요 원인으로 꼽혔다. 소득분배 지표는 일부 개선된 모습이다. 근로연령층의 지니계수는 소폭 하락했으며, 은퇴연령층의 지니계수도 개선됐다. 하지만 은퇴연령층 남성의 상대적 빈곤율은 상승했다. 은퇴 후 적정 생활비는 월 336만원으로, 전년보다 소폭 증가했다. [미니해설] 평균 소득 급증⋯소득 불평등 여전해 한국의 가구 평균소득은 지난해 급증했지만, 소득 불평등 문제는 여전히 존재한다. 통계청이 발표한 2024년 가계금융복지조사 결과에 따르면, 지난해 가구의 평균소득은 7185만원으로 6.3% 증가하며 사상 최대폭의 증가를 기록했다. 특히 근로소득과 사업소득이 각각 5.6%, 5.5% 증가했으며, 재산소득은 28.1%로 급등했다. 재산소득의 비중은 6.4%에서 7.8%로 상승했다. 이는 자산 보유 가구의 소득이 크게 늘어났음을 시사한다. 39세 이하 가구의 소득 1.1% 증가 그러나 소득 증가율에서 차이를 보였다. 39세 이하 가구의 소득은 1.1% 증가에 그쳤고, 이는 물가 상승률(3.6%)의 약 3분의 1에도 미치지 못한 수준이다. 청년층의 소득 증가율이 저조한 이유는 여러 가지가 있지만, 청년층의 고용 시장 부진이 결정적인 요인으로 작용했다. 청년층 취업자는 전년보다 9만8000명 감소했으며, 고용률도 하락했다. 이로 인해 청년가구 소득이 거의 증가하지 않은 셈이다. 재산소득 급등 세부적으로 살펴보면, 근로소득이 가장 큰 비중을 차지하는 가운데, 재산소득의 급등이 눈에 띈다. 지난해 재산소득은 559만원으로, 28.1% 급증했다. 이는 고정 자산 보유와 재산 소득 증대가 주요 원인으로 해석될 수 있다. 특히 상위 소득층은 재산소득 비중이 늘어나며, 가계 전체 소득 증가에 크게 기여했다. 또한, 고용지표가 좋았던 일반 가구에 비해 2030세대의 가구 소득 증가율이 부진했던 것도 중요한 요소다. 이에 대해 통계청은 "소득이 상대적으로 낮은 1인 가구의 증가가 큰 영향을 미쳤다"고 설명했다. 소득 분배 지표인 지니계수와 5분위 배율은 전반적으로 개선된 모습을 보였다. 근로연령층의 지니계수는 0.302로 0.001p(포인트) 감소했으며, 은퇴연령층도 0.003p 하락했다. 그러나 은퇴연령층 남성의 상대적 빈곤율은 상승했다. 상대적 빈곤율은 중위소득의 50%에 속한 인구를 전체 인구로 나눈 비율이다. 특히 66세 이상 은퇴연령층 남성의 빈곤율은 33.3%로 전년보다 0.6%p 상승했다. 반면 여성의 상대적 빈곤율은 44.8%로 0.2%p 소폭 감소했다. 이는 여전히 은퇴 후 경제적 어려움을 겪는 계층이 많다는 것을 나타낸다. 경제적 양극화 심화 우려 이러한 소득의 불균형은 한국 사회에서의 경제적 양극화를 더욱 심화시킬 수 있다. 청년층과 은퇴연령층 간 소득 격차가 커지고 있으며, 재산소득 증가가 일부 가구에만 집중되면서 소득 불평등 문제를 해결하기 위한 정책적 노력이 필요하다. 정부는 "균등한 소득 분배를 위한 정책이 강화되어야 한다"고 강조하고 있지만, 실제로는 여전히 소득 불평등의 구조적 문제는 해결되지 않고 있다. 특히, 청년층의 고용 불안정과 은퇴 후 경제적 빈곤 문제는 심각한 사회적 문제로 남아있다. 은퇴 후 적정 생활비로 월 336만원이 필요하다는 조사 결과에서도, 이들이 은퇴 이후 재정적 어려움을 겪을 가능성이 높음을 알 수 있다. 따라서 향후 정책은 소득 격차 해소와 청년층 및 은퇴연령층의 경제적 안전망을 강화하는 방향으로 나아가야 할 것이다.
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가구 평균 소득, '역대 최대폭' 증가…2030세대, 소득 부진
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[신소재 신기술(140)] 일본 연구진, 햇빛·물로 수소 연료생산하는 새로운 개념 반응기 시연
- 일본 연구진이 햇빛과 물을 이용해 재생 가능한 수소 연료를 생산할 수 있는 새로운 개념 증명 반응기를 시연했다. 특수 광촉매를 이용하는 이 기술은 저렴하고 풍부하며 지속 가능한 수소 연료 생산에 기여할 것으로 기대된다고 라이브사이언스, 인터레스팅엔지니어링등 다수 외신이 전했다. 현재 수소는 대부분 천연 가스에서 추출되기 때문에 화석 연료 의존도를 낮추는 데 한계가 있다. 하지만 이번에 개발된 기술은 햇빛을 이용해 수소를 생산할 수 있어, 향후 수소 에너지 시대를 앞당기는 데 중요한 역할을 할 것으로 전망된다. 새로운 100㎡(1076제곱피트) 규모의 반응기는 광촉매 시트를 사용하여 물 분자에 있는 산소와 수소 원자를 분리하고, 이를 통해 수소를 추출해 연료로 사용한다. 신슈대학교의 카즈나리 도멘 교수 연구팀은 이번 연구 결과를 국제 학술지 '프론티어스 인 사이언스'에 발표했다. 도멘 교수는 "광촉매를 이용한 햇빛 기반 물 분해는 태양 에너지를 화학 에너지로 변환하고 저장하는 이상적인 기술"이라며 "최근 광촉매 소재 및 시스템의 발전으로 실현 가능성이 높아졌지만, 여전히 많은 과제가 남아 있다"고 밝혔다. 이 기술의 핵심 원리는 물을 산소와 수소로 분해하는 것이다. 간단해보이지만 이는 에너지 집약적인 과정이며, 특수광촉매가 필요하다. 광촉매는 빛에 노출되면 물을 구성 요소로 분해하는 화학 반응을 촉진한다. 이러한 개념은 새로운 것이 아니지만 기존의 '1단계' 광촉매는 효율이 낮고 태양 에너지-수소 전환율이 미미했다. 연구팀은 '2단계'로 구성된 더 효율적인 물 분해 과정을 선택했다. 이 시스템에는 하나의 광촉매가 첫단계에서는 물에서 산소를 분리하고 다음 단계에서는 수소를 제거한다. 팀은 이 과정을 위한 광촉매를 개발함으로써 3년 동안 작동한 시제품 반응기를 제작할 수 있었고, 연구실에서 사용하는 자외선보다 실제 햇빛을 사용했을 때 더 잘 작동하는 것을 확인했다. 연구팀의 하사토미 타카시 박사는 "태양 에너지 변환 기술은 밤이나 악천후에서는 작동할 수 없지만, 햇빛 에너지를 연료의 화학 에너지로 저장하면 언제 어디서근 사용할 수 있다"고 설명했다. 팀은 100㎡ 규모의 반응기를 3년간 운영해 개념 증명에 성공했다. 이 반응기는 실제 햇빛에서 실험실 조건보다 더 나은 성능을 보였다. 하사토미 박사는 "자외선에서 반응하는 광촉매를 사용하는 우리 시스템에서 태양 에너지 변환 효율은 자연광에서 약 1.5배 높았다"고 설명했다. 그러나 현재 시뮬레이션된 햇빛에서의 효율은 최대 1%이며 자연광에서는 5% 효율에 도달하지 못하는 한계가 있었다. 연구팀은 5% 효율 장벽을 깨기 위해 더 많은 연구자들이 더 효율적인 광촉매를 개발하고 더 큰 실험 반응기를 구축해야 한다고 강조했다. 아직 초기 단계인 이 기술이 상용화되면 수소 에너지 생산 비용을 낮추고, 친환경 에너지 구축에 크게 기여할 것으로 예상된다.
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[신소재 신기술(140)] 일본 연구진, 햇빛·물로 수소 연료생산하는 새로운 개념 반응기 시연
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[퓨처 Eyes(59)] 햇빛 먹는 동물? 광합성 동물 세포 탄생!
- 햇빛을 받아 에너지를 만드는 동물, 상상이나 해봤는가? '광합성을 하는 동물'은 마치 SF 영화 속 이야기 같지만, 이제 현실이 되고 있다. 일본 도쿄대학교 마츠나가 사치히로 교수 연구팀은 동물 세포에 조류(藻類)의 엽록체를 이식해 광합성을 가능하게 하는 혁신적인 기술을 개발했다. 이는 동물과 식물의 생물학적 경계를 허물며 의학, 식량 생산, 환경 개선 등 다양한 분야에서 획기적인 변화를 예고한다. 50년 넘는 난제, 마침내 해결! 광합성은 햇빛, 물, 이산화탄소를 이용해 산소와 포도당을 생성하는 과정으로, 지구 생태계를 유지하는 핵심이다. 식물, 조류, 일부 박테리아가 광합성을 통해 스스로 영양분을 만들고 산소를 생성한다. 이는 동물의 생존에 필수적인 요소다. 동물 세포에 광합성 기능을 도입하려는 시도는 1970년대부터 있었지만, 동물 세포가 엽록체를 이물질로 인식하고 파괴하는 면역 반응 때문에 번번이 실패했다. 마츠나가 교수 연구팀은 이러한 난제를 해결하기 위해 동물 세포의 고온 환경(37℃)에서도 생존 가능한 홍조류(紅藻類)인 시아니디오시존 메롤래(Cyanidiochyzon merolae) 엽록체를 선택하고, 동물 세포가 엽록체를 '먹이'로 섭취하도록 유도해 면역 반응을 우회하는 전략을 사용했다. 이 홍조류는 이탈리아의 화산 온천에서 자라고 37℃ 이상의 온도에서 광합성을 할 수 있었다. 연구팀은 이 엽록체를 동물 세포에 강제로 주입하는 대신 배양액에 첨가한 다음 중국 햄스터 난소 세포에 먹였다. 동물 세포, 엽록체와 공존하며 광합성하다! 그 결과, 동물 세포는 엽록체를 파괴하지 않고 최대 48시간 동안 공존하며 광합성 초기 반응을 성공적으로 나타냈다. 뿐만 아니라 엽록체로부터 추가적인 에너지를 공급받아 성장 속도가 증가하는 현상도 확인됐다. 연구팀은 이틀간의 공동 배양 직후 세포의 1%가 "엽록체가 풍부해졌다"고 밝혔다. 이는 엽록체를 7개 이상 흡수했다는 의미다. 추가로 20%의 세포는 엽록체가 1개에서 3개 사이인 것으로 밝혀졌다. 중요한 것은 이들 엽록체가 이틀 동안 더 활동했으며, 이 기간 동안 숙주 세포가 빠른 속도로 성장했다는 점이다. 이는 엽록체가 잠재적으로 탄소 공급원으로 작용하면서 광합성이 실제로 일어나고 있음을 나타난다고 IFL 사이언스가 전했다. 마츠나가 교수는 "50년 동안 모든 생물학 연구자들이 포기했던 일을 해냈다는 사실에 놀랐다"며 이번 연구 성과에 대한 소감을 밝혔다. 생물학의 경계를 허물다 연구팀은 이러한 동물-식물 잡종 세포를 영어의 식물(plant)과 동물(animal)을 합성한 신조어인 '플래니멀(planimal)' 세포라고 이름을 붙였다. 이 기술은 동물 세포가 스스로 에너지를 생성하는 가능성을 열며 생명과학의 패러다임을 바꾸고 있다. 엽록체를 통해 공급받은 에너지로 동물 세포의 성장 속도가 증가하는 현상이 확인되면서, 자율적인 에너지 생산 시스템 구축에 대한 기대감이 높아지고 있다. 의학·식량·환경, 응용의 무한 가능성 이번 기술은 바이오산업의 여러 분야에서 실질적인 변화를 가져올 것으로 예상된다. 먼저, 의료 분야에서는 심장병 환자의 손상된 심장에 광합성 세포를 이식하여 빛으로 산소를 공급, 회복을 돕는 치료법이 개발될 수 있다. 또한, 산소 공급의 한계를 극복해 대형 조직 배양 및 이식 기술을 크게 발전시킬 수 있다. 식량 생산 분야에서는 배양육 생산에 광합성 동물 세포를 활용하여 외부 산소 공급 없이 자체적으로 산소를 생성, 생산 비용을 절감하고 효율성을 극대화할 수 있다. 이는 지속 가능한 식량 생산의 돌파구가 될 전망이다. 환경 문제 해결에도 기여할 수 있다. 광합성 동물 세포는 이산화탄소를 흡수하고 산소를 배출하는 기능을 통해 탄소 배출 감소와 환경 복원에 기여할 수 있으며, 탄소 중립 목표를 추구하는 기업들에게 획기적인 솔루션을 제공할 수 있다. 남은 과제와 미래 전망 물론 아직 넘어야 할 산도 있다. 추가 관찰 결과 이 이식된 엽록체는 2일 후에 분해되기 시작해 4일째 완전히 파괴됐다. 이 기술을 완성하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하지만, 연구팀은 "이미 합성 생물학 기반 접근법이 인공 광합성 동물 세포를 만드는 데 기초가 될 수 있다"며 이번 연구 성과에 대해 기대감을 드러냈다. 그럼에도 불구하고 광합성 기능을 안정적으로 유지하려면 엽록체의 장기 생존 및 효율적인 공생 메커니즘 구축이 필수적이다. 또한, 이 기술이 대규모로 활용되기 위해서는 사회적 수용성과 윤리적 검토도 병행되어야 한다. 광합성 동물 세포 기술은 생명공학의 새로운 문을 열며, 지속 가능한 미래를 위한 혁신적인 도구로 자리매김할 전망이다. 이 기술이 의학, 식량, 환경 등 다양한 분야에서 어떠한 변화를 가져올지, 앞으로의 발전이 더욱 기대된다. 이번 연구는 단순한 학문적 성과를 넘어, 미래 바이오산업의 초석이 될 기술적 기반을 제공했다는 점에서 주목할 만하다. "동물이 햇빛을 먹는다"는 발상이 이제는 더 이상 SF 영화 속 이야기가 아닌, 현실로 다가오고 있는 것이다. 이 연구 결과는 '일본 학술원 회보 B(proceedings of tje Japan Academy, Series B)' 저널에 게재됐다.
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[퓨처 Eyes(59)] 햇빛 먹는 동물? 광합성 동물 세포 탄생!
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[기후의 역습(84)] 기후 변화로 바다 독성 점점 더 강해져
- 지구 온난화로 바다의 독성이 점점 더 강해지고 있는 것으로 나타났다. 바다는 따뜻해지고 산성화되면서 산소를 잃고 있다. 이는 기후 변화의 잘 알려진 결과물이다. 이러한 변화가 해양 환경의 오염 물질에 영향을 미쳐 바다 독성을 더욱 강화시키고 있다는 연구 결과가 나와 주목된다고 사이테크데일 리가 전했다. 새로운 연구는 바다의 미량 오염 물질과 기후 변화의 상호작용을 조사한 것이다. 그 결과는 네이처의 지구와 환경 저널(Communications Earth & Environment)에 게재됐다. 기후 변화를 이끄는 많은 오염 물질이 바다로 방출되고 있다. 연구를 주도한 지오마르 헬름홀츠 해양연구센터(GEOMAR Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel)의 해양 화학자 레베카 지톤 박사는 "바다의 미량 원소가 기후 변화의 영향을 어떻게 받는가를 이해하고 싶었다. 지금까지 이에 대한 연구는 거의 이뤄지지 않았다. 연구진은 인간이 유발한 원인과 자연적인 원인 두가지를 모두 조사했다"고 설명했다. 납, 수은, 카드뮴과 같은 금속은 산업이나 화석연료 연소와 같은 인간 활동을 통해서만 바다에 유입되는 것이 아니다. 기후 변화로 인해 자연적인 공급원도 변화하고 있다. 해수면 상승, 강 범람 또는 고갈, 해빙과 빙하 용융 등 모든 과정이 오염 물질 흐름을 촉진시키고 있다. 이 연구는 해양 환경 보호의 과학적 측면에 대한 유엔 공동 전문가 그룹(GESAMP)의 실무 그룹 분석 결과를 요약한 것으로, 해양의 금속 오염 물질에 초점을 맞추고 있다. 이 실무 그룹은 모나코 국제원자력기구(IAEA)의 해양 환경 연구실 전 책임자이자 GEOMAR의 해양 광물 자원 교수 실비아 샌더 박사가 시작했다. 알프레드 베게너 연구소, 헬름홀츠 극지 및 해양 연구 센터(AWI)의 크리스토프 뵐커도 참여했다. 샌더 박사는 "실무 그룹은 기후 변화와 온실가스가 해양 오염 물질에 미치는 영향에 초점을 맞췄다"며 북극 해역의 수은 농도 상승을 예로 들었다. 빙하가 녹고 영구 동토층이 해빙되고 해안이 침식하는 등 자연 공급에 의한 수은 방출 때문에 일어난 현상이다. 전통적인 어업에 의존하는 지역 사회에 특히 위협이 되는데, 수은이 먹이 사슬에 축적되어 오염된 생선을 섭취하기 때문이다. 샌더 교수는 "인간 활동으로 인해 납과 같은 독성 금속의 전 세계 유입량은 산업화 이전 수준에 비해 10배, 수은은 3~7배 증가했다"라고 말하며 "은과 같은 독성 원소는 석탄 연소와 항균 제품에서 은 나노입자의 사용이 증가함에 따라 해안 해역에서 점점 더 많이 검출되고 있다"고 우려했다. 또 해양 운송과 플라스틱 사용도 중금속 확산에 기여한다. 플라스틱은 물에서 구리, 아연, 납과 같은 금속과 결합할 수 있다. 결합된 오염 물질은 또한 먹이 사슬로 유입될 수 있다. 미래에는 해양 개발이 증가함에 따라 인간의 중금속 오염이 더욱 증가할 수 있다. 해수 온도 상승, 해양 산성화, 산소 고갈과 같은 기후 변화는 다양한 방식으로 미량 원소에 영향을 미친다. 수온이 높아질수록 수은과 같은 미량 원소의 해양 생물에 의한 생체 이용과 흡수가 증가한다. 이는 높은 온도가 신진대사를 촉진하고, 산소 용해도를 감소시키며, 아가미 환기를 증가시켜 더 많은 금속이 생체에 들어가 체내에 축적되기 때문이다. 바다는 인간이 방출하는 이산화탄소의 대부분을 흡수한다. 이 때문에 더 산성화되어 pH 수준이 떨어진다. 이는 구리, 아연 또는 철과 같은 금속의 용해도와 생체 이용률을 증가시킨다. 이 효과는 특히 구리에서 두드러지는데, 구리는 고농도에서 많은 해양 생물에 강한 독성을 일으킨다. 특히 해안 지역과 해저에서 산소가 고갈되면서 미량 원소의 독성 효과가 커진다. 이는 홍합, 게 및 기타 갑각류와 같이 해저에 서식하는 생물체에 스트레스를 준다. 인간 활동은 두 가지 방식으로 해안 지역의 오염 물질의 양에 영향을 미친다. 직접적으로는 오염 물질을 곧바로 방출하는 것이고, 간접적으로는 인간이 유발한 기후 변화가 자연에 미치는 영향을 통해서다. 연구는 그러나 기후 변화가 해양의 오염 물질에 어떤 영향을 미치는지에 대한 데이터가 여전히 부족하다는 사실도 보여준다. 실무 그룹은 오염 물질에 대한 연구를 확대해야 한다고 강조한다. 또한 더 나은 모델과 규제법을 통해 바다에 영향을 미치는 오염 물질에 대한 통제를 강화해야 한다고 권고한다.
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[기후의 역습(84)] 기후 변화로 바다 독성 점점 더 강해져
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일본, 세계 최초 나무 인공위성 발사 성공…우주쓰레기 문제 해결 기대
- 일본이 세계 최초로 목조 인공위성을 우주로 보냈다고 CNN을 비롯한 외신들이 비중있게 전했다. 발사에 성공한 나무 인공위성은 라틴어로 나무를 뜻하는 단어를 포함한 링고샛(LignoSat)이라는 이름으로, 교토 대학과 스미토모 포레스트리(Sumitomo Forestry)가 공동으로 개발했다. 이 위성은 국제우주정거장(ISS)으로 가는 스페이스X(SpaceX) 임무에 포함되었으며, 곧 지구 위 궤도로 발사될 예정이다. 목재 위성을 발사한 데는 두 가지 주요 이유가 있다고 한다. 첫째, 우주의 혹독한 환경에서 나무의 내구성을 시험하기 위한 것이다. 이번 시험에 성공하면 더 많은 나무 위성을 만들어 우주로 쏘아 올린다는 계획이다. 또 하나는 우주에서의 목재의 유용성이다. 교토 대학 교수이자 우주인인 도이 다카오는 "직접 생산할 수 있는 소재인 목재를 사용하면 우주에서 영구적으로 집을 짓고 살고 일할 수 있게 될 것"이라고 말했다. 이는 나무를 심고 달과 화성에 실제 목조 주택을 짓는 50년 계획의 첫 번째 단계다. 교토 대학의 마라타 고지 산림과학 교수는 "1900년대 초의 비행기는 나무로 만들어졌다. 나무로 만든 위성도 당연히 실현 가능하다"고 말했다. 목재 구조물의 이점은 그 외에도 여럿이다. 목재 소재는 실제로 지구보다 우주에서 더 내구성이 있어야 하는데, 그 이유는 끝없이 공허한 공간에는 물이나 산소가 없기 때문이다. 산소가 없으면 썩을 것이 없으며 불이 붙기도 매우 어렵다. 심지어 방사선으로부터 매우 적절한 보호 기능도 제공한다. 목재는 지구 궤도에 있는 다른 모든 위성과도 관련이 있다. 지구 궤도에는 현재 3000개가 넘는 위성(저궤도 통신위성을 포함하면 훨씬 많아진다)이 돌고 있으며, 그 외 다양한 종류의 우주 잔해물도 같이 엉켜 있다. 앞으로 나무 위성은 지구로 다시 떨어지고 재돌입하면서 타 없어질 것이다. 금속 위성은 (대부분) 귀환하는 동안 타버리지만, 그 과정에서 유해한 산화알루미늄 입자를 생성한다. 현재는 지구를 덮고 있는, 끊임없이 늘어나는 우주 쓰레기에 대한 대책이 전무하기 때문에 목재 위성이 도움이 될 수 있다. 도이 교수는 "미래에는 금속 위성 발사가 금지될 수도 있다"는 시나리오를 예상하고 있다. 어떤 경우든, 달에 통나무집을 짓는 것은 즐거운 이벤트가 될 수 있다는 설명이다.
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일본, 세계 최초 나무 인공위성 발사 성공…우주쓰레기 문제 해결 기대
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삼성전자, '탄소 제로' 반도체 공장 만든다…친환경 기술 개발 박차
- 삼성전자가 지속가능한 반도체 사업을 위해 새로운 친환경 탄소 포집 기술을 도입한다. 황경순 삼성전자 SAIT(옛 삼성종합기술원) 에어사이언스 리서치센터장(부사장)은 18일 부산 벡스코에서 열린 한국화학공학회 추계학술대회에 기조강연자로 나서 반도체의 지속가능성을 위한 센터의 비전을 소개했다. 황 센터장은 "기존 탄소 포집 기술은 공간 효율성이 낮고 인체 유해한 물질도 배출할 가능성이 있어 도심에 위치한 반도체 사업장에 적합하지 않다. 따라서 친환경적이고 소형화된 탄소 포집 기술을 개발하는 것이 목표"라며 새로운 탄소 포집 기술의 중요성을 강조했다. 삼성의 에어사이언스 리서치 센터는 2022년 SAIT 내 미세먼지연구소와 탄소포집활용센터를 결합해 설립됐다. 황 센터장은 탄소중립 분야 권위자로, 미국 텍사스대 교수직을 휴직하고 지난해 6월 부임했다. 그는 "환경적 지속 가능성이 기업의 중요한 과제로 부상하면서, 글로벌 IT 기업들이 2030년 탄소중립을 선언하는 추세"라며 이러한 움직임은 삼성에도 영향을 미치고 있다고 전했다. 삼성은 2022년 새로운 환경 경영 전략을 발표하고 2050년 탄소 중립을 목표로 설정했다. 이를 위해 반도체 업계 최초로 탄소 포집 연구 센터를 설립하고 관련 기술 개발에 적극적으로 나서고 있는 것. 황 센터장은 "배출되는 탄소를 포집하여 활용하고, 2040년까지 오염 물질 배출량을 자연 상태 수준으로 맞추는 목표를 설정했다. 이는 기존 기술의 한계를 극복해야 하는 어려운 과제다. 따라서 저희 센터는 이러한 목표 달성을 위해 새로운 기술 개발에 주력하고 있다"고 밝혔다. 이어 "배출가스 저감을 위해 현재 95%인 RCS(공정가스 통합처리시설)의 불소 함유 가스 제거율을 100%까지 높이고, 질소산화물(NOx) 배출 농도는 20ppm에서 0.03ppm 수준으로 낮추는 것을 목표로 하고 있다"고 설명했다. 또한 공정 중 발생하는 가스를 즉시 플라즈마를 이용해 제거하는 POU 기술 개발과 이를 RCS와 결합하는 연구도 진행하고 있다고 덧붙였다. 아울러 "수소 분야에서는 중국이 주도하는 알칼리 수전해 기술이나 고가의 촉매를 사용하는 PEM 방식 대신, SOEC(고체산화물수전해) 기술 개발에 집중하고 있다. 특히 전극 계면 및 촉매 열화 문제 해결에 주력하고 있다"고 전했다. 그러면서 황 센터장은 "개발 중인 CCU(탄소 포집·활용) 기술을 반도체 사업장뿐 아니라 전 사업장과 협력사까지 확대 적용할 계획이다. 또한, 이 기술을 활용하여 신사업 창출을 지원하고, DS(디바이스솔루션) 사업 경쟁력 강화는 물론 사회 공헌에도 기여할 수 있을 것으로 기대한다"고 밝혔다. PEM 방식이란? 수소 분야에서 중국이 사용하고 있는 PEM 방식은 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell), 즉 양성자 교환막 연료 전지를 말한다. 수소와 산소를 이용하여 전기를 생산하는 연료 전지의 한 종류로, 다른 연료 전지 기술에 비해 높은 에너지 효율과 낮은 작동 온도를 갖는 장점이 있다. 그러나 백금 등 고가의 촉매를 사용해야 하고, 내구성이 낮으며 연료 순도에 민감한 단점이 있다. SOEC 방식이란? 삼성에서 중점을 두고 있는 SOEC는 'Solid Oxide Electrolyzer Cell'의 약자로, 고체산화물 수전해 전지라고 한다. 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 기술 중 하나로 고온에서 작동하는 것이 특징이다. 기존의 수전해 기술에 비해 효율이 높고 다양한 에너지원을 활용할 수 있어 차세대 수소 생산 기술로 주목받고 있다. 장점으로는 고온 작동으로 인해 전기 에너지 소비량이 작소, 수소 생산 효율이 높다. 전기 외에도 열에너지를 직접 활용할 수 있어 폐열이나 태양열 등 다양한 에너지원을 사용할 수 있다. 고순도의 수소를 생산할 수 있어 추가적인 정제 과정이 필요하지 않다. 재생에너지를 사용할 경우 이산화탄소 배출 없이 수소를 생산할 수 있다. 단점으로는 고온 작동으로 인해 내구성 확보 및 소재 개발에 어려움이 있다. 또한 고온에 도달하는 시간이 필요해 시동 시간이 느리다. 게다가 고온 작동 환경 구축 및 소재 개발 비용이 높다. SOEC의 활용도는 다양하다. 재생에너지, 원자력 발전소 등과 연계해 대규모 수소를 생산할 수 있다. 또한 산업 공정에서 발생하는 이산화탄소를 포집하여 수소 생산에 활용할 수 있다. 더 나아가 잉여 전력을 이용하여 수소를 생산하고 저장하는 등 다양한 분야에서 활용할 수 있다.
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삼성전자, '탄소 제로' 반도체 공장 만든다…친환경 기술 개발 박차
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[신소재 신기술(120)] 염수 폐수를 콘크리트로 변환하는 혁신 기술 나왔다
- 핀란드의 오울루 대학교(University of Oulu) 연구진이 알칼리 활성화를 통해 농축 염수를 안정화해 콘크리트로 변환하는 새로운 처리 기술을 개발했다고 전문 매체 아조빌드가 전했다. 개발된 기술은 염수 폐수를 시멘트 바인더에 통합하는 혁신적 솔루션이라는 평가다. 이 연구 결과는 담수화(Desalination) 저널에 게재됐다. 연구 보고서에 따르면 광산 및 산업에서 나오는 염수 폐수를 결합, 광산 매립과 같은 다양한 용도에 사용할 수 있는 다른 유형의 시멘트 바인더를 만들 수 있다. 일종의 신소재 콘크리트인 셈이다. 이를 통해 매우 농축된 소금 용액을 고체 형태로 안전하게 결합, 비용을 절약하고 환경을 개선할 수 있다. 광업, 재가공 및 배터리 생산과 같은 여러 산업 분야에서는 일반적으로 나트륨, 황산염 및 염화물 등 세 가지 요소가 포함된 염수 폐수를 대량으로 생산한다. 이러한 분야는 녹색 친환경 및 디지털 전환이 특히 필요하다. 이러한 염 자체는 환경에 위험하거나 해롭지는 않다. 동일한 염분이 바닷물에도 널리 퍼져 있다. 그러나 발트해의 낮은 염도, 특히 내륙 담수에서는 생물군에 해로울 수 있다. 예를 들어, 지난 2012년 핀란드 광산업체 탈비바라(Talvivaara)의 광산 사고 이후 소금에 오염된 호수는 영구적으로 성층화돼 호수 바닥의 산소 결핍을 초래할 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 제안된 기술은 칼슘, 실리콘, 알루미늄이 풍부한 원료를 소금물 및 소량의 수산화나트륨과 결합한다. 결과적으로 콘크리트 바인더로 사용할 수 있는, 충분한 강도를 가진 페이스트가 생산된다. 농축 염수, 나트륨, 황산염 및 염화물의 주요 성분은 고체 구조에서 매우 잘 안정화되고 수용성을 잃는 것으로 밝혀졌다. 수용성을 잃는다는 것은 물에 녹지 않아 견고함을 유지한다는 의미다. 이 연구에서는 또한 알칼리 활성 페이스트의 강도가 염도가 높을수록 증가한다는 사실도 발견했다. 단점은 소금이 부식을 일으킬 수 있기 때문에, 이러한 종류의 콘크리트에는 표준 강철 보강재를 사용할 수 없다는 것이다. 염분에 강한 소재가 필요하다. 채취하고자 하는 금속이나 소재를 분리한 후 광산에 남아 있는 폐기물, 즉 광산 잔여물은 별도의 저장지로 옮겨진다. 이 잔여물에는 종종 알칼리 활성화에 필요한 원소인 칼슘, 실리콘, 알루미늄이 대량으로 포함되어 있다. 광산 잔여물은 콘크리트 및 건설 부문에서 점차 활용이 늘면서 인기를 얻고 있다. 신소재와 광산 수질 정화 연구를 진행하고 있는 오울루 대학교가 이번에 제시한 해법은 건설 부문에 새로운 바람을 일으킬 가능성이 높다고 한다. 한편 이번 연구는 유럽연합(EU)의 '차세대(NextGeneration) EU 프로그램'이 공동으로 자금을 지원하는 카이파(KaiPa) 프로젝트의 일부로 수행됐다.
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[신소재 신기술(120)] 염수 폐수를 콘크리트로 변환하는 혁신 기술 나왔다
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[퓨처 Eyes(53)] 세계 최초, 나노 크기 물방울 생성 실시간 포착
- 수소와 산소를 결합하는 과정을 통해 나노크기의 물방울 생성 장면이 처음으로 포착됐다. 미국 노스웨스턴 대학교 연구팀이 은백색 금속인 팔라듐(Pd)을 이용해 수소와 산소를 결합, 나노 크기의 물방울을 실시간으로 생성하는 과정을 세계 최초로 관찰하고 촬영하는 데 성공했다. 이 연구는 심우주 탐사에서 물을 생산하는 혁신적인 기술로 활용될 가능성을 제시하며 주목받고 있다. PHYS.org, IFL사이언스, 사이언스 얼러트 등 다수 외신이 이 같은 내용을 중점적으로 다루었다. 팔라듐 반응으로 나노 물방울 생성 물(H₂O)의 성분은 간단하다. 수소 원자 2개와 산소 원자 1개를 섞으면 지구 생명체 유지에 가장 중한 물 분자가 만들어진다. 연구팀은 팔라듐 반응을 직접 관찰하기 위해 20나노미터(1나노미터는 10억분의 1미터) 너비의 팔라듐 조각 표면에 수소와 산소 원자를 추가하고 멤브레인을 사용해 이어지는 상호작용을 포착했다. 팔라듐은 수소를 흡수하고 저장하는 능력이 뛰어난 금속으로, 수소가 팔라듐 구조 내부로 들어가 산소와 빠르게 결합하면서 물을 생성한다. 이번 연구에서는 벌집 모양의 나노 반응기와 초박막 유리 멤브레인을 사용해, 팔라듐 표면에서 수소와 산소가 결합해 물방울을 형성하는 과정을 실시간으로 시각화했다. 연구팀은 고진공 투과 전자 현미경을 이용해 이 극미세 반응을 관찰했다. 벌집 모양의 나노 반응기는 기체 분자를 가두어 서로 반응하게 한 후, 그 과정을 초박막 멤브레인을 통해 실시간으로 관찰할 수 있는 기술을 구현했다. 이를 통해 연구팀은 팔라듐이 수소와 산소를 빠르게 물로 변환하는 나노 단위의 과정을 확인했다. 전자 에너지 분광법을 통한 분석 연구팀은 팔라듐 표면에서 생성된 나노 크기의 물방울을 전자 에너지 분광법(EELS)을 사용해 분석했다. 이 방법은 전자를 시료에 쏘아 전자의 에너지 손실을 측정함으로써 시료의 화학적 결합 상태를 파악하는 기술이다. 이를 통해 연구팀은 팔라듐 표면에서 발생하는 물 분자의 결합 상태와 생성 과정을 정밀하게 관찰할 수 있었다. 이는 또한 인도의 달 탐사선 찬드라얀 1호가 달에서 물의 존재를 확인하는데 사용된 것과 동일한 기술이기도 하다. 2008년 발사된 찬드라얀 1호는 얼름, 헬륨-3을 포함한 달의 자원을 조사했다. 물은 인류 생존에 중요한 요소로 과학자들은 달의 남극에서 상당한 양의 물을 발견했으며, 미래의 우주 임무에서 달의 물을 활용하는 점에 주목하고 있다. 게다가 지난 2023년 8월 23일 찬드라얀 3호가 달에서 물이 풍부한 지역으로 알려진 남극 지역에 세계 최초로 착륙해 달 탐사의 새로운 이정표를 세웠다. 우주에서 물 생성 응용 가능성 이번 연구는 심우주 탐사에서 물을 현지에서 생산할 수 있는 가능성을 열었다. 팔라듐을 이용해 수소를 미리 우주선에 저장해두면, 우주 비행사들은 산소만 추가해 식수를 생산할 수 있는 방법을 제시한 것이다. 이는 달, 화성,목성 탐사와 같은 장기 우주 미션에서 중요한 자원 확보 방식으로 활용될 수 있다. 연구의 시니어 저자인 노스웨스턴 대학교 비나약 드라비드 교수는 "나노 규모의 물방울을 직접 시각화함으로써, 극한의 반응 조건 없이도 가스와 금속 촉매를 사용해 빠르게 물을 생성할 수 있는 최적의 조건을 파악할 수 있었다"고 밝혔다. 그는 "이 기술은 우주 환경뿐만 아니라, 수소 연료 전지와 같은 에너지 생산 기술에도 중요한 영향을 미칠 것"이라고 덧붙였다. 팔라듐의 촉매 역할과 수소 에너지 팔라듐은 연성과 전성이 뛰어나 가공하기 쉽고, 내부식성이 강하며 고온에서도 안정적이다. 특히 촉매 활성이 뛰어나 다양한 화학 반응에 활용되며, 수소를 흡수하는 능력 덕분에 최근 수소 에너지와 연료 전지 분야에서 그 중요성이 더욱 커지고 있다. 이번 연구는 팔라듐이 수소와 산소를 결합해 물을 생성하는 속도가 수소와 산소의 주입 순서에 따라 크게 달라진다는 사실을 밝혀냈다. 이는 우주 공간과 같은 특수 환경에서 물을 효율적으로 생산하는 기술 개발에 기여할 것으로 기대된다. 영화 '마션'의 현실화 연구팀은 영화 '마션'에서 주인공 마크 와트니(맷 데이먼 분)가 화성에서 로켓 연료를 태워 수소를 추출하고 산소와 결합해 물을 만든 장면을 언급하며, "우리 기술도 극한 환경 없이 팔라듐과 기체만으로 물을 생성할 수 있다"고 설명했다. 이는 우주 탐사에서 더 간단하고 효율적인 물 생산 방법을 제시한 것이다. 이 연구 결과는 미국 국립과학원회보(PNAS)에 게재되었으며, 향후 우주 탐사 및 수소 에너지 분야에서 중요한 응용 가능성을 제시하고 있다.
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- 포커스온
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[퓨처 Eyes(53)] 세계 최초, 나노 크기 물방울 생성 실시간 포착
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[우주의 속삭임(69)] 화성, 왜 생명체가 살 수 없게 됐나?
- 현재 화성의 게일 분화구를 탐사하고 있는 나사(NASA)의 탐사선 큐리오시티가 초기 화성의 기후가 생명체가 살기에 적합했던 상황(표면에 광범위한 물이 있다는 증거)에서 어떻게 생명체가 살기에 부적합한 곳으로 바뀌었는지에 대한 새로운 세부 정보를 제공하고 있다고 나사가 홈페이지를 통해 밝혔다. 화성 표면은 매우 차갑고 오늘날 생명체가 살기에는 부적합하지만, 전문가들은 나사의 화성 탐사선은 먼 과거에 화성에 생명체가 살았을 수 있는지에 대한 단서를 찾고 있다. 그런 가운데 연구진이 큐리오시티에 탑재된 장비를 이용해 게일 분화구에서 발견된 탄소가 풍부한 광물(탄산염)의 동위원소 구성을 측정했고, 화성의 고대 기후가 어떻게 변화했는지에 대한 새로운 정보를 찾아냈다. 메릴랜드주에 소재한 나사 고다드 우주비행센터의 데이비드 버트 박사는 최근 미국 국립과학원회보에 발표된 연구 논문에서 "이 탄산염의 동위원소 값은 극심한 양의 증발이 있었음을 알려주며, 탄산염은 일시적인 액체 상태의 물만을 지탱할 수 있는 기후에서 형성되었을 가능성이 높다“라고 말했다. 그는 "채취한 탄산염 샘플은 화성 표면에서 생명체가 살았던 고대 환경(생물권)과 일치하지는 않지만, 탄산염이 형성되기 전 생물권이 있었을 가능성을 배제하지는 않는다"고 덧붙였다. 즉, 화성은 탄산염이 생성되기 전 물이 풍부했을 때에는 생물권이 있었을 가능성이 있지만, 갑작스러운 액체 상태 물의 대규모 증발로 인해 물이 마르고 그 과정에서 탄소가 풍부한 탄산염이 만들어졌을 가능성이 있다는 것이다. 동위원소는 원자 번호는 같지만, 질량이 다른 원자를 말한다. 물이 급속도로 증발함에 따라 가벼운 탄소와 산소는 대기 중으로 빠져나가고, 무거운 탄소 원자는 남아 더 많은 양이 축적되어 결국 탄산염 암석과 결합됐다. 과학자들이 탄산염에 관심을 갖는 이유는 기후에 대한 기록, 즉 증거로 작용할 수 있기 때문이다. 이러한 광물은 물의 온도와 산성도, 물과 대기의 구성을 포함, 광물이 형성된 당시 환경의 특징을 그대로 보존한다. 이 논문은 게일 분화구에서 발견된 탄산염에 대한 두 가지 형성 가능성을 제안하고 있다. 첫 번째는 탄산염이 게일 분화구 내에서 일련의 습윤-건조 순환을 통해 만들어졌다는 것이다. 두 번째는 탄산염이 게일 분화구에서 극저온 조건 아래 매우 염분이 많은 물에서 형성됐을 것이라는 가능성이다. 공동 연구자인 나사의 제니퍼 스턴 박사는 "이러한 형성 메커니즘은 서로 다른 생명체 거주 가능성 시나리오를 제시하는 두 가지 다른 기후 체제를 보인다"며 "첫 번째 시나리오인 습윤-건조 순환은 더 살기 좋은 환경과 덜 좋은 환경 사이의 교차를 나타낸다. 반면, 두 번째 시나리오에서 화성 중위도의 극저온 기온은 대부분의 물이 얼어 있고 염분이 많아 거주 가능성이 낮은 환경을 보인다"고 말했다. 첫 번째 시나리오에서 생명체의 거주 가능성이 높음을 시사한다. 고대 화성에 대한 이 같은 기후 시나리오는 특정 광물의 존재, 대규모의 모델링 및 암석층 형성의 식별을 기반으로 제안됐다. 이 결과는 시나리오를 뒷받침하는 암석 샘플의 동위원소 증거를 추가한 최초의 결과다. 화성 탄산염의 중금속 동위원소 값은 지구의 탄산염 광물보다 매우 높으며, 화성 광물에서 기록된 가장 무거운 탄소 및 산소 동위원소 값이다. 연구진에 따르면 습윤-건조 또는 차갑고 염분이 많은 두 가지 기후 시나리오는 모두 중금속 탄소와 산소가 풍부한 탄산염을 형성하는 데 필요하다. 이 발견은 큐리오시티 탐사선에 실린 화성 샘플분석(SAM) 및 레이저분광기(TLS) 장비를 사용해 이루어졌다. SAM은 샘플을 섭씨 900도까지 가열한 다음 TLS를 사용해 가열 단계에서 생성되는 가스를 분석한다. 한편, 이 작업에 대한 자금 지원은 나사의 화성 탐사 프로그램을 통해 지원됐다.
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- IT/바이오
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[우주의 속삭임(69)] 화성, 왜 생명체가 살 수 없게 됐나?
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[기후의 역습(67)] '느림보' 나무늘보, 기후 변화로 '멸종 위기' 처했다
- 중남미에서 서식하는 '느림보' 나무늘보, 특히 고지대 나무늘보가 기후 변화로 멸종 위기에 처했다는 연구 결과가 국제학술지 피어제이(PeerJ)에 발표됐다. PHYS에 따르면 나무늘보의 기온 상승에 대한 대사 반응을 연구하는 생물학자 팀은 기후 변화로 인한 신진대사 대사 부작용으로 인해 나무늘보가 실존적 위협에 직면해 있다고 경고했다. 특히 고지대에 거주하는 나무늘보들이 신진대사와 에너지 불일치로 인해 이번 세기말까지 생존이 불가능해질 수 있다는 지적이다. 「나무늘보 대사는 기후 변화 시나리오에서 생존이 불가능해질 수 있다」라는 제목으로 피어제이에 실린 이 논문은 중남미 고지대와 저지대에 서식하는 두 손가락 나무늘보(Choloepus hoffmanni)가 기후 변화에 따른 주변 온도 변화에 어떻게 반응하는지를 조사 분석했다. 연구팀은 간접열량측정법(indirect calorimetry)을 사용해 향후 기후 변화를 추정한 조건에서 나무늘보의 산소 소비량과 체온을 측정했다. 그 결과는 대단히 비관적이었다. 나무늘보, 특히 고지대에 서식하는 나무늘보의 미래가 불투명하다는 사실을 알려준 것이다. 간접열량측정법은 체내에서 영양소가 연소되기 위해 소모된 산소량과 발생한 탄산가스량을 가스 분석에 의해 측정하는 방법이다. 생체 내에서 발생한 열량을 간접적으로 측정한다. 연구팀의 레베카 클리프 박사는 "나무늘보는 대부분의 포유류와 달리 신진대사가 느리고, 체온을 효과적으로 조절할 수 없다는 독특한 특징을 가지고 있기 때문에 기본적인 생활에 제한을 받는다. 이번 연구에 따르면, 특히 고지대 지역에 사는 나무늘보는 2100년에 예상되는 상당한 기온 상승을 견뎌내지 못할 수 있다"라고 설명했다. 고지대 나무늘보는 기온이 상승함에 따라 휴식(기초) 대사율(RMR: 휴식을 취하는 동안 소모되는 에너지의 양. 휴식은 식사 이후의 중립적인 상태를 의미)이 급격히 증가한다. 반면 저지대 나무늘보는 더 높은 기온에 더 잘 적응하지만, 기온이 '열 활동 영역(TAZ)'이라고 알려진 안전지대를 넘어서면 생존을 위한 대사 저하가 시작된다. 2100년까지 나무늘보 서식지의 기온이 섭씨 2도에서 6도 사이로 상승할 것으로 예상된다. 이에 따라 고지대 나무늘보는 심각한 신진대사 부담을 겪을 것으로 보인다. 체내에 에너지 처리 능력이 부족하고 움직임 제한에 따른 지리적 이동 유연성이 미비해 온난화되는 기후에 적응하지 못할 가능성이 매우 높다. 나무늘보의 느린 소화 속도는 비슷한 크기의 다른 초식동물에 비해 최대 24배에 달한다. 이는 또 다른 문제를 던진다. 기후 변화로 인한 대사 증가, 즉 에너지 수요 증가는 음식의 추가 섭취로 보충할 수 있는데, 불행하게도 나무늘보는 섭취량을 늘리기가 어렵고, 이 때문에 신체의 에너지 균형을 유지하기 어렵다. 이번 연구에서 가장 우려되는 것은 고지대 나무늘보의 운명이다. 고지대에서 더 시원한 지역으로 이주하는 것이 어렵고 신진대사의 유연성마저 제한되어 있기 때문에 기온이 계속 상승하면 이 개체군이 멸종 위기에 처할 수 있다. 저지대 지역 나무늘보는 서식지를 더 높은 고도의 시원한 곳으로 옮겨 대처할 수 있지만, 고지대 나무늘보에게는 지리적인 선택권이 거의 없다. 이러한 생물학적이고 환경적인 비융통성에 기후 변화에 의한 더운 기후로 대사 수요 증가까지 더해져 위기가 가중되고 있는 것. 이번 연구는 고지대 나무늘보를 기후 변화의 영향으로부터 보호하기 위해 긴급한 보존 노력이 필요하다는 점을 강조한다. 연구팀은 지구 온난화가 가속하는 현 시점에서, 나무늘보가 직면한 위험을 줄이는 데 도움이 될 수 있는 적응 전략과 보존 정책에 대한 추가 조치와 조사를 강하게 권고했다.
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- IT/바이오
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[기후의 역습(67)] '느림보' 나무늘보, 기후 변화로 '멸종 위기' 처했다
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[우주의 속삭임(60)] 달 표면 전체에서 물의 흔적 발견
- 달은 물에 관한 한 다크호스일 수 있다. 의외의 결과를 가져올 수 있다는 의미다. 달의 광물 지도에 대한 새로운 분석에 따르면, 물과 수소와 산소로 구성된 또 다른 분자인 ‘수산기(산소 원자 하나와 수소 원자 하나로 구성됨)'는 달의 모든 위도와 지형에 걸쳐 여러 위치에서 발견될 수 있으며, 심지어는 태양이 가장 강력하게 비추는 곳에서도 나타날 수 있다고 사이언스얼라트가 전했다. 이는 여러 가지 의미를 내포하고 있는 발견이다. 달의 지질학적 역사와 진행 중인 과정을 이해하고, 지구의 달에 대한 유인 우주 임무에 정보를 제공할 수 있다. 행성과학연구소(Planetary Science Institute)의 로저 클라크 박사는 "미래의 우주인은 달에서 물이 풍부한 지역을 활용하고 달의 적도 근처에서도 물을 찾을 수 있을 것이다. 과거에는 극지방, 특히 극지방의 짙은 그늘진 분화구에서만 물이 발견될 수 있다고 생각했지만 이제는 다르다"고 말했다. 달은 건조하고 습기가 없는 천체로 보인다. 어떤 면에서는 그렇기도 하다. 표면에는 웅덩이에 고여진 물이 없다. 호수나 강도 없다. 그러나 연구에 따르면, 달에는 물이 숨겨져 있다는 사실이 많이 나타나고 있다. 그렇다면 달에는 물이 어디에 숨겨져 있을까. 과거의 연구에 따르면, 고위도의 달 분화구 깊은 곳에 많은 양의 물이 있을 수 있다. 분화구 같은 깊은 곳은 태양의 직사광선과 열에 노출되지 않으므로 수 미터 두께의 얼음이 쌓여 있을 수 있다는 것이다. 최근 다른 연구에 따르면, 달의 다른 부분에도 물이 있을 수 있는 것으로 나타난다. 이번 클라크 연구팀의 분석 결과도 이를 뒷받침한다. 물과 수산기는 달 표면의 암석과 흙을 형성하는 광물에 결합되어 달에서 매우 풍부한 것으로 보인다는 것이다. 연구팀은 2008년과 2009년에 달을 공전한 찬드라얀-1 우주선의 달광물학매퍼(M3) 장비에서 얻은 데이터를 이용해 달의 분광 이미지를 수집했다. 이 데이터로 달에서 반사된 적외선을 기록하여 물과 수산기와 일치하는 스펙트럼의 색상을 찾아냈다. 연구팀은 물과 수산기가 달의 모든 위도에서 찾을 수 있다는 사실을 발견했지만, 달의 암석에서는 분자가 덜 풍부한 것으로 나타났다. 그러나 운석 등의 충돌 중에 파내어진, 물이 풍부한 암석은 충돌이 발생하는 모든 곳에서 발견될 수 있다. 물은 한곳에 영원히 머물지 않는다. 연구진은 달 표면의 물이 분화구 형성 과정에서 노출된 후 수백만 년에 걸쳐 태양풍의 복사에 의해 서서히 파괴된다는 사실을 발견했다. 그러나 이 과정에서 수산기가 남는다. 수산기는 또한 태양풍에 의해 생성되며, 이 태양풍은 달 표면에 태양 수소를 증착시키고, 이 수소는 그곳에서 산소와 결합해 분자를 생성할 수 있다. 클라크는 "모든 증거를 종합해 보면, 달의 표면은 지질이 복잡하며, 지하에는 상당한 양의 물이 있고, 표면층에는 수산기 층이 있다"면서 "분화구 형성과 화산 활동은 모두 물이 풍부한 물질을 표면으로 올릴 수 있으며, 이 모두가 달 데이터에서 관찰됐다"고 지적했다. 연구팀은 또한 화성암의 일종인 휘석의 물 특징이 햇빛이 닿는 각도에 따라 변한다는 것도 발견했다. 이는 달의 수수께끼를 정리해준다. 과학자들은 그동안 이 변화의 특징을 관찰해 왔지만, 그것이 무엇을 의미하는지 알지 못했다. 그것은 마치 물이 달에서 움직이고 있음을 암시하는 듯했다. 팀이 만든 지도는 달의 또 다른 수수께끼인 '달의 소용돌이'에 대한 추가 정보도 제공한다. 이는 달 표면에서 이상하게 소용돌이치는 패턴이며, 전문가들은 확실치 않지만 자기장이 역할을 할 수 있다고 추정한다. 클라크 연구팀은 소용돌이에 물이 거의 없다는 것을 알아냈다. 연구팀은 이 소용돌이가 물의 흔적만 남긴 고대 소용돌이일 수 있다고 보고 있다. 이번 연구는 달의 소용돌이의 실체를 알아내는 데 도움이 될 것으로 기대하고 있다. 행성과학저널(The Planetary Science Journal)에 게재된 이 연구는 달을 탐사하는 우주인들에게 물 공급이 가능할 수 있음을 시사한다. 수산기가 풍부한 미네랄을 처리함으로써 미래의 우주인은 실제로 돌에서 물을 추출할 방법을 찾을 수 있을 것이라는 기대다.
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- IT/바이오
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[우주의 속삭임(60)] 달 표면 전체에서 물의 흔적 발견
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[기후의 역습(61)] 메가 엘리뇨, 인간 비롯한 생물 '대량 사망' 초래 위험
- 지구에서 수십억 년 동안 수많은 형태로 존재했던 생명체는 페름기 말, 유례 없이 끔찍했던 대량 멸종 사건을 겪었다. 대멸종으로 알려진 이 시기에 지구상의 모든 생물종의 약 90%가 사라졌고, 전 세계적으로 해양과 지상이 붕괴했다. 이 재앙의 원동력은 '시베리아 트랩'에서 대량으로 이산화탄소가 쏟아져 나온 것으로 추정되는 극심한 지구 온난화였다. 시베리아 트랩은 러시아의 초거대 현무암질 용암대지로 엄청난 화산 폭발에 의한 것이었다. 지구 역사상 가장 큰 규모였던 이 거대한 화산 활동이 대멸종의 원동력이었을 가능성이 높지만, 전문가들은 멸종의 점화 스위치를 켠 자연적 메커니즘이 무엇이었는지를 정확히 확신하지 못했다. 한편, 나무와 곤충 등 일반적으로 건강한 생명체가 왜 멸종의 영향을 받았는지, 그리고 왜 동물들이 더 서늘한 기후 지대로 이주하지 않았는지 등 다른 수수께끼도 남아 있었다. 영국 브리스톨 대학교와 중국 우한 지구과학 대학교의 새로운 연구에 따르면, 지구 온난화로 인해 최근 10년 주기에 걸쳐 조건이 격렬하게 변동해 오늘날 예측 가능한 기후 패턴보다 훨씬 오래 지속되는 '메가 엘니뇨'가 발생했다고 퍼퓰러사이언스가 전했다. 이 연구의 결과는 지난주 사이언스 저널에 게재됐다. 브리스톨 대학교의 알렉산더 판스워스 박사는 "기후 온난화만으로는 이처럼 파괴적인 멸종을 초래할 수 없다. 오늘날 우리가 보고 있듯이 열대 지방이 너무 더워지면 생물종은 더 시원한 고위도로 이동하기 때문이다"라며 "우리 연구에 따르면 온실가스가 증가하면 지구 대부분 지역이 더워질 뿐만 아니라 날씨와 기후 변동성이 커져서 생명체가 생존하기에 더 어려운 상황이 된다"고 밝혔다. 엘니뇨는 일반적으로 1~2년 동안 지속되며, 강수량과 기온 패턴에 큰 변화를 가져올 수 있다. 그러나 올해의 경우 메가 엘니뇨로 인해 6월에 전 세계적으로 광범위한 폭염이 발생했고, 이는 인위적인 탄소 배출과 함께 2023~2024년 기록상 가장 더운 해로 귀결되었다. 그러나 약 2억 5100만 년 전에도 이러한 기후 패턴이 각각 최소한 10년 이상 지속되었다. 이러한 메가 엘니뇨 현상으로 인해 장기간 가뭄이 발생하고, 뒤를 이어 장기간 홍수가 발생해 생물종이 변화하는 환경에 적응하기가 어려웠을 것으로 추정된다. 연구진은 뱀장어와 비슷한 멸종된 무악류 척추동물인 코노돈트의 화석 이빨에서 산소 동위 원소를 분석해 이러한 '파괴적인' 기후 변동성의 증거를 발견했다. 코노돈트는 페름기 멸종에서 살아남은 몇 안 되는 동물 중 하나였다. 분석 결과 연구진은 지구 중위도와 저위도에서 온도에 의한 구역 구분이 완전히 붕괴되었다는 사실을 발견했다. 모든 곳이 고르게 너무 더워졌다는 것이다. 판스워스는 "이러한 기후 변화는 오늘날 목격된 것보다 훨씬 더 강렬하고 장기적인 엘니뇨 현상이 있었기 때문에 특히 심각했다"라며 "이로 인해 코노돈트를 비롯한 생물종은 단순히 충분히 빨리 적응하거나 진화할 준비가 되어 있지 않았다"고 말했다. 또 이 기간에 속한 암석층에서 발견된 숯은 세계가 장기간의 가뭄으로 엄청난 산불에 시달렸다는 것을 확인시켜 주고 있다. 연구진은 당시 지구를 "위기 상태에 갇힌 상황"으로 묘사하며, "대륙이 불타고 바다가 정체되어 있었다"고 썼다. 지구상 어느 곳도 안전하지 않았으며, 특히 육상 동물이 가장 큰 타격을 입었고, 거의 모든 육상 동물이 지구의 거친 기후에 적응할 수 없었다고 설명했다. 중국 지구과학대학의 야동 썬 박사는 "그 시기에는 빠르게 이동할 수 있는 종만 살아남을 수 있었는데, 그럴 식물이나 동물은 많지 않았다"라고 밝혔다. 그는 "그러나 다행히도 몇 종은 살아남았고, 그렇지 않았다면 인류도 오늘날 존재하지 않았을 지도 모른다. 대멸종은 지구상의 생명체의 종말에 가까웠지만, 완전히 종말은 아니었다"고 부연했다.
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[기후의 역습(61)] 메가 엘리뇨, 인간 비롯한 생물 '대량 사망' 초래 위험
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[신소재 신기술(110)] 캐나다 연구진, 햇빛 이용해 온실가스를 '유용한 화학물질'로 전환
- 햇빛을 활용해 유해한 온실 가스인 메탄과 이산화탄소를 상온에서도 유용한 화학물질로 전환하는 기술이 개발됐다. 캐나다 맥길 대학교 연구팀이 햇빛을 이용해 온실가스인 메탄과 이산화탄소를 유용한 화학물질인 '녹색 메탄올'과 '일산화탄소'로 전환하는 혁신적인 기술을 개발했다고 사이테크데일리가 전했다. 이 기술은 기후변화 문제 해결과 지속 가능한 산업 발전에 기여할 것으로 기대된다. 연구팀은 금, 팔라듐, 질화갈륨, 혼합물을 촉매로 사용해 햇빛에 노출시키면 이산화탄소의 산소 원자가 메탄 분자에 결합하여 '녹색 메탄올'을 생성하는 반응을 유도했다. 이 과정에서 부산물로 일산화탄소로 생성된다. 녹색 메탄올은 재생 가능한 에너지원이나 바이오매스를 활용하여 생산되는 친환경 메탄올이다. 일반적인 메탄올은 화석 연료를 통해 생산되는데, 이 과정에서 많은 양의 온실 가스가 배출된다. 반면, 녹색 메탄올은 탄소 배출을 최소화하거나 아예 배출하지 않는 방식으로 생산되기 때문에 탄소 중립을 위한 중요한 에너지원으로 주목받고 있다. 녹색 메탄올은 선박이나 자동차의 연료로 사용가능하며, 기존 화석 연료보다 탄소 배출량이 적다. 또한 플라스틱이나 합성 섬유 등 다양한 화학제품의 원료로 사용된다. 게다가 수소보다 안전하고 쉽게 저장하고 운송할 수 있어 에너지 저장 매체로도 활용될 수 있다. 맥길 화학과 박사후 연구원 후이 수(Hui Su)는 "자동차에서 나오는 배기가스나 공장에서 나오는 배출물이 햇빛의 도움으로 차량용 청정 연료, 일상적인 플라스틱의 구성 요소, 배터리에 저장된 에너지로 전환되는 상상을 해보자"며 "이것이 바로 새로운 화학 공정이 가능하게 하는 변화의 종류"라고 말했다. 연구팀의 새로운 빛 기반 화학 공정은 상온에서 한 번의 반응으로 메탄과 이산화탄소를 녹색 메탄올과 일산화탄소로 전환한다. 팀은 전환된 두 가지 모두 화학 및 에너지 분야에서 높은 가치를 지닌다고 말했다. 연구를 이끈 차오준 리 교수는 "풍부한 태양 에너지를 활용하여 두 가지 온실 가스를 유용한 제품으로 재활용할 수 있다. 이 과정은 상온에서 진행되며 다른 화학 반응에서 사용되는 고온이나 유해 화학 물질이 필요하지 않다"고 설명했다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 게재됐다. 맥길 대학교 연구팀은 이 기술이 탄소 중립 목표 달성과 환경 문제를 지속 가능한 미래를 위한 기회로 전환하는데 기여할 것이라고 전망했다.
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[신소재 신기술(110)] 캐나다 연구진, 햇빛 이용해 온실가스를 '유용한 화학물질'로 전환
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[퓨처 Eyes(51)] 오존층, 서서히 아물고 있다⋯40년 만에 희망의 빛
- 1980년대, 인간이 만들어낸 오염물질로 인해 지구 오존층에 구멍이 뚫렸다는 충격적인 소식이 전 세계를 강타했다. 하지만 40년이 지난 지금, 마침내 오존층이 회복되고 있다는 희망적인 신호가 포착됐다고 데일리메일과 IFL이 전했다. 오존층은 자연적으로 발생하는 오존 가스의 얇은 층이다. 오존 가스는 세 개의 산소 원자로 이루어진 분자로, 태양의 유해한 자외선을 거의 모두 흡수한다. 오존가스는 지상에서 천식 등 폐질환을 앓고 있는 건강상의 문제를 일으킨다. 반면, 상층 대기에 모이면 오존은 지구에 영향을 미칠 수 있는 UV-B 복사선을 흡수한다. 1985년 영국 남극 조사단에 따르면 남극 상공의 오존층에 거대한 구멍이 뚫렸다는 사실이 밝혀졌다. 매년 남반구에 봄이 다가오면 이 구멍이 다시 열리고 자외선이 남극으로 쏟아진다. 남극 오존 구멍은 일반적으로 8월 중순에서 하순에 잘 형성되고, 1년 주기의 일부로 11월 말에 닫힌다. 올해 남극 오존 구멍, 예상보다 작고 늦게 형성 코페르니쿠스 대기 모니터링 서비스(CAMS)의 최근 관측 결과, 올해 남극 상공의 오존 구멍은 예년보다 늦게 형성되었고, 그 크기도 눈에 띄게 작아졌다. 지난 9월 13일 기준, 오존 구멍의 크기는 최근 몇 년 같은 시기보다 무려 1848만 제곱킬로미터나 줄어들었다. CAMS의 올해 새로운 데이터에 따르면 남극 오존층 구멍 형성은 예년에 비해 훨씬 느렸다. 9월에 다 되어서야 오존 구멍이 형성되기 시작했으며, 그 이후에도 오존 구멍의 크기는 상당히 작은 상태를 유지하고 있다. 올해 남은 기간 동안 CAMS는 오존 구멍이 더 빠르게 줄어들기 시작해 12월 초에는 완전히 닫힐 것으로 예측하고 있다. 전문가들은 이러한 변화가 전 지구적인 기상 패턴의 영향일 수 있다고 조심스럽게 분석하면서도, 몬트리올 의정서를 통한 CFC (클로로플루오로카본, Chlorofluorocarbons) 사용 규제 등 인류의 노력이 마침내 결실을 맺고 있다는 긍정적인 전망을 내놓았다. CAMS 책임자인 로렌스 루일은 "남극 오존 구멍 형성에는 화산 활동부터 기후 변화까지 다양한 요인들이 영향을 미치지만, 몬트리올 의정서를 통해 인류가 오존층 회복의 발판을 마련했다"고 강조했다. 오존층은 지상에서 우주로 확장되는 공기 기둥의 오존 양을 나타내는 돕슨(Dobson) 단위라는 측정법을 사용해서 측정된다. 1 돕슨 단위는 해수면 0℃(32°F)에서 0.01mm 두께의 오존층을 만드는 데 필요한 오존 분자의 수를 말한다. 오존층 파괴, 인류와 지구에 치명적 영향 오존층은 태양에서 방출되는 유해한 자외선을 흡수하여 지구상의 생명체를 보호하는 중요한 역할을 한다. 오존층 파괴는 피부암, 백내장 등 인간 건강을 위협할 뿐만 아니라, 농작물 생산량 감소, 해양 생태계 교란 등 지구 전체에 심각한 영향을 미친다. 특히 남극 생태계는 오존 구멍으로 인해 더욱 심각한 자외선 피해에 노출되어 왔다. 남극의 야생 동물인 물개와 펭귄에게 자회선 피해를 입히고 있는 것. 올해 CAMS 데이터에 따르면 남극 지역에서 대부분이 오존층 파괴의 기준인 220돕슨 단위 이상을 유지하고 있는 것으로 나타났다. 이는 2023년 9월 10일까지 오존층 파괴 면적이 2600제곱킬로미터에 달했던 것에 비해 현저히 줄어든 것이다. 40년 내 오존층 완전 회복 기대, 국제 협력의 힘 1987년, 전 세계는 '몬트리올 의정서'를 체결해 오존층 파괴 물질인 CFC 사용을 금지했다. 하지만 이미 발생한 오존층 파괴는 쉽게 회복되지 않았고, 최근까지도 남극 오존 구멍은 심각한 수준을 유지해 왔다. CFC는 에어로졸 스프레이와 냉장고 냉매, 소화기 등에 사용되는 인공화합물이다. 일부 전문가들은 올해 오존층 파괴 속도가 느려진 것이 회복의 신호로 여기지 않는다. 오히려 기온과 바람 패턴의 자연스러운 변화로 극지방 소용돌이가 교한되었기 때문일 가능성이 높다는 지적이다. CAMS 또한 블로그 게시물에서 "평소보다 추운 날씨가 계속된다고 해서 장기적인 기후 추세를 알 수 없는 것처럼 오존층 파괴가 느리게 시작되었다고 해서 반드시 오존층 회복으로 단정할 수 없다"라고 적었다. 그럼에도 이번 연구 결과는 오랜 기다림 끝에 마침내 오존층이 회복되고 있음을 보여준다. 전문가들은 향후 40년 안에 오존층이 완전히 회복될 수 있다는 희망적인 전망을 내놓았다. 로렌스 루일은 "앞으로 40년 안에 오존층이 더욱 회복될 것으로 기대하며, 이는 국제 협력과 과학적 근거를 바탕으로 한 노력이 지구 대기에 긍정적인 변화를 가져올 수 있음을 보여주는 중요한 사례"라고 말했다. 이는 국제적인 협력과 과학적 노력이 지구 환경 문제 해결에 얼마나 중요한 역할을 하는지 보여주는 좋은 사례다. 오존층 회복은 인류와 지구 생태계를 위한 값진 노력의 결실이 될 것이다.
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[퓨처 Eyes(51)] 오존층, 서서히 아물고 있다⋯40년 만에 희망의 빛
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[우주의 속삭임(54)] 허블·찬드라 망원경, 충돌하는 은하 속 초거대 블랙홀 쌍 발견
- 미 항공우주국(나사·NASA)의 허블 망원경과 찬드라 X선 망원경을 이용해 약 300광년 떨어진 초거대 블랙홀 쌍이 관측됐다. 나사 허블사이트는 9일(현지시간) 홈페이지를 통해 이 블랙홀들은 충돌 중인 두 은하 중심에 위치하며, 가스와 먼지 유입으로 활동성 은하핵(AGN)으로 밝게 빛나고 있다고 밝혔다. 유럽우주국(ESA) 또한 같은 날 나사/ESA 허블 망원경과 NASA의 찬드라 X선 관측소는 매우 가까운 거리에 있는 두 개의 초 거대 블랙홀의 존재를 확인했다고 전했다. 나사에 따르면 이 AGN 쌍은 가시광선과 X 선 관측을 통해 발견된 지역 우주에서 가장 가까운 쌍이다. 된 이 쌍은 이전에 발견된 수십 개의 블랙홀 쌍보다 훨씬 가까운 거리에 위치한다. 이러한 AGN 쌍은 은하 병합이 빈번했던 초기 우주에서 더 흔했을 것으로 추정된다. 약 8억광년 떨어진 이번 발견은 가까운 곳에서 이를 관찰할 수 있는 독특한 기회를 제공한다. 이 발견은 허블 망원경의 고해상도 이미지에서 은하 내 작은 영역에 밝은 산소 가스가 집중되어 있음을 나타내는 세 개의 광학 회절 스파이크가 발견되면서 우연히 이루어졌다. 논문의 수석 저자인 매사추세츠 케임브리지에 있는 하버드 및 스미소니언 천체물리학 센터의 안나 트린다데 팔카오 박사는 "우리는 이런 것을 볼 수 있을 것이라고 예상하지 못했다"며 "이 모습은 가까운 우주에서 흔히 볼 수 있는 모습이 아니며 은하 내부에서 다른 일이 일어나고 있음을 말해준다"고 밝혔다. 연구팀은 찬드라 망원경을 사용해 X 선으로 동일한 은하를 조사했고, 허블 망원경으로 관측된 밝은 광점과 일치하는 두 개의 강력한 고에너지 방출원을 발견했다. 이를 통해 두 개의 블랙홀이 가까이 위치하고 있다는 결론을 내렸다. 연구팀은 추가적으로 뉴멕시코에 있는 칼 G. 잰스키 초대형 전파 망원경의 자료를 활용해 이 블랙홀 쌍이 강력한 전파를 방출한다는 사실도 확인했다. 허블 망원경이 관측한 세 번째 밝은 광원의 기원은 아직 밝혀지지 않았으며, 추가적인 데이터 분석이 필요하다. 나사는 "두 초거대 블랙홀은 각각 원래 은하의 중심에 있었지만, 은하 병합으로 인해 가까워졌다"며 "앞으로 두 블랙홀은 계속해서 서로에게 접근하여 결국 병합될 것이며, 이 과정에서 시공간에 중력파를 발생시킬 것"이라고 추정했다. 미국 국립과학재단의 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)는 이미 수십 개의 항성 질량 블략홀 병합에서 발생하는 중력파를 감지했지만, 초거대 블랙홀 병합에서 발생하는 더 긴 파장의 중력하는 LIGO로 감지할 수 없다. 차세대 중력파 검출기인 LISA(Laser Interferometer Space Antenna)는 2030년대 중반 발사될 예정이며, 수백만 마일 떨어진 세 개의 검출기를 통해 심우주에서 발생하는 긴 파장의 중력파를 포착할 수 있을 것으로 기대된다. 허블망원경은 나사와 유럽우주국(ESA)간의 국제 협력 프로젝트로 30년 이상 운영되어 왔다. 팔카오는 "허블의 놀라운 분해능이 없었다면 우리는 이 복잡한 현상을 볼 수 없었을 것"이라고 말했다. 이 연구 결과는 9일 '천체물리학' 저널에 게재됐다.
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[우주의 속삭임(54)] 허블·찬드라 망원경, 충돌하는 은하 속 초거대 블랙홀 쌍 발견
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도요타·BMW, 전기차 대안 전략 수소 연료전지차 전면 제휴
- 일본 도요타자동차와 독일 BMW가 수소를 사용해 발전 시 이산화탄소를 내지 않는 연료전지차(FCV)로 전면 제휴키로 했다. 닛케이(日本經濟新聞)는 27일(현지시간) 양사가 다음달 3일 이 같은 내용의 전면 제휴를 위한 앙해각서(MOU)를 주고받은 뒤 5일로 예정된 BMW의 미디어 설명회에서 공식 발표할 예정이라고 보도했다. 전면 제휴를 통해 도요타가 수소탱크 등 기간부품을 공급하고, BMW가 수년 내 FCV 양산차를 내놓을 계획이다. FCV는 전기자동차(EV)에 비해 장거리 주행과 짧은 충전시간 등에서 우수하지만 급성장해온 EV의 성장둔화로 FCV가 재평가되는 계기가 될 가능성이 있다고 전문가들은 지적했다. 다만 차량과 수소 자체의 가격, 충전설비 부족이 여전히 보급에 과제가 되고 있다. 도요타는 지난 2014년 전세계에서 처음으로 양산FCV '미라이'를 출시했다. FCV는 수소와 산소의 화학반응으로 만든 전기로 움직인다. 발전 시 물만 나와 궁극의 친환경차로 불린다고 닛케이가 설명했다. 엔진에 해당하는 것은 모터로, 전력으로 구동하는 점은 전기자동차에 가깝다고 한다. 이번에 도요타는 BMW의 FCV용으로 수소탱크 외에 수소를 사용해 발전하는 '연료전지' 등 수소 관련 기간부품을 전면 공급한다. 구동 시스템 등 전기차 기술을 활용할 수 있는 영역은 BMW가 주체가 돼 다룬다. 전면 제휴에서는 BMW와 도요타가 유럽 내 수소 인프라 정비에 대해 협력 관계를 구축하는 것도 포함될 전망이다. 닛케이는 일본과 독일을 대표하는 두 자동차 회사의 전면 제휴에 대해 "판매가 감속하는 전기차 이외의 전략이 필요해지고 있어 차세대 친환경 자동차의 선택지로서 일본·유럽 대기업이 FCV에서 손을 잡는 것"이라고 분석했다. 도요타와 BMW는 2012년 6월부터 FCV에서 협업 관계에 맺었다. 다만 지금까지는 도요타 측에서 연료전지 부품을 공급할 뿐이었다. 수소탱크나 구동시스템 등은 BMW가 독자 개발하고 있었지만 앞으로 도요타의 수소 시스템을 전면적으로 도입함으로써 FCV 생산 비용을 절감하고 수년 내 판매 개시를 목표로 하고 있다.
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도요타·BMW, 전기차 대안 전략 수소 연료전지차 전면 제휴
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생체모방 로봇 물고기 '이브', DNA 수집으로 해양 연구 새 지평
- 스위스 취리히 연방 공과대학(ETH Zurich)의 공학과 학생들이 세계 해양 연구 방식을 바꿀 수 있는 최첨단 로봇 시제품을 개발해 주목된다고 CNN 등 외신이 밝혔다. 로봇 물고기 형태의 자율주행 수중탐사기(AUV: Autonomous Underwater Vehicle)를 개발한 것. 개발된 로봇 물고기 '이브(Eve)'는 몸체 내부에 펌프를 장착해 동력을 생성하고 이를 실리콘 꼬리로 전달, 꼬리를 좌우로 흔들며 이동한다. 취리히 호수에서의 실험 결과 이브는 차가운 물 속을 부드럽게 미끄러지듯 이동했다. 학생들이 이끄는 개발 그룹은 지난 2년 동안 로봇 물고기 개발에 주력했으며, 이브는 그 가운데 가장 최신 로봇이다. 개발팀의 데니스 바우만은 CNN에 "이브를 물고기처럼 보이게 한 것이 이번 개발의 특장점"이라며, "생체를 모방한 설계로 이브는 다른 물고기나 해양 생물이 놀라지 않도록 하면서 그들의 생태계 속에 들어갈 수 있다"고 설명했다. 물고기로 위장하는 방식 외에도 이브의 유용성은 많다. 이브에는 수중을 촬영하는 카메라는 물론 장애물을 피할 수 있는 소나(레이더를 이용한 수중 음파 탐지기)가 장착돼 있다. 이브에는 또 해저를 유영하면서 eDNA 환경에서 해저 생물체의 DNA를 수집하는 필터도 장착돼 있다. eDNA는 물, 토양, 대기 등 다양한 환경에서 생물의 유전자를 채취하거나 채취한 유전자를 분석하는 기술을 말한다. 채집된 eDNA 입자는 실험실로 보내져 수역에 어떤 생물 종이 살고 있는지 확인하는 작업을 진행하게 된다. 자연에 생존하는 모든 동물은 DNA를 배출하고, 그 DNA는 주변에 떠다니기 때문에 이를 채취해 분석할 수 있다. 개발팀은 이브가 해양학자들에게 바다 전반에 대한 자세한 모습을 제공할 수 있을 것으로 기대했다. 바다는 지구의 70% 이상을 덮고 있음에도 불구하고 해저의 대부분의 영역은 여전히 수수께끼로 남아 있다. 이브를 비롯한 AUV 장치는 바다를 탐험하고 수중 생태계 탐사에 많이 사용된다. 예를 들어 캘리포니아에 설립된 스타트업 아쿠아AI(Aquaai)는 수로의 산소, 염도, pH 수치와 같은 정보를 수집할 수 있는 클라운피시(자리돔과의 흰동가리)와 유사하게 생긴 드론을 개발했다. 이 장치는 지난해 8300m라는 역대 가장 깊은 곳에서 물고기를 포착해 촬영했다. 한편 생물다양성을 관측하는 데 eDNA를 사용하는 것이 증가하고 있지만, 샘플 채취는 아직 초보 수준이다. 대부분은 여전히 컵에 물을 떠서 샘플을 수집하고 있다. 이브와 같은 진보된 도구는 해양 생물 서식지가 기후 변화, 과도한 어획 및 기타 인간 활동으로 인해 전례 없는 위협에 직면해 있는 요즘, 해양을 더 잘 보호하는 데 필수적일 수 있다. 바우만은 "생물학자를 위한 신뢰할 수 있는 도구를 만들고 싶다"면서 "첨단 기기를 이용한 해양 탐사호가 멸종 위기에 처한 어종을 보호할 수 있을 것"이라고 지적했다.
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- IT/바이오
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생체모방 로봇 물고기 '이브', DNA 수집으로 해양 연구 새 지평
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과학자들 "태양의 영향, 지구 깊숙한 곳까지 미친다"
- 지금까지의 통설은 화산 폭발이나 지각판 충돌과 같은 지구 내부의 변화가 지구 표면 환경에 영향을 미친다는 것이었다. 약 6600만 년 전의 대량 멸종과 빙하기 등은 주로 이러한 지구 내부의 변형에 의해 주도되는 것이라는 판단이었다. 그런데 태양의 복사열이 지구의 깊은 내부까지 영향을 미칠 수 있다는 새로운 연구 결과가 발표돼 주목된다고 PHYS, 신화통신 등이 전했다. 이는 중국과 루마니아 연구팀이 수행한 것으로, 보고서는 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 발표됐다. 이 연구는 중국과학원, 중국 지질대학교, 부쿠레슈티 대학교의 지질학 및 지구물리학 연구소(IGG) 연구원들이 수행했다. 연구팀에 따르면 태양 복사열은 위도에 따라 달라지며, 해양 생물의 분포에 영향을 미치는 해수면의 온도 구배를 생성한다. 물체 내부를 열전도 할 때, 평행한 양면의 온도가 일정하고 물체 내부가 일정할 경우 물체 내부의 온도 분포는 직선이 되는데, 이 직선을 온도 구배라고 한다. 탄소가 풍부한 유기체는 해양판을 통해 지구 내부로 운반된다. 이 과정은 아크 마그마의 산화환원 상태에 큰 영향을 미친다. 아크 마그마의 산화환원 상태는 화산 아크에서 형성된 마그마 내 환원(산소를 잃거나 전자를 얻는 것)과 산화(산소를 얻거나 전자를 잃는 것) 상태 사이의 균형을 의미한다. 연구팀은 전 세계 지질학자들이 수집한 지구와 바다 깊은 곳의 마그마 샘플을 포함, 수천 개의 마그마 샘플에서 얻은 데이터를 분석했다. 팀은 아크 마그마의 산화환원 상태를 결정하기 위해 감람석 광물과 암석 내의 작은 용융물 함유물을 조사했다. 연구에 따르면 저위도 지역의 마그마는 고위도 지역보다 산화가 덜한 것으로 나타났다. 해저 연구의 추가 증거에 따르면 저위도 지역에서 탄소 퇴적물이 더 많이 감소한 것으로 나타났다. 이 탄소는 황과 상호작용하여 황화물을 형성한 다음 맨틀로 운반되어 관찰된 산화환원 패턴에 영향을 미쳤다. 연구팀원인 IGG 연구원 완 보는 "예상치 못한 이 패턴은 태양 복사열의 영향을 받는 지구 표면 환경과 기후가 맨틀과 같은 지구 깊은 곳에 직접적이고도 중요한 영향을 미친다는 것을 시사한다"라고 말했다. 구리, 주석, 리튬과 같은 많은 금속 광석은 산화환원 조건에 민감하다. 글로벌로 산화환원 상태의 공간적 및 시간적 분포를 이해하는 것은 이러한 중요한 자원의 위치와 가용성을 예측하는 데 중요한 의미를 갖는다. IGG 연구원인 휴 팽양은 "관찰된 패턴은 자원을 탐색하고 다양한 위도에서 지하 환경에 미치는 영향을 이해하는 데 새로운 방향을 제시한다"고 말했다.
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과학자들 "태양의 영향, 지구 깊숙한 곳까지 미친다"
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