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[우주의 속삭임(106)] 초기 우주에서 풍부한 산소 발견, 천문학계 '경악'
- 우주 탄생 후 불과 3억 년이라는 이른 시기에 형성된 것으로 추정되는 한 은하에서 기존 학설로는 설명하기 어려운 다량의 산소가 발견돼 천문학계가 놀라움을 금치 못하고 있다. 최근 관측된 JADES-GS-z14-0 은하는 수소와 헬륨보다 무거운 원소들이 초기 우주에는 극히 드물었을 것이라는 과학계의 통념을 뒤엎는 산소 풍부도를 나타냈다고 과학전문 매체 사시언스얼럿과 CNN 등이 20일(현지시간) 보도했다. 이는 초기 우주가 기존 예상보다 훨씬 빠르게 성숙했을 가능성을 시사하는 또 다른 강력한 증거로 제시되고 있다. 네덜란드 라이덴 천문대의 우주론 학자인 산더르 스하우스는 이번 발견에 대해 "마치 갓난아기들만 있을 것으로 예상되는 곳에서 청소년을 발견한 것과 같다"며 감격했다. 그는 "이번 결과는 해당 은하가 매우 빠르게 형성되었을 뿐만 아니라 빠르게 성숙하고 있다는 것을 보여주며, 은하 형성이 예상보다 훨씬 빠르게 진행된다는 증거가 점점 늘어나고 있음을 뒷받침한다"고 덧붙였다. JADES-GS-z14-0 은하의 존재 자체도 기존 우주론 모델에는 이미 상당한 문제였다. 은하가 탐지될 만큼 거대하고 밝아지기 위해서는 상당한 시간이 필요하다고 여겨졌기 때문이다. 134억 광년이 넘는 거리에서 관측될 수 있을 정도의 크기와 밝기는 기존 이론으로는 쉽게 설명하기 어려웠다. 수소와 헬륨보다 무거운 원소들의 형성에 시간이 걸린다는 점 또한 이번 발견의 중요성을 더한다. 빅뱅 직후 우주에는 수소와 헬륨만이 존재했으며, 밀도 차이로 인해 최초의 별들이 탄생했다. 별의 중심핵에서 수소 원자들이 융합하여 점차 무거운 원소들이 만들어지는 과정을 거쳐야 산소가 존재할 수 있게 된다. 특히, 이렇게 생성된 원소들이 우주 공간으로 퍼져나가기 위해서는 별이 수명을 다하고 초신성 폭발을 일으켜야 한다. 이는 비교적 짧은 시간 안에 일어날 수 있지만, 가장 무거운 별의 수명도 1천만 년 이하일 수 있다. 하지만 칠레 아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 전파망원경(ALMA)을 이용한 관측 결과, JADES-GS-z14-0 은하에서 검출된 수소와 헬륨보다 무거운 원소의 양은 예측치의 10배나 되는 것으로 나타났다. 이는 원소 생성 속도 또한 기존 예상을 훨씬 뛰어넘는다는 것을 의미한다. 이탈리아 고등사범학교의 천체물리학자인 스테파노 카르니아니는 "예상치 못한 결과에 매우 놀랐으며, 이는 초기 은하 진화의 새로운 관점을 열어주었다"고 말했다. 그는 "갓 태어난 우주에서 이미 성숙한 은하의 증거는 은하가 언제 그리고 어떻게 형성되었는지에 대한 의문을 제기한다"고 강조했다. 우주가 팽창함에 따라 멀리 떨어진 은하에서 방출된 빛은 도플러 효과로 인해 붉은 파장으로 늘어난다. 제임스 웹 우주 망원경(JWST)은 이러한 적색편이된 천체를 탐지하는 데 최적화된 가장 강력한 적외선 우주 망원경이다. JWST 발사 이후 천문학자들은 빅뱅 후 첫 10억 년 동안 초기 우주에서 예상보다 훨씬 큰 은하들을 다수 발견했으며, 이는 초기 우주 진화에 대한 기존의 그림과는 매우 다른 새로운 관점을 제시하고 있다. JADES-GS-z14-0 은하에서의 산소 발견은 초기 우주에서 은하들이 기존 예상보다 훨씬 빠르게 성장하고 진화했다는 것을 점점 더 강력하게 시사하는 또 다른 중요한 단서가 될 것으로 보인다. 이제 과학자들은 이러한 빠른 성장이 우주론적 시간표를 어떻게 변화시키는지, 그리고 초기 우주에 대한 기존의 다른 가설들을 어떻게 재검토해야 할지에 대한 연구를 진행할 예정이다. 이번 연구 결과는 『천체물리학 저널(The Astrophysical Journal)』과 『천문학 및 천체물리학(Astronomy & Astrophysics)』 저널에 게재될 예정이며, 사전 공개 사이트인 arXiv를 통해 확인할 수 있다.
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- 포커스온
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[우주의 속삭임(106)] 초기 우주에서 풍부한 산소 발견, 천문학계 '경악'
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[신소재 신기술(162)] 국내 연구진, 박테리아 이용한 친환경 플라스틱 생산 기술 개발
- 국내 연구진이 최근 박테리아를 활용해 기존 플라스틱 생산 방식의 한계를 극복하고 친환경적인 폴리머 생산 가능성을 제시하는 연구 결과를 발표해 학계의 주목을 받고 있다. 플라스틱은 현대 사회에 필수적인 소재이지만, 생산 과정에서 화학 연료 기반 화학 물질 사용으로 인한 환경 문제와 폐기할 때 자연적으로 분해되지 않아 발생하는 환경 오염 문제가 지속적으로 제기되어 왔다. 이러한 가운데, 한국과학기술원(KAIST)의 생물분자공학자이자 공동저자인 이상엽 박사 연구팀은 포도당만을 연료로 사용해 유용한 폴리머를 생산할 수 있도록 박테리아는 유전자 조작하는 데 성공했다. 연구팀이 개발한 시스템은 박테리아가 특이한 영양 조건이 직면했을 때 사용하는 효소를 기반으로 하며, 다양한 종류의 폴리머를 생산할 수 있도록 조절이 가능하다. 해당 연구에 대해서는 과학기술 전문매체 아르스 테크니카, 네이처닷컴, PHYS.org 등 다수 매체가 17일(현지시간) 보도했다. 네이처 닷컴에 따르면, 매년 전세계적으로 약 4억 톤의 분해 불가능한 석유 기반 플라스틱 폐기물과 미세 플라스틱이 생산되어 야생동물과 인간의 건강을 위협하고 지구를 오염시키고 있다. 탄소 과잉 상태를 활용한 폴리머 합성 메커니즘 연구진은 박테리아 세포가 폴리하이드록시알카노에이트(PHA·폴리에스테르)를 생성하는 시스템에 주목했다. PHA는 박테리아 세포가 탄소원과 에너지를 충분히 공급받지만, 성장과 분열에 필요한 특정 영양소가 부족할 때 생성되는 화학 물질이다. 이러한 환경에서 박테리아 세포는 탄소 원자를 포함하는 작은 분자들을 연결하여 거대한 폴리머를 형성한다. 이후 영양 조건이 개선되면, 박테리아는 이 폴리머를 분해하여 개별 분자들을 에너지원으로 활용할 수 있다. 이 시스템의 핵심적인 특징은 폴리머를 구성하는 단량체의 종류에 크게 구애받지 않는다는 점이다. 지금까지 150가지 이상의 다양한 작은 분자들이 PHA에 통합될 수 있음이 확인됐다. 폴리머를 합성하는 효소인 PHA 합성 효소는 분자가 에스터 결합을 형성할 수 있는지 여부와 세포 내 생화학 반응의 중간체로 흔히 사용되는 코엔자임 A에 결합될 수 있는지 여부만을 중요하게 고려하는 것으로 나타났다. 일반적으로 PHA 합성 효소는 산소 원자를 통해 분자들을 연결하지만, 아미노산에서 발견되는 것과 같이 질소 원자를 통해 연결되는 유사한 화학 결합을 형성하는 것도 가능하다. 그러나 이러한 반응을 촉매하는 효소는 지금까지 알려진 바가 없었다. 이에 연구진은 기존 효소들이 통상적으로 수행하지 않는 반응을 유도할 수 있는지 실험하기로 결정했다. 연구진은 클로스트리디움(Clostridium) 속 박테리아에서 유래한 효소를 활용했는데, 이 효소는 다양한 화학 물질과 상호작용하는 것으로 알려져 있다. 실험 결과, 이 효소는 아미노산을 코엔자임 A에 비교적 효과적으로 결합시켰다. 아미노산들을 서로 연결하기 위해 연구진은 슈도모나스(Pseudomonas) 속 박테리아에서 유래한 효소에 네 가지 돌연변이를 도입하여 반응 물질의 범위를 넓혔다. 시험관 내 실험에서 이 시스템은 성공적으로 작동하여 아미노산들이 폴리머 형태로 연결되는 것을 확인했다. 세포 내 발현 및 생산량 증대 노력 다음 과제는 이 시스템이 실제 세포 내에서도 작동하는 지 확인하는 것이었다. 불행히도 사용된 두 효소 중 하나가 대장균(E. coli)에 약한 독성을 나타내 성장을 저해하는 것으로 밝혀졌다. 이에 연구팀은 해당 단백질을 내성적으로 발현하는 대장균 균주를 개발했다. 이 두 단백질을 모두 발현시킨 결과, 세포는 소량의 아미노산 폴리머를 생산했다. 배지에 특정 아미노산을 과량으로 첨가하면, 생성되는 폴리머에 해당 아미노산의 함량이 높아지는 경향을 보였다. 하지만 박테리아 무게 대비 폴리머 생산량은 다소 낮은 수준이었다. 연구팀은 "이러한 [아미노산]들은 적절한 탄소원으로부터 세포 내에서 생성될 경우 폴리머에 보다 효율적으로 통합될 수 있을 것"이라고 판단했다. 이에 특정 아미노산(라이신) 생산에 필요한 유전자 복제본을 추가적으로 도입했다. 그 결과 더 많은 폴리머가 생산됐으며, 폴리머 내 라이신 함량 비율도 높아졌다. 생성된 폴리머 대부분에는 에스터 결합을 형성할 수 있는 젖산이 상당량 포함되어 있었다. 젖산은 포도당 대사 과정의 잠재적 산물 중 하나이므로 세포 내에 자연적으로 많이 존재한다. 이에 연구팀은 젖산 생성의 주요 효소를 암호화하는 유전자를 제거해 폴리머에 통합되는 젖산의 양을 현저히 줄였다. 연구진은 다양한 조건에서 실험을 진행하여 두 가지 다른 아미노산 단량체의 혼합물로 이루어진 폴리머를 만들 수 있음을 입증했으며, 혼합물에 비아미노산 물질을 통합하는 데에도 성공했다. 대장균 균주에 몇 가지 추가적인 효소를 도입함으로써 박테리아 무게 대비 폴리머 생산량을 50% 이상으로 끌어올렸다. 또한, 중합 반응을 담당하는 효소에 돌연변이를 도입하여 특정 아미노산이 생성되는 폴리머에 선택적으로 더 많이 통합되도록 조절할 수 있음을 확인했다. 다양한 물성 조절 및 생분해 가능성 제시 연구팀이 개발한 시스템은 매우 유연하여 광범위한 학 물질을 폴리머에 통합할 수 있다는 점이 가장 큰 특성이다. 이는 생성되는 플라스틱의 다양한 물성을 조절할 수 있도록 해줄 것으로 기대된다. 또한, 효소를 통해 결합이 형성되었으므로 생성된 폴리머는 거의 확실하게 생분해될 가능성이 높다. 다만 몇가지 한계점도 존재한다. 폴리머에 통합되는 물질을 완전히 통제할 수는 없다는 것이다. 특정 아미노산 또는 기타 화학 물질의 혼합 비율을 높일 수는 있지만, 효소가 세포 내 대사 과정에서 생성되는 임의의 하학 물질을 어느 정도 수준으로 통합하는 것을 완전히 막을 수는 ㅇ첪다. 또한 생산된 폴리머를 제조 공정에 적용하기 전에 다른 세포 구성 성분으로 정제해야 하는 문제와 대규모 산업 생산에 비해 생산 속도가 느리다는 점도 해결해야 할 과제다. 비록 이 기술이 당장 전 세계 플라스틱 생산을 대체할 수 있는 수준은 아니지만, 생물 기반 제조의 잠재력을 훌륭하게 보여주는 연구 결과라는 평가를 받고 있다. 본 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 케미컬 바이올로지(Nature Chemical Biology)' 2025년 3월 18일 자 온라인판에 게재됐다. ◇ 참고 문헌: Tong Un Chae et al, Biosynthesis of poly(ester amide)s in engineered Escherichia coli, Nature Chemical Biology (2025). DOI: 10.1038/s41589-025-01842-2
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[신소재 신기술(162)] 국내 연구진, 박테리아 이용한 친환경 플라스틱 생산 기술 개발
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[우주의 속삭임(100)] 화성의 붉은색, 냉수 속 철 산화물 '페리하이드라이트' 때문일 가능성 제기
- 화성을 상징하는 붉은 색은 건조 광물인 '적철석' 이 아닌, 물이 풍부한 철광물인 페리하이드라이트(ferrihydrite) 때문이라는 의견이 제기됐다. 화성은 특유의 붉은색으로 인해 오랜 기간 '붉은 행성'으로 불렸다. 최근 과학계는 이 독특한 색채의 기원을 밝혀낼 잠재적 단서를 발견해, 기존의 통념을 뒤집는 새로운 이론을 제시했다. 화성의 먼지는 산화철을 포함한 다양한 광물이 뒤섞인 것으로 알려져 있다. 새로운 연구에 따르면 산화철 중 하나인 물이 풍부한 페리하이드라이트가 화성의 붉은 색의 원인이라고 미국 항공우주국(나사·NASA)은 설명했다. 미국 브라운 대학교 지구·환경·행성 과학부의 박사후 연구원인 주저자 애덤 발란티나스는 "화성이 왜 붉은지에 대한 근본적인 질문은 아마도 수천 년에서 수백 년 동안 이어져 왔다"고 말했다. 발란티나스는 "저희 분석에 따르면 페리하이드라이트는 먼지의 모든 곳에 있으며 아마도 암석 형성에도 있을 것이다. 페리하이드라이트가 화성이 붉은 이유라고 생각한 것은 처음은 아니지만, 관찰 데이터와 새로운 실험 방법을 사용해 실험실에서 화성 먼지를 만들어 테스트할 수 있다"고 설명했다. 화성은 지구 가까이에 위치한 거리 상의 이점과 수십년 동안 탐사선을 보냄으로써 태양계에서 가장 광범위하게 연구된 행성 중 하나다. 궤도선과 착륙선은 화성의 붉은색이 행성을 뒤덮은 먼지 속 산화된 철 광물에서 비롯된다는 자료를 제공해 왔다. 과거 화성 암석 속 철은 물 또는 물과 대기 중 산소와 반응하여 지구에서 녹이 형성되는 것과 유사한 방식으로 산화철을 생성했다. 수십억 년에 걸쳐 산화철은 먼지로 분해되어 화성의 바람에 의해 이동하며 행성 전체에 퇴적되었고, 이는 현재에도 먼지 회오리와 대규모 먼지 폭풍을 일으키고 있다. 미국 브라운대학교 연구팀이 시뮬레이션된 화성 먼지를 보여주는 실험실 샘플. 황토색은 철분이 풍부한 페리히드라이트의 특징으로, 화성의 고대 물 활동과 환경 조건에 대한 중요한 통찰력을 제공하는 광물이다. 이 미세 분말 혼합물은 페리히드라이트와 현무암으로 구성되어 있으며 입자 크기가 1마이크로미터(머리카락 지름의 1/100) 미만이다(샘플 규모: 가로 1인치). 사진=애덤 발란티나스 그동안 우주선의 관측에만 의존한 화성 산화철 분석에서는 물의 흔적이 감지되지 않아 연구자들은 산화철이 적철석(hematite)일 것이라는 가설을 세웠다. 철광석의 주요 구성 성분인 건조 광물 적철석은 수십억 년에 걸쳐 화성 대기와의 반응을 통해 형성되었을 것으로 추정됐다. 이는 적철석이 화성 표면에 호수와 강이 존재했던 것으로 추정되는 시기 이후에 형성되었음을 의미했다. 그러나 브라운대학교 연구팀은 다수의 탐사 임무에서 수집된 자료와 모사된 화성 먼지를 결합한 새로운 연구 결과는 적철석이 아닌 냉수 환경에서 형성되는 광물인 페리하이드라이트(ferrihydrite)가 붉은색의 원인일 수 있다는 가능성을 제시했다. 이는 수백만 년 전 화성의 환경과 잠재적 거주 가능성에 대한 과학적 이해를 변화시킬 수 있음을 시사한다. 해당 연구 결과는 지난 25일 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 발표됐다. 연구를 주도한 애덤 발란티나스 박사후 연구원은 "화성은 여전히 붉은 행성이다. 다만, 화성이 왜 붉은색인지에 대한 우리의 이해가 변화했을 뿐이다"라고 밝혔다. 지구 실험실서 화성 먼지 재연 연구팀은 유럽우주국(ESA)의 화성 익스프레스 궤도선과 엑소마스 미량 가스 궤도선, 그리고 NASA의 화성 정찰 궤도선과 큐리오시티, 패스파인더, 오퍼튜니티 로버에서 수집된 자료를 활용했다. 미량 가스 궤도선의 CaSSIS 컬러 카메라는 화성 먼지 입자의 정확한 크기와 구성을 밝혀 연구자들이 지구에서 자체적으로 먼지를 제작할 수 있도록 했다. 연구진은 다양한 유형의 산화철을 사용하여 실험실에서 자체적인 화성 먼지를 만들었다. 모사된 먼지는 특수 분쇄기를 통해 화성의 먼지와 동일한 크기의 입자로 제작됐으며, 두께는 사람 머리카락의 1/100에 해당한다. 연구팀은 화성 궤도를 돌며 행성을 연구하는 궤도선에서 사용하는 기술과 유사한 X선 기계와 반사 분광계를 사용하여 먼지를 분석했다. 이후 실험실 자료와 우주선 자료를 비교했다. 발란티나스 연구원은 화성 익스프레스의 OMEGA 반사 분광계는 화성의 먼지가 가장 많은 지역에서도 물이 풍부한 광물의 증거를 보여주었으며, CaSSIS 자료는 실험실 시료와 비교했을 때 적철석이 아닌 페리하이드라이트가 화성 먼지와 가장 잘 일치한다는 것을 보여줬다고 밝혔다. CaSSIS 카메라 개발을 주도한 스위스 베른 대학교 물리학 연구소의 니콜라스 토마스 교수는 "우리는 현무암과 혼합된 페리하이드라이트가 화성에서 우주선이 관측한 광물과 가장 잘 일치한다는 것을 발견했다"고 말했다. 미량 가스 궤도선 자료를 사용하여 스위스 베른 대학교에서 연구를 시작한 발란티나스 연구원은 "주요 시사점은 페리하이드라이트가 표면에 물이 존재했을 때만 형성될 수 있기 때문에 화성이 우리가 이전에 생각했던 것보다 더 일찍 녹슬었다는 것이다. 또한 페리하이드라이트는 현재 화성의 조건에서도 안정적으로 유지된다"고 밝혔다. 물이 풍부했던 과거 화성 발란티나스 연구원은 화성의 붉은색에 대한 미스터리가 수천 년 동안 지속되어 왔다고 말했다. 유럽우주국(ESA)에 따르면 로마인들은 화성의 색이 피를 연상시킨다는 이유로 전쟁의 신의 이름을 따서 화성이라고 명명했으며, 이집트인들은 화성을 '헤르 데셰르(Her Desher)', 즉 "붉은 것"이라고 불렀다. 발란티나스 연구원은 화성의 색이 물이 없는 형태의 녹인 적철석이 아닌 페리하이드라이트와 같은 물을 함유한 녹슨 광물 때문일 수 있다는 사실이 연구진을 놀라게 했다고 말했다. 하지만 이는 화성의 지질학적, 기후학적 역사에 대한 흥미로운 단서를 제공한다고 그는 덧붙였다. 발란티나스는 "물이 함유된 녹이 화성 표면 대부분을 덮고 있다는 것은 화성의 고대 과거에 액체 상태의 물이 이전에 생각했던 것보다 더 광범위하게 존재했을 수 있음을 시사한다. 이는 화성이 한때 액체 상태의 물이 존재했던 환경을 가지고 있었음을 의미하며, 물은 생명체의 필수 조건이다. 우리 연구는 화성에서 페리하이드라이트 형성에 산소(대기 또는 다른 출처에서)와 철과 반응할 수 있는 물이 모두 필요했음을 보여준다"고 말했다. 페리하이드라이트, 30억년 전 생성 가능성 이번 연구는 광물이 정확히 언제 형성되었는지 밝히는 데 초점을 맞추지는 않았다. 하지만 페리하이드라이트는 냉수에서 형성되기 때문에 수백만 년 전 화성이 더 따뜻하고 습했던 시기가 아닌 약 30억 년 전에 생성되었을 가능성이 있다. 발란티나스는 "이 시기는 화성에서 격렬한 화산 활동이 일어나 얼음이 녹는 현상과 물과 암석 사이의 상호작용을 촉발하여 페리하이드라이트 형성에 유리한 조건을 제공했을 가능성이 높은 시기였다. 이 시기는 화성이 초기 습한 상태에서 현재의 사막 환경으로 전환되는 시기와 일치한다"고 말했다. 페리하이드라이트는 먼지뿐만 아니라 화성 암석층에도 존재할 가능성이 있다. 이를 확인하는 가장 좋은 방법은 붉은 행성에서 암석과 먼지 실제 표본을 확보하는 것이다. 퍼시비어런스 로버는 이미 암석과 먼지를 포함하는 여러 표본을 수집했으며, NASA와 ESA는 화성 표본 귀환 프로그램(Mars Sample Return program)을 통해 2030년대 초까지 지구로 가져오는 것을 목표로 하고 있다. ESA의 미량 가스 궤도선 및 화성 익스프레스 프로젝트 과학자인 콜린 윌슨은 "이 귀중한 표본을 실험실로 가져오면 먼지에 페리하이드라이트가 얼마나 포함되어 있는지, 그리고 이것이 화성의 물의 역사와 생명체 존재 가능성에 대한 우리의 이해에 어떤 의미를 갖는지 정확히 측정할 수 있을 것"이라고 밝혔다. 한편 이번 연구 결과는 발란티나스 연구원과 동료들에게 먼지 폭풍을 통해 화성 전체로 퍼져나가기 전 페리하이드라이트의 원래 생성 위치와 페리하이드라이트가 형성되었을 때 화성 대기의 정확한 화학적 구성 성분 등 새로운 미스터리를 안겨주었다. 호건 교수는 먼지가 언제 어디서 형성되었는지 이해하는 것은 과학자들이 초기 지구와 유사한 행성의 대기가 어떻게 진화했는지에 대한 통찰력을 얻는 데 도움이 될 수 있다고 말했다. 호건 교수는 "페리하이드라이트는 눈이 녹거나 따뜻한 기후에서 짧은 기간 동안 강렬한 강우로 인해 단기간에 많은 물이 이동하는 지구의 토양에서 매우 흔하게 발견된다. 우리는 또한 (큐리오시티 로버가 탐사하고 있는 화성의) 게일 분화구의 호수 퇴적물에서도 페리하이드라이트의 증거를 발견했다. 이 퍼즐을 풀 수 있는 가장 좋은 방법은 화성 먼지 표본을 지구의 실험실로 가져오는 것이다"라고 덧붙였다.
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[우주의 속삭임(100)] 화성의 붉은색, 냉수 속 철 산화물 '페리하이드라이트' 때문일 가능성 제기
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[신소재 신기술(150)] 세포 독성 없는 항균·항염 나노 꽃, '꿈의 상처 치료제'로
- 카네이션을 닮은 나노 구조체가 상처 치유를 돕는 밴드 형태로 개발되어 주목받고 있다. 미국화학회(ACS)의 응용 생체 재료 저널(ACS Applied Bio Materials)에 발표된 연구 결과에 따르면, 이탈리아 제노아 대학 연구팀이 개발한 나노 꽃(nanoflower) 코팅 드레싱은 실험실 시험에서 항생, 항염증 효과와 생체 적합성 특성을 나타냈다. 해당 연구에 대해서는 전문 사이트 Phys, 팝 사이언스 등 다수 외신이 보도했다. 연구팀은 넓은 표면적을 가진 카네이션을 닮은 나노 꽃에 주목했다. 넓은 표면적은 수많은 상처 치유 약물 분자를 담을 수 있는 공간을 제공하기 때문이다. 연구팀은 구리 인산염과 탄닌산, 두 가지 폴리페놀 기반 재료를 활용하여 새로운 나노 구조를 설계했다. 이 시약들은 뛰어난 항염 및 항생 효과로 잘 알려져 있다. 혼합된 시약을 식염수에 넣으면 구리 인산염-탄닌산 화합물이 자체 조립되면서 꽃 모양의 구조로 자란다. 연구진은 이렇게 만들어진 나노 꽃을 전기 방사 나노 섬유 직물 조각에 조심스럽게 부착했다. 연구팀은 "페놀 구조가 풍부한 천연 화합물인 폴리페놀은 항산화, 항염, 항균 및 항암 특성으로 널리 주목받고 있으며, 생물 의학 분야에서 매우 유용하게 쓰인다"고 설명했다. 이어 "경제적이고 환경 친화적인 전략을 사용한 폴리페놀 기반 재료의 합성은 더욱 중요해지고 있다"고 강조했다. 탄닌산과 인산구리(II)로 만들어진 이 나노 꽃 밴드는 감염 및 염증 치료에 유망한 후보 물질로 평가받는다. 나노 꽃은 스스로 조립되는 미세 구조체로, 넓은 표면적을 가지고 있어 약물 분자를 부착할 공간이 충분하므로 약물 전달에 특히 적합하다. 이번 연구에서 파테메 아흐마드푸르, 피에르 프란체스코 페라리 연구진은 인산구리(II)와 탄닌산의 항생 및 항염증 특성에 주목하여 이 두 물질을 나노 꽃 재료로 선택했다. 생리 식염수 용액에서 나노 꽃을 성장시킨 후, 생체 모방 구조체를 전기 방사된 나노 섬유 직물 스트립에 부착했다. 실험 결과, 나노 꽃 코팅 밴드는 배양된 다양한 세균(대장균, 녹농균, 황색포도상구균 포함)과 항생제 내성 생물막을 비활성화하고, 활성 산소종을 제거했으며, 실험실에서 배양한 인체 세포에 손상을 주지 않는 것으로 나타났다. 아흐마드푸르와 페라리는 "나노 꽃 코팅 밴드는 감염 퇴치와 상처 치유 촉진을 위한 자연적이고 비용 효율적이며 고효율적인 해결책을 제시함으로써 획기적인 발전을 이루었으며, 치료 기준을 재정의할 가능성이 있다"고 평가했다. 연구팀은 대장균(E. coli), 녹농균(Pseudomonas aeruginosa), 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)을 포함한 유해 세균 배양액에 나노 꽃 붕대 샘플을 넣었다. 2025년 1월 31일 발표된 내용에 따르면, 나노 꽃으로 덮인 원단은 세균을 '불활성화'했을 뿐만 아니라 항생제 내성 바이오필름까지 억제했으며, 실험실에서 배양한 인간 세포를 보호하는 효과를 보였다. 연구팀은 "새로운 나노 꽃 기반 접근법은 비용 효율적일 뿐만 아니라 매우 효율적이어서 상처 치유를 가속화하고 감염과 싸우는 더 나은 수단을 제공한다"고 밝혔다. 나노 꽃의 잠재적 이점은 의학에만 국한되지 않는다. 2024년 10월 '어드밴스트 머티리얼(Advanced Materials)'에 발표된 또 다른 연구에서는 나노 꽃이 실시간 이미징, 폐수 정화, 심지어 마이크로 로봇 공학에도 사용될 수 있다고 제시했다. 이번 연구 결과는 상처 치료 분야에 새로운 패러다임을 제시할 가능성이 엿보인다. 기존 항생제 내성 문제와 상처 치유 지연 문제를 동시에 해결할 수 있는 혁신적인 접근 방식이기 때문이다. 특히 자연 소재인 폴리페놀을 활용하여 생체 적합성을 높인 점은 향후 임상 적용에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 예상된다.
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[신소재 신기술(150)] 세포 독성 없는 항균·항염 나노 꽃, '꿈의 상처 치료제'로
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[퓨처 Eyes(67)] 우주 농업, 달에서 희망을 싹틔우다
- 인류의 우주 진출이 가속화되면서, 우주에서의 식량 생산은 중요한 과제로 떠올랐다. 나사(NASA)는 달과 화성으로 향하는 미래의 우주 임무에서 우주인들이 신선한 식물을 포함한 영양가 있는 농산물을 섭취할 수 있는 방법을 검토하고 있다. 밀봉된 식품 포장은 시간이 지남에 따라 맛이 변하고 비타민이 분해되어 건강에 문제가 될 수 있다. 비타민C가 부족하면 우주인들은 괴혈병에 걸릴 수 있고, 비타민 결핍은 다른 여러 건강 문제를 일으길 수 있다고 나사는 설명했다. 또한 우주에 지구의 식물을 가져가는 것은 우주 개척자들에게 심리적 웰빙에 좋으며, 우주인의 장기 임무에서 건강을 유지하는 데 중요하다고 나사는 덧붙였다. 현재 지구 저궤도를 돌고 있는 국제 우주 정거장에는 우주인들이 다양한 동결 건조 식품이나 미리 포장된 식품을 정기적으로 공급받아 식단을 충족하고 있다. 나사는 무중력 상태에서 상추와 토마토, 무와 같은 식물을 재배하는 방법을 실험하고 있다. 이를 통해 우주 비행이 식물 유전학, 물 사용과 식품의 풍미 등에 어떤 영향을 미치는지를 연구하고 있는 것이다. 더 나아가 햇빛이나 지구 중력이 없는 심우주의 폐쇄된 환경에서 어떻게 식물을 생산할 수 있을 것인가?에 초점을 맞추고 있다. 그러면, 달과 화성 중 어디가 농작물 재배에 더 적합할까? 최근 연구 결과는 우리의 예상을 뒤엎고 달의 손을 들어주었다고 스페이스닷컴이 최근 보도했다. 달 vs 화성, 작물 성장의 승자는? 북애리조나대학교의 연구 조교 로라 리는 "흥미로운 점은 달에서 작물이 화성에서보다 더 잘 자랐다는 점입니다. 우리는 반대일 것이라고 예상했죠."라고 밝혔다. 2024년 미국 지구물리학연합(AGU) 가을 학술대회에서 발표된 이 연구는 달과 화성의 토양 조건이 작물 성장에 미치는 영향을 비교 분석한 최초의 실험 중 하나다. 연구 결과는 달 토양의 구조적 특징이 작물 생장에 더 유리함을 보여준다. 화성 토양은 질소가 풍부하지만, 점토처럼 밀도가 높아 뿌리 호흡에 필수적인 산소 공급을 제한한다. 반면, 달의 표면을 덮고 있는 흙과 암석 부스러기인 레골리스(regolith)는 상대적으로 느슨한 구조로 뿌리 성장에 더 적합한 환경을 제공한다. 마치 지구의 밭을 갈아 토양에 공기를 공급해주는 것과 같은 효과를 기대할 수 있다. 폐수 비료, 우주 농업의 해결사? 척박한 우주 환경에서 비료는 작물 재배의 필수 요소다. 하지만 지구에서 비료를 운송하는 것은 막대한 비용이 소요된다. 이에 대한 대안으로, 연구진은 우주인의 폐수에서 추출한 미생물을 열처리하여 만든 비료인 밀오르가나이트(Milorganite)를 사용했다. 폐기물을 재활용하여 비료를 생산한다는 점에서 지속 가능한 우주 농업 시스템 구축에 필요한 아이디어지만, 아직까지는 해결해야 할 과제가 남아있다. 화성에서 밀오르가나이트를 사용한 옥수수 재배 실험 결과는 그다지 성공적이지 못했다. 지구에서 흔히 사용하는 질소 비료를 사용했을 때보다 옥수수 생존율이 현저히 낮았다. 이는 인간 폐수를 활용한 비료 생산 기술을 더욱 발전시켜야 할 필요성을 보여준다. 효율적인 폐기물 처리 시스템과 작물 생장에 최적화된 비료 생산 기술 개발, 그리고 옥수수 외에도 다양한 작물의 생장 특성을 연구하여 우주 환경에 적합한 작물을 선별하는 것은 우주 농업의 핵심 과제다. 다양한 작물, 우주 농업의 미래를 밝히다 연구진은 옥수수 외에도 브로콜리, 호박, 콩, 알팔파 등 다양한 작물을 대상으로 실험을 진행 중이다. 특히, 알팔파는 달과 화성 토양 모두에서 높은 생존율을 보이며 미래 우주 농업의 핵심 작물로 떠올랐다. 알팔파는 질소 고정 능력이 뛰어나 토양을 비옥하게 만드는 효과가 있다. 또한, 단백질 함량이 높아 영양학적으로도 우수하며, 가축 사료로도 활용 가능하다. 영화 '마션(The Martian)'에서 화성에 홀로 남겨진 식물학자이자 기계공학자인 주인공 마크 와트니(맷 데이먼 분)가 화성에서 생존하기 위해 감자를 재배했던 장면처럼, 감자는 향후 연구에서 다룰 중요한 작물 중 하나다. 감자는 탄수화물 함량이 높고 재배가 용이하여 우주 식량 자원으로서 큰 잠재력을 지니고 있다. 달, 자급자족 시대 앞당길까? 2019년 발표된 연구에 따르면, 화성이 자급자족 가능해지기까지는 약 100년이 소요될 것으로 예상된다. 반면, 나사의 연구에 따르면 달은 몇십 년 안에 자급자족이 가능할 수도 있다. 지구와의 거리가 짧아 물자 수송이 용이하다는 점이 달의 큰 장점이다. 하지만, 달에는 대기가 없어 소행성 충돌이나 태양 복사에 대한 대비책 마련이 필요하다. 화성은 방사선, 극저온, 독성 물질인 과염소산염 등 극복해야 할 환경적 난관이 많다. 특히, 토양의 유기물 부족은 작물 재배에 큰 어려움을 야기한다. 우주 농업, 지구 농업의 미래를 밝히다 우주 농업 연구는 단순히 우주 탐사를 위한 기술 개발을 넘어 지구 농업의 혁신에도 기여할 수 있다. 극한 환경에서 작물을 재배하는 기술은 기후 변화와 토지 황폐화 등으로 어려움을 겪는 지구 농업에 새로운 해결책을 제시할 수 있다. 예를 들어, 우주 농업 기술은 사막화 지역이나 척박한 토양에서의 작물 재배에 응용될 수 있다. 이번 연구는 인류의 우주 진출과 지속 가능한 미래를 위한 중요한 발걸음이다. 달과 화성의 토양 특성을 정확히 이해하고, 이에 맞는 작물 재배 기술을 개발하는 것은 우주 농업 성공의 핵심 열쇠다. 앞으로 더욱 활발한 연구를 통해 우주에서 인류가 자립할 수 있는 기반을 마련해야 한다. 특히, 우주 환경의 극심한 온도 변화, 방사선, 낮은 중력 등에 대응하기 위한 인공 환경 제어 기술 개발과 인력 부족 문제를 해결하고 효율성을 높이기 위한 자동화된 농작물 재배 시스템 구축도 중요한 과제다. 끊임없는 연구 개발과 투자를 통해 우주 농업의 꿈을 현실로 만들어 나가야 한다.
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- 포커스온
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[퓨처 Eyes(67)] 우주 농업, 달에서 희망을 싹틔우다
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"생명 진화의 시작은 20억 년 전부터"⋯타임라인 15억 년 끌어 올렸다
- 지구에서 생명의 시작은 약 20억년 전에 발생했다는 새로운 연구 결과가 나왔다. 전 세계 생명체의 역사는 암석에 기록된다. 생명의 역사와 진화는 화석 및 화석이 발견되는 퇴적물 층에 새겨져 있다. 지금까지의 정설은 생명의 시작은 대략 5억 년 전부터였다. 그런데 최근 미국 버지니아 공대 연구진은 생명의 역사를 거의 20억 년 전으로 확장, 시간표를 15억 년이나 연장하는 연구 보고서를 발표했다. 이 연구는 사이언스지에 실렸으며 어스닷컴이 요약해 전했다. 생명 차트 확장 지금까지 발견된 화석의 증거는 지난 5억 년 동안 생물 진화의 이정표를 기록해 왔다. 그런데 버지니아 공대 지생물학자 슈하이 샤오 박사가 이끄는 연구진은 원생대 고대 생명체 시대를 최대 25억 년 전까지 확장하는 분석 결과를 얻었다. 원생대 생명체는 일반적으로 더 작고 부드러웠으며, 뼈대가 없는 해면동물은 화석 흔적을 거의 남기지 않았다. 이 흔적을 연구진이 찾아낸 것. 샤오 박사는 "이번 연구는 지금까지 이 기간에 대한 가장 포괄적인 최신 분석이다"라고 말했다. 연구진은 분석을 위해 더 높은 시간적 해상도의 그래픽 상관관계 프로그램을 적용했다. 연구 결과는 원생대 생명체의 전 세계적 다양성과 진화에 대한 고해상도 분석을 제공한다. 생명 차트는 광대한 기간 동안 생명의 역사가 어떻게 전개되었는지에 대한 정보를 제공한다. 원생대 생명체에 대한 기초적인 이해 연구에 따르면 약 25억 년에서 5억 4100만 년 전까지 지속된 원생대 기간 동안, 지구상의 생명체는 대부분 단순하고 미세했다. 박테리아나 조류 등 작은 단세포 유기체가 바다에서 유영했던 것으로 보인다. 이러한 초기 생명체는 지구를 형성하는 데 큰 역할을 했다. 그들은 광합성을 통해 산소를 생산했고, 산소가 점차 대기를 채워 더 복잡한 생명체가 발달할 수 있는 기반을 마련했다. 원생대 중반에는 진핵생물이라는 더 진보된 세포가 나타났다. 이 세포들은 오늘날 모든 식물과 동물의 구성 요소로, 세포 안에는 핵과 다른 특수한 구조가 있다. 원생대가 진행되면서 생명은 더욱 진화하기 시작했다. 원생대가 끝나갈 무렵, 진핵 세포 중 일부는 단순한 다세포 유기체를 형성하기 시작했다. 이는 오늘날 우리가 보는 생명체의 다양성을 위한 토대를 마련했다. 이 시대의 화석은 작은 세포 군집과 단순한 바다 생물의 첫 징후를 보여준다. 생명은 여전히 대부분 바다에 서식했지만, 이러한 초기의 진화는 다음 시대인 현생대에 일어날 생명의 폭발을 위한 무대를 제공했다. 원생대 해양 진핵생물의 진화 연구팀은 핵이 있는 세포를 가진 유기체인 고대 해양 진핵생물의 진화를 분석했다. 이 초기 진핵생물은 동물, 식물, 균류의 조상이었고, 이들은 지구상의 복잡한 생명의 길을 열었다. 연구진은 진핵생물이 적어도 18억 년 전에 처음 나타났다는 것을 발견했다. 그리고 '지루한 10억 년'이라고 불리는 그 다음 10억 년 동안 이 상황은 크게 변하지 않았다. 종은 느리게 진화했고 다양성은 안정적으로 유지되었으며 새로운 종이 출현하거나 오래된 종이 멸종하는 경우는 거의 없었다고 한다. 이 지루하지만 평온했던 기간은 지구가 극적인 변화를 겪으면서 결국 끝났다. 그 후 환경 변화와 진화로 다양성이 급증했고 오늘날 우리가 알고 있는 복잡한 생태계의 발전 무대가 마련됐다. 빙하기가 생명의 진화에 미친 영향 7억 2000만 년에서 6억 3500만 년 전에 지구는 적어도 두 번의 심각한 빙하기를 경험했다. 전 지구적 빙하기는 지구를 얼음 속으로 몰아 넣었고, 생명체의 궤적을 바꾸어 놓았다, 샤오 박사는 "빙하는 다양성과 역동성 측면에서 진화 경로를 재설정한 주요 요인이었다"라고 설명했다. 빙하기 직후 진핵생물 종이 빠르게 교체된 것이다. 이로써 지루한 10억 년이 끝나고 역동적인 생물 다양성 시대가 시작됐다. 그렇다면 지루한 10억 년 동안 진핵생물 진화는 왜 그렇게 느리고 안정적으로 유지되었을까. 그 이유는 이 기간 동안 종의 교체율이 낮았기 때문이다. 빙하기를 거치면서 기후 변화와 대기 중 산소 수치 상승이 생명체 진화를 가속하는 역할을 했을 것으로 추정된다. 또는 유기체 간의 경쟁이나 상호 작용이 신속한 종의 진화를 이끌었을 것이라는 해석도 있다. 원생대 생명에 대한 이번 연구는 현대 동물, 식물, 균류의 조상인 초기 진핵생물이 어떻게 진화했는지에 대한 이해를 높여주고 있다. 또 수십억 년에 걸쳐 생물과 지구 환경이 어떻게 서로에게 영향을 미쳤는지도 보여준다는 지적이다.
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- IT/바이오
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"생명 진화의 시작은 20억 년 전부터"⋯타임라인 15억 년 끌어 올렸다
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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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[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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- 경제
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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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- 산업
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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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- IT/바이오
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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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- IT/바이오
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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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[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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[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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[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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