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[퓨처 Eyes(49)] 신개념 하이드로겔, 초기 관절염 치료 및 진행 억제 가능성 제시
- 중국 과학자들이 관절염 치료의 새로운 지평을 열 혁신적인 생체 재료 개발에 성공했다. 이번 연구는 퇴행성 관절염으로 고통받는 전 세계 수억 명 환자들에게 새로운 희망을 제시할 것으로 기대된다. 관절염은 뼈 사이의 완충 역할을 하는 연골이 점차 파괴되면서 발생하는 질환이다. 연골 손상은 윤활 감소와 마찰 증가를 초래하여 결국 관절에 돌이킬 수 없는 손상을 입힌다. 특히 성인의 연골은 자연적으로 치유되지 않아 치료가 어려운 난제로 꼽혀왔다. 관절염, 삶의 질 저하시키는 질환 세계보건기구(WHO)에 따르면, 전 세계 관절염 환자 수는 꾸준히 증가하여 1990년부터 2019년까지 113% 증가한 5억 2800만 명에 달한다. 인구 고령화와 현대인의 생활 방식 변화가 관절염 증가세를 부추기고 있다. 국내에서도 관절염 문제는 심각하다. 국민건강보험공단 통계에 따르면, 무릎 관절염 환자 수는 지난해 기준 4년간 6.7% 증가했다. 특히 60대 이상 노년층에서 무릎 관절염 발병률이 높게 나타났다. 무릎 관절염은 초기에는 간헐적인 통증으로 시작되지만, 방치할 경우 심각한 통증, 다리 변형, 보행 장애까지 이어질 수 있다. 손상된 연골, 정밀하게 치료한다 이번에 중국 연구팀이 개발한 기술은 '하이드로겔 마이크로스피어(HMS)'와 항체를 결합하여 연골 윤활을 회복시키는 획기적인 치료법이다. 홍콩 매체 사우스차이나 모닝 포스트(SCMP)에 따르면 상하이 고등 연구소와 창사 샹야 국립 병원 연구팀은 손상된 조직 복구에 널리 사용되는 '하이드로겔 마이크로스피어'를 활용하여 관절염 치료의 새로운 접근법을 제시했다. 이번 연구 결과는 첨단 소재 분야 학술지 '어드밴스트 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 게재됐다. 이 혁신적인 마이크로스피어는 천연 단백질에서 추출한 젤라틴 메타크릴레이트와 합성 고분자인 폴리(설포베타인 메타크릴레이트)를 결합하여 만들어졌다. 이 두 물질의 조합은 세포 성장과 수분 공급에 이상적인 환경을 제공한다. 연구팀은 나아가 손상된 연골에 결합하고 마이크로스피어에 부착되는 표적 항체를 개발하여 치료 효과를 극대화했다. 이 새로운 치료법은 기존 생체 윤활제와 달리 염증 부위를 정확하게 표적하여 치료할 수 있다는 장점을 가진다. '하이드로겔 마이크로스피어'는 작고 균일한 구형의 하이드로겔 입자이다. 쉽게 말해, 아주 작은 크기의 물을 많이 머금을 수 있는 3차원 젤리 공을 떠올리면 된다. 크기는 일반적으로 마이크로미터(㎛) 단위로 매우 작다. 구조는 3차원 망상구조를 가진 친수성 또는 양친매성 고분자 사슬이 가교되어 형성된다. 쉽게 비유하자면, HMS는 작은 스펀지처럼 물을 흡수하여 촉촉함을 유지하고, 필요한 물질을 머금고 있다가 서서히 방출하는 역할을 한다. 이러한 특성 덕분에 약물 전달, 조직 공학, 세포 배양 등 의료 분야에서 다양하게 활용될 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 쥐 실험 통해 초기 골관절염 치료 효과 입증 연구팀은 개발한 생체 물질을 쥐에게 주입하여 초기 골관절염 치료 효과를 검증했다. 그 결과, 이 치료법은 골관절염 증상을 완화하고 추가적인 관절 손상을 예방하는 데 효과적인 것으로 나타났다. 특히, 새로운 생체 재료는 표준 식염수 주입과 비교했을 때 마찰을 줄이고 관절 윤활을 개선하는 측면에서 기존 치료법보다 뛰어난 성능을 보였다. 보고에 따르면 마찰 계수는 표준 식염수 주입에 비해 '3분의 1' 이상 감소했다. 이번 연구는 특히 초기 단계 관절염 치료에 대한 유망한 접근 방식을 제시한다. 표적 윤활 제공과 추가적인 관절 손상 예방을 통해 관절염 치료의 새로운 패러다임을 열 것으로 기대된다. 연구팀은 "개발된 주입형 표적 윤활 HMS와 정밀 표적 윤활 HMS는 특히 초기 단계의 골관절염 진행을 늦추는 데 유망하고 편리한 기술"이라고 강조했다. 관절염 치료의 새 지평 열리나 앞서 미국 노스웨스턴대학교 연구팀은 손상된 무릎 연골을 재생하는 새로운 생체 활성 물질을 개발하고, 양을 이용한 실험에서 성공적인 결과를 얻었다. 이 새로운 생체 재료는 연골 성장 및 유지에 필수적인 단백질인 TGFb-1에 결합하는 생체 활성 펩타이드와 연골 및 관절의 윤활 활액에 존재하는 천연 다당류인 히알루론산으로 구성되어 있다. 노스웨스턴 연구팀은 새로운 생체 재료 물질을 동물 모델인 양의 손상된 무릎 연골에 적용한 결과, 6개월 이내에 새로운 연골이 생성되는 것을 확인했다. 새로 생성된 연골은 통증 없는 기계적 탄력성을 가능하게 하는 천연 생체 고분자인 콜라겐 II와 프로테오글리칸을 포함하고 있었다. 해당 연구 결과는 미국 국립과학원회보(PNAS)에 게재됐다. 관절은 일단 망가지면 자연적으로 재생되지 않아 그동안 치료의 한계가 있었다. 그러나 이처럼 연골을 재생시키기 위한 전 세계 과학자들의 노력이 합쳐지면 관절염 치료를 더욱 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.
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[퓨처 Eyes(49)] 신개념 하이드로겔, 초기 관절염 치료 및 진행 억제 가능성 제시
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[기후의 역습(51)] NASA, 남극 해저 탐사 로봇 개발⋯해수면 상승 예측 정확도 높인다
- 과학자들이 로봇으로 기후 변화로 예상보다 빨리 녹는 남극 빙붕 탐사에 나선다. 미국 항공우주국(나사·NASA) 산하 제트추진연구소(JPL)는 남극 빙붕 아래 심해를 탐사할 수 있는 자율주행 로봇을 개발 중이다. 이 로봇은 인간이 접근하기 어려운 극한 환경에서 빙하 해빙 속도와 해수면 상승 영향 등을 파악하는 데 활용될 예정이다. 나사는 홈페이지를 통해 '아이스노드(IceNode)' 프로젝트를 통해 인간이 접근하기 어려운 험지인 빙붕의 녹는 속도를 측정하기 위해 자율주행 로봇 함대 구축을 구상하고 있다고 밝혔다. 남극 대륙이 완전히 녹으면 전 세계 해수면이 약 60m(약 200피트) 상승할 것으로 추정된다. 남극 빙상의 녹는 속도는 해수면 상승 예측에서 가장 큰 불확실성 중 하나다. 기온이 따뜻해지면 표면이 녹는 것처럼 얼음도 아래에서 순환하는 따뜻한 바닷물과 접촉하면 녹는다. 바닷물 속의 빙하가 녹는 속도는 그동안 과학자들이 직접 관측하지 못해서 간과해왔던 부분이다. 나사는 "해수면 상승을 예측하는 컴퓨터 모델을 개선하기 위해서 과학자들은 특히 육지에서 뻗어나온 수마일 길이의 떠다니는 얼음판인 빙붕 아래에서 녹는 더 정확한 속도가 필요하다"면서 "빙붕(ice shleves)은 해수면 상승에 직접적으로 기여하지는 않지만 빙상(ice sheets)이 바다로 흘러들어가는 속도를 크게 낮춘다"고 설명했다. '아이스노드' 프로젝트, 알래스카 첫 실험 성공 아이스노드의 엔지니어들은 우주 탐사용 로봇 설계에 대한 전문성을 활용해 길이 약 2.4m(약 8피트), 지름 25cm(10인치)의 자율로봇 차량을 개발하고 있다. 이 차량은 한쪽 끝에서 튀어나와 로봇을 얼음 아랫면에 부착하는 3개 다리의 랜딩 기어가 있다. 로봇에는 어떠한 형태의 추진력이 없으며, 대신 해류 모델의 정보를 사용하는 새로운 소프트웨어의 도움으로 자율적으로 위치를 잡을 수 있다. JPL 연구팀은 지난 3월 알래스카 북부 보퍼트 해에서 원통형 로봇을 수심 30m까지 내려 더이터를 수집하는 데 성공했다. 당시 보퍼트 기온은 섭씨 영하 45도(화씨 영하 50도)로 인간과 로봇 모두에게 도전이었다. 이는 '아이스노드' 프로젝트의 첫 번째 단계로, 궁극적으로는 남극 빙붕에 로봇들을 부착해 장기간 데이터를 수집하는 게 목표다. 로봇의 센서는 따뜻하고 짠 바닷물이 얼마나 빨리 순환해 얼음을 녹이는 지, 그리고 더 차갑고 신선한 녹을 물이 얼마나 빨리 가라앉는지 측정할 것이다. 남극 빙붕 해빙, 해수면 상승 가속 우려 최근 연구들은 남극 빙하가 예상보다 빠르게 녹고 있음을 시사하며, 해수면 상승 예측이 과소 평가됐음을 제기했다. 남극 빙상 전체가 녹을 경우 해수면은 약 60m 상승해 해안 도시들을 위협할 수 있다. 과학자들은 특히 빙하 유출을 막는 '코르크' 역할을 하는 빙붕의 해빙 메커니즘을 이해하는 데 주력하고 있다. 아이스노드 로봇 함대는 최대 1년 동안 운영되며, 계절적 변동을 포함한 데이터를 지속적으로 수집한다. 그런 다음 로봇은 얼음에서 분리되어 위성을 통해 데이터를 전송한다. JPL 로봇 공학자이자 아이스노드의 수석 연구원인 폴 글릭은 "이 로봇은 지구상에서 가장 접근하기 어려운 곳에 과학 장비를 가져다주는 플랫폼"이라며 "어려운 문제에 대한 안전하고 비교적 저렴한 솔루션이 되도록 고안됐다"고 설명했다. 이번 로봇 개발은 접근 불가능한 지역의 데이터 수집을 가능하게 해 해수면 상승 예측 정확도를 높이는 데 기여할 것으로 기대된다.
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[기후의 역습(51)] NASA, 남극 해저 탐사 로봇 개발⋯해수면 상승 예측 정확도 높인다
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[우주의 속삭임(49)] 블랙홀과 암흑물질, 빅뱅 이전부터 존재했다?
- 블랙홀과 암흑물질의 비밀은 빅뱅 이전의 우주에 ‘비밀스러운 다른 모습’이 있었을 수 있다는 새로운 '바운싱' 우주론을 암시하고 있다는 새로운 연구가 발표돼 주목된다고 라이브사이언스가 전했다. 연구에서 제시하는 '바운싱'은 빅뱅 이전에 수축했다가 팽창으로 '튀어오르는 상황'을 의미한다. 우주론과 우주미립자 저널(Journal of Cosmology and Astroparticle Physics)에 최근 게재된 연구에 따르면 우주는 빅뱅 이전에 먼저 응축되는 기간을 겪었으며, 이로 인해 암흑물질의 수수께끼 같은 본질을 설명할 수 있는 블랙홀이 생성되었을 가능성이 있다. 연구에서 제시된 이론은 "우주는 초기 형성 단계에 먼저 수축해 극도로 밀도가 높은 상태에 도달한 후, 다음 단계에서 반등해 팽창, 즉 빅뱅 단계에 진입해 오늘날의 우주가 형성됐다"는 제안이다. 빅뱅 전에 수축이 먼저 일어났고, 이로 인해 밀도가 증가해 변동하면서 빅뱅 및 현재 관찰되는 가속 팽창으로 이어졌다는 것. 연구진은 수축의 정도를 오늘날보다 약 50배 작은 크기까지 응축되었다고 추정했다. 이는 우주가 빅뱅이라는 단일 사건에서 유래해 그 후부터 빠르게 팽창했다는 전통적인 우주론에 도전하는 것이다. 연구에 따르면 '수축 후 반등'은 블랙홀과 암흑물질에 대한 이해에 심오한 결과를 가져올 수 있다. 또 연구는 우주의 수축 단계에서 밀도 변동으로 인해 작은 블랙홀이 생겨났을 수 있다고 추정하고 있다. 이러한 원시 블랙홀은 반등을 견뎌내고 현재의 팽창 단계로 지속돼 우주 물질의 약 80%를 차지하는 암흑물질을 구성할 수 있다. 암흑물질은 여전히 수수께끼로 남아 있는 영역으로 빛을 반사, 흡수 또는 방출하지 않는다. 프랑스 국립 과학연구센터(CNRS)의 패트릭 피터 박사는 "작은 원시 블랙홀은 우주의 아주 초기 단계에서 생성될 수 있으며, 블랙홀이 극도로 작지 않다면 지금도 여전히 존재할 것이다. 이는 호킹(톡톡 튐) 복사로 인한 붕괴가 블랙홀을 제거하기에 충분치 않을 것이기 때문이다. 소행성 질량과 거의 비슷한 무게를 가진 블랙홀은 암흑물질 규명에 기여하거나 심지어 완전히 해결할 수도 있다"고 설명했다. 이 튀는 우주론 이론이 사실로 입증된다면, 특히 블랙홀과 암흑물질과 관련해 우주에 대한 이해에 혁명을 일으킬 수 있다. 원시 블랙홀의 존재는 빛과의 상호 작용이 부족해 과학자들이 오랫동안 이해하지 못했던 암흑물질의 본질에 대한 설득력 있는 정보를 제공할 수 있다. 한편, 천문학계는 '레이저 간섭계 우주 안테나(LISA)와 아인슈타인 망원경' 등 다가올 중력파 검출기가 이러한 원시 블랙홀이 생성되는 동안 방출된 중력파를 식별할 수 있는 기능을 갖추기를 희망하고 있다. 이 중력파가 감지된다면 이런 블랙홀이 암흑물질을 구성한다는 가설을 뒷받침하는 중요한 증거가 될 수 있다.
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- IT/바이오
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[우주의 속삭임(49)] 블랙홀과 암흑물질, 빅뱅 이전부터 존재했다?
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[우주의 속삭임(48)] NASA, 지구 '양극성 전기장' 세계 최초 발견
- 미국 항공우주국(나사·NASA)이 최근 인듀어런스(Endurance) 임무를 통해 지구의 양극성 전기장을 밝혀냈다. 이는 지구의 대기 역학을 이해하고 다른 생명체가 살 수 있는 행성을 탐사하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 나사는 홈페이지를 통해 국제 연구팀이 NASA의 준궤도 로켓 관측을 통해 지구의 중력 및 자기장과 함께 근본적인 역할을 하는 것으로 추정되는 '양극성 전기장'을 세계 최초로 측정하는 데 성공했다고 밝혔다. 과학전문매체 사이테크데일리, 라이브사이언스 등은 지구 양극성 전기장에 대해 중점적으로 다루었다. 60여 년 전 처음 감지된 뒤 가설로 제시된 이 전기장은 지구 극지방에서 끊임없이 우주로 방출되는 하전 입자의 흐름인 '극풍(Polar Wind)'의 주요 원동력이다. '양극성 전기장'은 지구의 상층 대기, 즉 극지방에서 발생하는 약한 전기장이다. 이 전기장은 대기 중의 이온과 전자의 움직임에 영향을 주어 극풍이라는 현상을 일으킨다. 극풍은 대기 중의 하전 입자들이 지구의 자기력선을 따라 우주 공간으로 빠져나가는 현상이다. 이 전기장은 양방향 즉 '양극성'인데, 이는 두 방향으로 모두 작동하기 때문이다. 이온은 중력에 의해 가라앉을 때 전자를 아래로 당긴다. 동시에 전자는 이온이 우주로 탈출하려고 할때 이온을 더 높은 높이로 들어올린다. 나사는 "양극성 장은 상층 대기의 대전된 입자를 원래 도달할 수 있는 높이보다 더 높은 곳까지 끌어 올리며 아직 탐구되지 않는 방식으로 우리 지구의 진화에 영향을 미쳤을 수 있다"고 설명했다. 양극성 전기장은 지구의 중력 및 자기장처럼 지구의 근본적인 특성 중 하나로 여겨지지만 그 존재를 직접 측정하기는 매우 어려웠다. 나사는 최근 인듀어런스 임무를 통해 처음으로 양극성 자기장의 존재를 확인하고 그 강도를 측정하는 데 성공했다. 이를 통해 과학자들은 지구 대기의 탈출 과정과 이온층의 형성 과정을 더 잘 이해할 수 있게 됐다. 앞서 과학자들은 이 전기장이 고도 약 250km(약 150마일)에서 대기 중의 원자가 음전하(-)를 띤 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리되기 시작한다는 가설을 세웠다. 전자는 엄청나게 가벼워서 에너지를 조금만 가해도 우주로 날아갈 수 있다. 반면, 이온은 전자보다 최소 1836배 무겁고 땅을 향해 가라앉는 경향이 있다. 중력만 작용한다면 한 번 분리된 두 개체군은 시간이 지남에 따라 서로 멀어질 것이다. 하지만 전자와 이온은 서로 반대 전하를 띠고 있기 때문에 전기장에 형성되어 전하가 분리되는 것을 방지하고 중력의 영향을 일부 상쇄한다. 이 전기장은 상층 대기의 하전 입자들을 더 높은 고도로 끌어 올려 지구의 진화 과정에 아직 밝혀지지 않은 영향을 미쳤을 가능성이 있다. 아원자 규모에서 생성되는 가설의 전기장은 매우 약해서 수백마일 이상에서만 그 효과가 느껴질 것으로 예상됐다. 수십년 동안 이 전기장을 감지하는 것은 기존 기술의 한계를 넘어서는 일이었다. 글린 콜린슨과 그의 팀은 2016년 지구의 양극장을 측정할 수 있는 새로운 기기를 발명하기 시작했다. 나사의 인듀어런스는 2022년 5월 11일 발사돼 약 768km(약 477.23마일) 고도에 도달한 뒤 19분 후 그린란드해에 낙하했다. 인듀어런스는 양극성 자기장 데이터를 수집한 약 518km(322마일) 고도 범위에서 0.55볼트에 불과한 전위 변화를 측정했다. 멜린랜드 주에 있는 나사 고다드 우주빙행센터의 인두어런스 수석연구원이자 이 논문의 주저자인 글린 콜린슨은 "0.55볼트는 거의 아무 것도 아니며 시계 배터리 정도에 불과하다"면서 "하지만 이 정도면 극지방의 바람을 설명하기에 적당한 양이다"라고 설명했다. 극풍에서 가장 풍부한 입자인 수소 이온은 이 전기장에서 중력보다 10.6배 강한 외력을 경험한다. 나사 고다드의 지구력 프로젝트 과학자이자 논문의 공동 저자인 알렉스 글로서는 "이는 중력에 대항하기에 충분하며, 실제로 초음속으로 우주로 발사하기에 충분하다"고 말했다. 콜린슨은 "이것은 마치 대기를 우주로 들어올리는 컨베이어 벨트와 같다"고 덧붙였다. 연구팀은 이번 발견을 통해 지구 대기의 복잡한 움직임과 진화 과정을 이해하고, 지구 역사뿐 아니라 다른 행성의 비밀을 밝히고 생명체 존재 가능성을 판단하는 중요한 단서를 얻을 수 있을 것으로 전망했다. 이번 연구 결과는 2024년 8월 28일 학술지 '네이처(Nature)'에 게재됐다.
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[우주의 속삭임(48)] NASA, 지구 '양극성 전기장' 세계 최초 발견
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[우주의 속삭임(46)] 화성 운석 200개, 단 5개 분화구에서 지구로
- 화성에서 지구로 떨어진 운석 약 200개가 단 5개의 분화구에서 방출됐다는 연구 결과가 나왔다고 사이언스얼러트가 전했다. 지구와 화성은 직접적인 충돌은 없었지만, 물질 교환은 빈번하게 이루어져 왔다. 태양계의 격렬한 환경으로 인해 화성에서 떨어져 나온 물질들이 우주 공간을 가로 질러 지구로 떨어지는 현상이 발생한다. 태양계의 네 번째 행성인 화성의 표면적은 지구의 4분의 1에 해당하는 작은 행성이지만 태양계에서 가장 높은 화산 지대가 있다. 타르시스는 화성 서반구 적도 부근을 중심으로 한 거대한 용암 지대로 태양계에서 가장 큰 화산 지대이다. 현재까지 지구에서 발견된 운석 중 약 390개가 화성 기원으로 확인됐으며, 과학자들은 이 중 200개의 운석이 화성 표면의 특정 지역에서 유래됐음을 밝혀냈다. 놀랍게도 이 200개의 운석은 모두 화성의 타르시스(Tharsis)와 엘리시움(Elysium) 지역에 위치한 단 5개의 충돌 분화구에서 떨어져 나온 것으로 확인됐다. 캐나다 앨버타 대학교의 지질학자 크리스토퍼 허드는 "이제 우리는 이 운석들을 공통된 역사와 지구로 오기 전 화성 표면에서의 위치에 따라 분류할 수 있다"고 말했다. 물론 화성의 암석이 지구에 도달하는 과정은 쉽지 않다. 먼저 거대한 암석이 화성 표면에 강력하게 출동해 큰 분화구를 만들고, 화성 암석들을 탈출 속도에 도달할만큼 충분한 힘으로 날려 보내야 한다. 그 후 이 파편들은 수백만년이 걸릴 수 있는 지구까지의 여정을 견뎌내야 한다. 마지막으로 암석이 지구에- 도착하면 대기권 진입 시의 열과 압력을 견뎌내고 지구 표면에 충돌해0야 한다. 다행히도, 암석이 지구에 도착하면 과학자들은 암석의 특징을 연구해 비슷한 특성을 가진 운석들과 비교 분석하고, 어떤 암석들이 같은 충돌 사건 및 지구로의 여정을 공유하는 지 파악할 수 있다. 허드 박사와 그의 연구팀은 5개의 화성 운석 그룹의 발원지를 파악하기 위해 원격 감지, 모델령 및 분화ㅑ구 연대 측정과 같은 기술의 발전을 활용했다. 연구팀은 운석 그룹의 광물 프로파일을 바탕으로 화성 표면에서 해당 프로파일과 일치하는 위치를 찾았다. 대부분의 화성 운석은 화성암이기 때문에 화성의 화산 지역 중 운석의 연령과 광물 성분이 일치하는 지역을 찾는 작업이 포함됐다. 또한 적절한 연령의 분화구를 찾는 것도 중요했다. 10개의 화성 운석 그룹은 모두 60만년에서 2000만년전 사이에 방출됐다. 암석 자체와 암석이 지구에 도달할만큼 강하게 날아갔단느 사실을 바탕으로, 연구팀은 암석을 날려보낸 충돌을 모델링해 원래 분화구를 식별하는 데 도움을 얻을 수 있었다. 팀은 한 운석 그룹의 가능성을 단일 분화구로 좁힐 수 있었다. 나머지 네 그룹의 경우 각각 여러 ㅂ후보가 확인됐지만, 5개 모두 타르시스 또는 엘리시움 화산 지역으로 좁힐 수 있엇다. 향후 연구에 추가적인 제약 조건을 추가함으로써 위치를 더욱 좁힐 수 있으며, 이는 화성을 정밀하게 연구할 수 있는 훌륭한 도구를 제공한다. 허드는 "어쩌면 우리는 화성 표면에서 날아가기 전에 모든 암석의 위치, 화산 층서를 재구성할 수도 있다. 생각해보면 정말 놀랍다. 실제로 허ㅏ성에 가서 암석을 집어드는 것과 가장 가까운 것이다"라고 말했다. 이 연구는 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 게재됐다.
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[우주의 속삭임(46)] 화성 운석 200개, 단 5개 분화구에서 지구로
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[퓨처 Eyes(48)]세계 최초, 전자의 움직임 포착하는 '아토현미경' 개발 - 과학계 새 지평 열다
- 미국 애리조나 대학교 연구팀이 세계 최초로 전자의 움직임을 포착하는 투과 전자 현미경, 일명 '아토현미경' 개발에 성공했다. 이 현미경은 찰나의 순간에도 지구를 수십 바퀴 돌 수 있는 전자의 움직임을 포착할 수 있을 정도로 강력하다. 전자는 아주 작은 입자로 원자를 구성하는 기본 요소 중 하나다. 전자는 음(-)의 전하를 띠고 있으며, 원자핵 주변을 빠르게 돌고 있다. 전자의 움직임은 전기, 빛, 화학 반응 등 다양한 현상의 근본적인 원인지 된다. 연구팀은 움직이는 전자의 정지 프레임 화면을 찍을 만큼 강력한 아토현미경 개발이 물리학, 화학, 생명공학, 재료 과학 등 다양한 분야에 획기적인 발전을 가져올 것으로 기대하고 있다. 연구를 주도한 모하메드 하산(Mohammed Hassan) 물리학 및 광학 과학 부교수는 "이 투과 전자 현미경은 최신 스마트폰에 탑재된 고성능 카메라와 같다"며 "이전에는 볼 수 없었던 전자의 움직임을 관찰하고, 이를 통해 과학계가 전자의 행동과 양자 물리학을 더 깊이 이해할 수 있기를 바란다"고 밝혔다. 전자 빔 투과로 상세 이미지 생성 투과 전자 현미경은 빛 대신 전자 빔을 사용하여 물체를 최대 수백만 배까지 확대하는 장비다. 기존 광학 현미경으로는 볼 수 없는 미세한 부분까지 관찰할 수 있어 과학 연구에 널리 활용되고 있다. 다시 말하면, 투과 전자 현미경은 가시광선을 사용하는 대신 전자 빔을 연구 중인 샘플에 통과시킨다. 전자와 샘플 사이의 상호작용은 렌즈로 포착되고 카메라 센서로 감지되어 샘플의 상세한 이미지를 생성한다. 이와 같은 원리를 사용하는 초고속 전자 현미경은 2000년대 처음 개발됐으며, 레이저를 사용해 펄스 전자 빔을 생성한다. 이 기술은 현미경의 시간적 해상도, 즉 시간에 따른 샘플의 변화를 측정하고 관찰할 수 있는 능력을 크게 향상시킨다. 이러한 초고속 현미경에서는 카메라의 셔터 속도에 따라 이미지 품질이 결정되는 대신 투과전자 현미경의 해상도는 전자 펅스의 지속 시간에 따라 결정된다. 펄스가 빠를수록 이미지가 더 선명해진다. 연구팀이 개발한 아토현미경은 펨토초(femtosecond, 1000조분의 1초)보다 훨씬 빠른 아토초(attosecond, 100경 분의 1초-팸토초보다 1000배 더 짧음) 단위로 전자 펄스를 생성한다. 이는 2023년 노벨 물리학상을 수상한 과학자들의 연구를 기반으로 한 것으로, 극자외선 방사선 펄스를 아토초 단위로 측정하는 기술을 응용했다. 아토현미경은 강력한 레이저를 두 개의 초단파 광 펄스로 변환하여 작동한다. 첫 번째 펄스는 샘플에 에너지를 공급하여 전자를 움직이게 하고, 두 번째 펄스는 아토초 단위로 전자 펄스를 생성하여 샘플을 탐색한다. 두 펄스의 정밀한 동기화를 통해 전자의 움직임을 원자 수준에서 실시간으로 관찰할 수 있다. 하산 교수는 "전자 현미경 내부의 시간 해상도 개선은 오랜 숙원이었다"며 "이제 '아토현미경'을 통해 처음으로 전자의 움직임을 볼 수 있게 되었다"고 말했다. 아토현미경 개발의 의미 아토현미경의 개발은 과학계에 새로운 지평을 여는 혁신적인 성과로 평가된다. 전자의 움직임을 실시간으로 관찰할 수 있게 됨으로써, 과학자들은 다음과 같은 분야에서 획기적인 발전을 이룰 수 있을 것으로 기대하고 있다. 1) 물질의 근본적인 특성 규명 아토현미경을 통해 물질 내 전자의 상호작용 및 에너지 전달 과정을 밝혀낼 수 있다. 이는 새로운 소재 개발, 에너지 효율 향상, 촉매 반응 개선 등 다양한 분야에 응용될 수 있다. 2) 생명 현상의 이해 증진 생체 분자 내 전자의 이동 및 화학 반응 과정을 관찰하여 생명 현상의 메커니즘을 밝히고, 질병 치료 및 신약 개발에 기여할 수 있다. 3) 양자 컴퓨팅 기술 발전 양자 컴퓨팅의 핵심 요소인 큐비트의 동작 원리를 이해하고, 양자 컴퓨터 개발에 필요한 기술적 난제를 해결하는 데 도움을 줄 수 있다. 이번 연구 결과는 과학 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 게재됐다.
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[퓨처 Eyes(48)]세계 최초, 전자의 움직임 포착하는 '아토현미경' 개발 - 과학계 새 지평 열다
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[신소재 신기술(99)] 뇌파 읽는 로봇, 뇌졸중 환자 재활 돕는다
- 영국 스코틀랜드에서 로봇이 신경 활동을 감지하는 헤드셋을 사용해 환자와 소통하는 시스템을 개발 뇌졸중 환자의 재활 치료에 도움을 줄 전망이다. 뇌졸중에서 회복하는 과정은 오랜 시간이 걸릴 수 있으며, 마비된 팔다리의 기능을 회복하려면 수시간 동안 반복적인 훈련과 운동이 필요하다. 영국 스코틀랜드 에든버러에 있는 공립 종합대학 해리엇와트 대학교 연구팀 과학자들이 뇌파 감지 헤드셋을 통해 환자와 로봇이 소통할 수 있는 시스템을 개발했다고 과학전문매체 인터레스팅엔지니어링과 BBC 등 다수 외신이 전했다. 이 시스템은 '로봇 코치'가 환자의 뇌 신호를 해석하여 의도된 움직임을 이해하고 재활 운동을 돕는 역할을 수행할 수 있도록 한다. 연구팀은 AIT 오스트리아 기술연구소와 협력해 영국 국립로보타리움(National Robotarium)의 인간-로봇 상호작용(HRI) 팀이 주도하는 바이탈리스(VITALISE) 국제 파일럿 연구의 일환으로 이 시스템을 개발해, 오스트리아 수도 비엔나에서 성공적으로 시험된 바 있다. 이 로봇은 사용자의 뇌신호를 처리해 사용자의 의도된 움직임을 이해할 수 있다. 따라서 로봇 재활 코치 역할을 할 수 있다. 이러한 시스템은 노졸중 및 뇌 손상 환자의 팔다리 기능 회복에 활용될 수 있다. 연구진이 개발한 헤드셋은 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)기술을 사용해 수술 없이 뇌 활동을 읽을 수 있다. 뇌졸중 및 뇌 손상 환자의 약 80%가 팔다리 기능 장애를 겪는데, 이는 삶의 질에 큰 영향을 미칠 수 있다. 이 헤드셋은 일론 머스크의 뇌과학 스타트업 뉴럴링크의 BCI 기술과 달리, 수술 없이 사용할 수 있다는 점이 장점이다. 연구에 사용된 로봇은 인간 의료 종사자의 개입 없이 환자가 재활 루틴을 실행하도록 돕기 위해 프로그래밍됐다. VITALISE 연구팀은 3개월동안 뇌졸중 및 뇌 손상 환자 16명을 대상으로 로봇 코치 시스템을 시험했다. 6명의 치료사가 참여해 로봇이 홤자의 의도를 이해하고 동기를 부여하는 능력을 평가했다. 또한 환자들에게 로봇의 효과에 대한 설문 조사를 진행했다. 이 프로젝트를 진행한 연구원에 따르면, 급성 뇌졸중과 뇌 손상 생존자의 약 80%가 상지(upper limb, 어깨와 손목 사이의 부분) 장애를 겪는다. 이는 삶의 질에 엄청난 영향을 미칠 수 있다. 그러나 팔다리 운동의 재활에는 오랜기간 반복적인 운동을 해야한다. 뇌손상 환자들은 종종 건망증으로 고통 받으며, 그로 인해 환자 중 약 70%가 처방된 재활 루틴을 완료하지 못한다. 인간-로봇 상호작용을 위한 영국 내셔널 로보타리움의 학술 책임자인 린 베일리(Lynne Baillie)는 보도자료에서 "환자가 개인화된 맞춤형 로봇 코치를 이용할 수 는 미래를 상상한다. 이 코치는 임상의와 전문가가 더욱 성공적인 재활 여정을 제공할 수 있도록 지원한다"고 말했다. AIT 오스트리아 공과대학 기술 경험 센터의 과학자이자 에이에이엘 오스트리아(AAL AUSTRIA)의 부사장인 마르쿠스 가르샬은 보도자료에서 "특히 e헬스 분야에서 공동 설계 방법은 매우 유용하고 효과적이다"라고 말했다. 가르샬은 또한 "반신 마비 환자와 물리 치료사 모두에게 사용자 경험과 접근 방식의 타당성을 검토하는 것이 중요했다"며 "동시에 스코틀랜드 과학자들과 국경을 넘나드는 협력도 매우 고무적이었다. 특히 의료 분야에서 훨씬 더 많은 유럽 협력과 교류가 필요하다"고 밝혔다. 이번 연구는 로봇이 뇌파를 읽고 실시간으로 환자에게 필요한 운동을 제시하며 재활 과정을 돕는 가능성을 보여줬다. 향후 추가 연구를 통해 시스템의 효과와 안전성을 검증하고, 실제 재활 현장에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
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[신소재 신기술(99)] 뇌파 읽는 로봇, 뇌졸중 환자 재활 돕는다
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[퓨처 Eyes(47)] 스마트 벌집, 꿀벌 생존율 높이고 지속가능한 양봉 촉진
- 벨기에 과학자들이 첨단 기술을 활용하여 꿀벌의 생존율을 높이고, 지속 가능한 양봉을 가능하게 하는 스마트 벌집을 개발했다. 벨기에 겐트 대학교 더크 드 그라프 교수 연구팀은 빅데이터와 스마트 벌집 기술을 통해 위기에 처한 양봉 산업에 혁신을 가져오고 있다고 PHYS가 전했다. 드 그라프 교수는 스마트폰 알림으로 벌집의 문제를 실시간으로 파악하고, 지난 5년간 개발해온 벌통 데이터 수집 시스템으로 꿀벌 생존율 향상을 기대하고 있다. 유럽 13개국 연구진과 함께 진행한 B-GOOD 프로젝트를 통해 새로운 기술이 꿀벌 건강과 양봉 지속 가능성에 미치는 영향을 연구했다. 이 프로젝트는 2019년 중반부터 2022년 11월까지 진행되었으며, 벌통 문제를 식별하고 양봉가에게 맞춤형 조언을 제공하는 모니터링 시스템 개발에 성공했다. 이는 2021년 기준 EU에 약 61만5000명으로 추정되는 양봉가들에게 큰 도움이 될 것으로 예상된다. 연구팀이 개발한 디지털 벌집은 다양한 센서가 장착된 얇은 회로 기판으로, 벌들이 그 주변에 벌집을 짓도록 유도한다. 각 벌통에 여러 개의 디지털 벌집을 설치하여 연구진은 실시간으로 데이터를 수집하고 분석한다. 가장 중요한 과제는 데이터 해석 방법을 찾는 것이었다. 드 그라프 교수는 "어떤 매개 변수가 벌 군집의 건강 상태에 가장 큰 영향을 미치는지 파악하는 것이 관건이었다"고 설명했다. 3계절 동안 13개 참여국에서 약 400만 개의 벌 군집을 모니터링하며, 디지털 벌집에서 수집된 데이터 해석 알고리즘을 개발했다. 특히 벌 군집의 무게가 겨울나기에 중요한 지표임을 밝혀냈고, 이를 통해 개입이 필요한 벌 군집을 식별하고 양봉가에게 맞춤형 알림과 지침을 제공할 수 있게 되었다. 꿀벌은 야생 식물과 다양한 농작물의 수분에 필수적인 핵심 종이다. 유럽의 작물과 야생 꽃식물종의 약 80%가 곤충 수분에 의존하지만, 기후 변화, 서식지 손실, 살충제 사용 등으로 야생 수분 매개체의 수는 급격히 감소하고 있다. 특히 살충제는 꿀벌의 기억력 문제를 유발하여 벌통으로 돌아오지 못하게 만들고, 기후 변화는 꿀벌의 먹이 공급 불균형과 생존율 저하를 초래한다. 드 그라프 교수는 "꿀벌은 살충제에 노출되었을 때 즉시 죽지 않는 경우가 많지만, 기억력 문제가 발생하고 결국 벌통으로 돌아오지 못하게 된다"고 설명했다. 또한 기후 변화는 꿀벌의 활동과 생존에 심각한 영향을 미치고 있다. 기온 상승으로 인해 식물의 개화 시기가 변하면서 꿀벌의 먹이 공급에 불균형이 발생할 수 있다. 꿀벌이 필요한 시기에 꽃이 피지 않으면 꿀벌은 충분한 먹이를 얻지 못하고 약해질 수 있다. 가뭄이나 폭염 등 극심한 기상 현상은 꿀벌의 수분 활동을 방해하고, 탈수나 열 스트레스를 유발해 꿀벌의 생존율을 낮출 수 있다. 최근 기후 변화로 산불이 급증하고 있다. 산불은 꿀벌의 서식지를 파괴하고, 꿀벌의 먹지 자원을 감소시켜 꿀벌 개체수 감소에 영향을 미친다. 자동 벌통 데이터 수집 기술은 이미 일부 양봉가들 사이에서 사용되고 있으며, 연구진은 EU 꿀벌 파트너십(EU Bee Partnership)과 협력하여 더 많은 양봉가들이 이 기술을 활용할 수 있도록 노력하고 있다. 이 기술은 꿀벌 건강을 새로운 시각에서 바라보고, 미래 벌통을 계획하는 데에도 도움이 될 것으로 기대된다. EU의 지속적인 자금 지원을 통해 B-GOOD 연구진은 2027년 5월까지 BETTER-B 연구 이니셔티브를 통해 꿀벌 보호를 위한 연구를 이어갈 예정이다. 개발된 기술은 양봉가들이 미래 벌통을 계획하는 데에도 도움이 될 수 있다. B-GOOD 팀은 데이터를 사용하여 특정 환경 조건에서 벌통이 어떻게 반응할지 예측하는 가상 환경을 만들었다. 드 그라프 교수는 "이것은 마치 비행 시뮬레이터 같지만, 양봉가를 위한 것"이라고 말했다. 이번 연구는 꿀벌의 생존과 양봉 산업의 지속 가능성을 위한 중요한 발걸음이며, 첨단 기술이 자연과 인간의 공존에 기여할 수 있다는 가능성을 보여준다.
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[퓨처 Eyes(47)] 스마트 벌집, 꿀벌 생존율 높이고 지속가능한 양봉 촉진
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하루 5시간 TV 시청, 치매 위험 50% 증가
- 노년층의 TV 시청 시간이 길수록 뇌졸중 등 뇌 건강 관련 질병 발병 위험이 커진다는 연구 결과가 나왔다. 중국 과학자들이 영국 바이오뱅크에 등록된 40만 명을 대상으로 진행한 연구에 따르면, 하루 5시간 이상 TV를 시청하는 사람들은 치매 발병 위험이 44% 더 높은 것으로 나타났다고 일간 데일리메일이 온라인 판에서 전했다. 또한, TV 시청 시간이 길수록 뇌졸중 및 파킨슨병 발병률도 높아지는 것으로 확인됐다. 연구를 주도한 텐진 의과대학 연구진은 이번 연구 결과를 통해 "과도한 TV 시청 시간이 다양한 뇌 관련 질환의 위험 증가와 연관되어 있음을 시사한다"고 밝혔다. 이번 연구는 영국 바이오뱅크 프로젝트에 참여한 37세~73세 40만7000명의 데이터를 분석한 결과이며, 이 중 4만명은 뇌 스캔을 받았다. 연구 시작 시점에는 뇌 질환 진단을 받은 사람은 없었다. 13년의 추적 관찰 기간 동안 5227명이 치매, 6822명이 뇌졸중, 2308명이 파킨슨병 진단을 받았다. 참가자들의 평균 TV 시청 시간은 하루 2.7시간이었으며, 하루 1시간 이하 시청하는 사람들에 비해 3~5시간 시청하는 사람들은 치매 발병 위험이 15% 높았고, 5시간 이상 시청하는 사람들은 44% 높았다. 또한, 5시간 이상 TV 시청은 뇌졸중 위험 12%, 파킨슨병 위험 28% 증가와도 관련이 있었다. 한편, 컴퓨터 사용 시간은 뇌 질환 위험 증가와 관련이 없었는데, 이는 컴퓨터 사용이 더 많은 '정신적 활동'과 관련되어 있기 때문일 수 있다고 연구진은 설명했다. 연구팀은 5시간 이상 TV 시청이 회백질 감소 및 기억 중추 크기 축소와도 관련이 있음을 발견했으며, 이 두 가지 모두 뇌 질환과 연관되어 있다. 하지만 TV 시청이 정확히 어떤 방식으로 이러한 영향을 미치는지는 아직 명확하지 않다. 한 가지 가능성은 근육 활동이나 에너지 소비가 적은 좌식 생활이 만성 염증이나 뇌 혈류 감소로 이어진다는 것이다. 이번 연구 결과에 대해 케임브리지 대학의 인지 신경학과 제임스 로우 교수는 "약 2시간 정도의 TV 시청은 뇌 건강 위험을 증가시키지 않았다. 따라서 좋아하는 TV 프로그램을 즐긴 후에는 다른 활동을 하는 것이 좋다"고 조언했다.
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하루 5시간 TV 시청, 치매 위험 50% 증가
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[신소재 신기술(96)] 혈당 변화에 즉각 대응하는 '스마트 인슐린' 나온다
- 실시간으로 혈당 수치에 맞춰 조절되는 획기적인 유형의 스마트 인슐린이 개발돼 전 세계적으로 수백만 명에 달하는 1형 당뇨병 환자 치료를 혁신할 가능성이 높아졌다고 신기술 개발 동향을 알리는 인터레스팅엔지니어링이 전했다. 개발된 스마트 인슐린은 필요할 때까지 신체에서 비활성 상태를 유지하다가 혈당을 관리할 시점이 되면 즉시 활성화되어 혈당을 낮추도록 설계됐다. 즉, 혈중 포도당 농도에 반응해 작용하는 스마트 포도당 반응성 인슐린(GRI: Glucose Responding Insulin )이다. 스마트 인슐린은 미국, 영국, 호주, 중국 등의 연구원들이 연합해 개발했다. 이 프로젝트를 담당한 기관 중 하나인 영국 청소년당뇨병연구재단(JDRF: Juvenile Diabetes Research Fund)의 책임자인 레이첼 코너는 "인슐린은 100년 이상 1형 당뇨병 환자들의 생명을 구해 당뇨 치료를 혁신했지만 여전히 충분하지 않다. 인슐린으로 포도당 수치를 관리하는 것은 어려우며, 이제는 과학계가 그 해결책을 찾아야 할 때다"라고 말했다. 현재 증세가 심한 1형 당뇨병 환자는 생존을 위해 하루에 최대 10번까지 합성 인슐린을 주사해야 한다. 혈당 수치의 끊임없는 오르내림은 단기 및 장기적으로 합병증을 유발하는 등 심각한 문제를 일으킬 수 있으며 정신 건강에도 영향을 미칠 수 있다. 기존 인슐린은 주사 시 혈당 수치를 안정시키는 데는 도움이 된다. 그러나 향후의 혈당 변동까지 관리할 수는 없다. 이 때문에 환자가 몇 시간 내에 더 많은 인슐린을 주사해야 하는 경우가 많다. 새로운 포도당 반응성 인슐린은 기존의 인슐린과는 다르게 작용한다. 혈당 수치가 높아질 때만 활성화돼 고혈당을 예방하고, 수치가 너무 낮아지면 비활성화돼 저혈당을 예방한다. 전문가들은 스마트 인슐린이 상용화되는 미래에는 환자가 일주일에 한 번만 인슐린을 투여하면 될 것이라고 추정했다. 스마트 인슐린을 개발한 과학자들은 연구를 가속하기 위해 수백만 달러의 보조금을 받았다. 제1형 당뇨병에 대한 새로운 치료법을 발견하기 위해 영국 당뇨병협회, JDRF, 스티브 모건 재단이 협력, 첨단 연구에 5000만 파운드(873억 원)를 투자하고 있으며 '1형 당뇨병 그랜드 챌린지'를 통해 지원하고 있다. 그랜드 챌린지의 과학 자문 위원회 부의장인 팀 하이즈 박사는 스마트 인슐린이 당뇨병과의 싸움에서 새로운 시대의 시작을 알리는 게임체인저가 될 수 있다고 기대했다. 그는 가디언지와의 인터뷰에서 "1형 당뇨병을 앓고 있는 사람들은 혈당 균형을 맞추기 위해 매일 많은 노력을 기울여야 한다"며 "이번에 개발된 포도당 반응성 인슐린, 소위 스마트 인슐린은 ‘인슐린의 성배’로 생각되며, 이는 약물 요법 중 1형 당뇨병을 치료하는 데 가장 효과적인 솔루션이 될 것"이라고 기대했다. 1형 당뇨병 그랜드 챌린지는 제1형 당뇨병 치료 혁신을 위해 새로운 연구 프로젝트 6개에 270만 파운드(약 47억2200만원) 이상의 자금을 지원하고 있다. 이 자금은 차세대 인슐린 개발을 가속하여 제1형 당뇨병 환자의 삶을 개선하는데 크게 기여하고 있다. 미국, 호주, 중국의 대학에서 수행되는 이 연구는 더 빠르게 작용하면서, 더 정확하게는 1형 당뇨병 관리를 용이하게 함으로써 합병증을 줄이는 인슐린을 개발하는 것을 목표로 하고 있다. 프로젝트 중 4개는 포도당 반응성 인슐린(GRI)을 연구하고 있다.
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[신소재 신기술(96)] 혈당 변화에 즉각 대응하는 '스마트 인슐린' 나온다
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인간 뇌 1㎣, 150억개 연결까지⋯초고해상도 뇌지도 나왔다
- 과학자들이 고해상도 전자현미경을 사용해 인간 뇌조직을 이미지화해 나노 스케일의 3D 지도를 제작했다. 미국 하버드대학교와 구글 연구팀이 인간 뇌 1㎣(1입방밀리미터)의 세포 연결까지 보여주는 초고해상도 뇌지도를 제작했다고 하버드 매거진과 사이테크 데일리 등 다수 외신이 전했다. 이 지도는 뇌의 복잡성을 보여주고, 뇌 기능 이해를 위한 새로운 가능성을 제시한다. 미국 국립보건원(NIH)이 자금을 지원한 이 연구 결과는 '사이언스' 저널에 게재됐다. 하버드 대학교의 제프 리히트만 박사와 구글 리서치의 비렌 자인 박사가 이끄는 연구팀은 전자 현미경(EM)을 사용해 입방밀리미터(1㎣) 크기의 인간 뇌 조직 조각을 고해상도로 이미지화했다. 이 뇌 조직은 뇌전증 수술의 일환으로 환자의 대뇌 피질에서 제거한 것이다. 하버드 매거진에 따르면 리피트만 박사의 연구팀은 10년 동안 대뇌 피질 1㎣를 분석해 인간 뇌의 연결에 대한 최초의 정밀 지도를 제작했다. 뇌 조직 분석 결과 매우 아름답고 목적을 알 수 없는 수 많은 복잡한 구조가 밝혀졌다. 신경 섬유가 다른 세포와 연결되는 경로에 정착하기 전에 마치 제자리에서 맴돌고 있는 것처럼 소용돌이 모양으로 성장하는 모습, 정반대 방향이 두 개의 수용체(수상 돌기)만을 가리키고 연결되지 않은 백질 기저층의 신경 섬유와 연결된 새로운 종류의 뉴런, 신경 섬유가 단일 세포에 50개 이상 연결되는 드문 사례인 다중 시냅스 연결 등이 그것이다. 이들의 관찰은 뇌가 어떻게 연결 되었는지에 대한 가정을 뒤집었다. 리히트만은 "많은 사람들이 과학이 문제를 해결하고, 답을 찾고, 치료할 수 있기를 기대하지만 이 경우에는 단순히 자연을 설명하는 것만으로도 뇌가 '우리가 생각하는 것보다 더 복잡하다'는 것이 밝혀졌다"고 말했다. 연구팀은 먼저 조직을 다이아몬드 칼을 사용해 인간 머리카락의 1천분의 1보다 얇은 5000개 이상의 슬라이스 또는 섹션으로 자른 다음 각 섹션을 EM으로 이미지화했다. 그 결과 약 1.4페타바이트, 즉 1400테라바이트의 데이터가 생성됐다. 팀은 뇌 조직을 5000개 이상의 얇은 조각으로 나누어 각 조각을 전자현미경으로 촬영했다. 이렇게 얻은 1.4페타바이트(PB, 1400테라바이트)의 데이터를 기반으로 3차원 뇌지도를 만들었다. 뇌지도는 5만 7000개 이상의 세포와 약 1억 5000만 개의 시냅스(신경세포 연결 부위)를 포함하며, 이전에는 볼 수 없었던 뇌 구조 세부 정보를 제공한다. 바렌 제인이 이끄는 구굴의 연구팀은 각 슬라이스 내의 객체를 감지하고 일르 연결해 3차원 공간을 렌더링하는 새로운 신경망 기술을 개발했다. 리히트만은 '플러드 필링 신경망' 기술을 사용해 세포, 신경 섬유 및 혈관을 색칠했으며 "기본적으로 여러 섹션에 걸쳐 이러한 객체에 페인트를 붓는 격"이라고 설명했다. 가장 흔한 신경교세포는 신경교세포에 구조적인 지원과 전기적 절연을 제공하는 과립세포였다. 1㎣ 샘플에는 약 230mm의 혈관 세포도 포함되어 있었다. 특히, 연구팀은 재구성을 통해 뇌의 가장 깊은 층에 있는 삼각형 세포들이 서로 마주 보는 두 가지 방향으로 배열되어 있음을 발견했다. 이러한 배열의 의미는 아직 밝혀지지 않았지만, 뇌 기능 이해에 중요한 단서가 될 수 있다. 이번 연구 결과는 뇌 연결체학(뇌 세포 간 연결을 종합적으로 분석하는 학문)의 중요성을 보여주고, 뇌 기능 연구에 새로운 자원을 제공한다. 연구팀은 데이터셋과 분석 도구를 공개하여 다른 연구자들도 이를 활용할 수 있도록 했다. 미국 국립보건원(NIH) BRAIN Initiative 책임자인 존 응아이 박사는 "이번 연구는 신경과학자, 컴퓨터 과학자, 엔지니어 간의 협력이 뇌 기능 이해를 위한 완전한 지도 구축에 얼마나 중요한지를 보여준다"고 말했다.
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인간 뇌 1㎣, 150억개 연결까지⋯초고해상도 뇌지도 나왔다
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[기후의 역습(42)] 화산 폭발, 엄청난 탄소 방출로 온난화 촉발…생물 대량 멸종 초래도
- 자연은 종종 인류의 시급한 과제에 대한 해결책을 제시해 준다. 지구의 지질학적 역사도 마찬가지로 지구 온난화를 이해할 수 있는 정보와 장기적인 통찰력을 제공한다. 지구 역사를 통틀어 재앙을 몰고 온 대규모의 화산 폭발은 대기와 해양에 막대한 양의 탄소를 방출했다. 지구과학 소식을 전하는 어스닷컴은 화산의 엄청난 탄소 방출은 급격한 기후 온난화를 촉발해 육지와 해양 생태계의 대량 멸종으로 이어졌다고 전했다. 나아가 이러한 강력한 화산 활동 기간은 수백만 년 동안 지구의 ‘탄소 및 기후 조절 시스템’을 혼란에 빠뜨렸으며 지구 환경에 지속적인 영향을 미쳤을 가능성이 높다는 지적이다. 이는 취리히 연방 공과대학교(ETH 취리히)의 환경 과학자팀이 진행한 최근 연구 결과다. 연구팀은 지구 역사상 주요 기후 변화에 직면했던 식물이 어떻게 반응하고 진화했는지를 분석했다. 또 이러한 변화가 지구의 자연적 탄소-기후 조절 시스템에 어떤 영향을 미쳤는지도 조사했다. 연구 결과는 사이언스 저널 최신호에 실렸다. 연구팀은 고대 퇴적물에서 발견된 동위원소에 대해 화학적 분석을 수행하는 한편, 분석 데이터를 지구의 지질학적 기후 체계를 조절하는 식물의 역할을 통합해 설계한 모델과 비교했다. 팀은 이 모델을 사용해 화산 활동으로 인한 강력한 탄소 방출에 지구 시스템이 어떻게 반응하는지도 시뮬레이션했다. 팀이 초점을 맞춘 시기는 약 2억 5200만 년 전 페름기-트라이아스기 ‘시베리아 트랩(Siberian Traps)’ 대량 멸종을 포함해 지구 지질학적 역사상 세 가지 중요한 기후 변화였다. 시베리아 트랩은 러시아의 초거대 현무암질 용암지대로, 거대 화산의 분화로 인해 엄청난 양의 용암과 화산재를 지표면에 뿌렸고 이로 인해 생물체가 대량으로 사멸했다고 한다. ETH 취리히의 타라스 게리아 교수는 "시베리아 트랩 형성기 20만 년 동안 약 4만기가톤(Gt)의 탄소를 방출했고, 그 결과 지구 평균 기온이 섭씨 5~10도 상승하면서, 기록상 지구에서 가장 심각한 멸종 사건이 발생했다"고 설명했다. 생물이 온도 상승에 적응하지 못하면서 급속한 생태계 파괴로 이어졌던 것. 연구팀원인 ETH 취리히의 줄리안 로거 박사는 "시베리아 트랩과 같은 재앙적인 사건이 터지면 식물이 원상회복되는 데 수백만 년이 걸릴 수 있다. 장기간 지구의 탄소-기후 조절 시스템은 심각하게 약화되고 비효율화돼 장기적인 기후 온난화가 초래된다"고 설명했다. 재앙적인 화산 폭발의 심각성은 방출된 탄소가 얼마나 빨리 지구 내부로 다시 격리될 수 있는지에 따라 결정된다. 탄소의 격리는 규산염 광물 풍화나 유기 탄소 생성 등의 메커니즘을 통해 발생하며, 이 과정을 통해 탄소는 대기에서 효과적으로 제거된다. 연구에 따르면 화산 폭발 후 기후가 안정화되고 새로운 평형 상태에 도달하는 데 걸리는 시간은 식물이 온난화에 얼마나 빨리 적응할 수 있는지에 크게 좌우된다. 일부 식물 종은 더 시원한 지역으로 이동하는 방법을 택했지만 많은 경우 화산 폭발은 너무나 치명적이어서 식물 종은 지속적인 온도 상승에 적응할 시간이 충분하지 않았고 멸종의 길을 걸었다. 연구 결과는 현시대 인간이 유발한 기후 위기에 중대한 시사점을 보여준다. 연구에 따르면 식물의 교란은 화산 폭발과 같은 지질학적 변화와 마찬가지로 기후 온난화를 장기화하고 심화시킬 수 있다. 실제로 지구의 탄소 순환을 조절하는 식물의 능력이 떨어져 기후가 안정적인 평형을 이루는데 수백만 년이 걸린 사례도 있다. 연구팀은 지구가 글로벌 기후 위기에 처해 있다고 경고하면서 "이전의 어떤 화산 활동보다 더 빠른 속도로 온실가스를 방출하고 있다. 연구 결과는 갑작스러운 기후 변화에서 원상으로 회복하는데 기여하는 식물의 역할을 보여준다. 그런데 전 세계적으로 산림 벌채가 중단되지 않아 자연 생태계가 기후를 조절하는 능력을 잃고 있다"고 경고했다.
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[기후의 역습(42)] 화산 폭발, 엄청난 탄소 방출로 온난화 촉발…생물 대량 멸종 초래도
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[신소재 신기술(94)] 물로 작동하는 스마트 붕대, 치료 효과 30% 향상
- 전자 부품이 없이 물 한 방울로 작동하는 스마트 붕대(드레싱)가 개발돼 당뇨병 환자 등의 만성 상처 치유 효과를 높일 것으로 보인다. 미국 노스캐롤라이나 주립대(NCSU) 과학자들이 전기장을 이용해 만성 상처의 치유 속도를 높이는 저렴한 스마트 드레싱(WEPDs)을 개발했다고 메디컬 익스프레스와 데일리 메일 등 다수 외신이 보도했다. '만성 상처'는 치유가 더디거나 아예 치유되지 않는 상처를 말한다. 예를 들어 일부 당뇨병 환자에게서 발생하는 상처는 만성 상처라고 할 수 있다. 이러한 상처는 치유 후에도 종종 재발하고 절단 및 사망 위험을 크게 증가시키기 때문에 문제가 된다. 만성 상처는 또한 치료비가 매우 비싸서 환자에게 추가적인 문제를 일으킬 수 있다. 연구팀이 개발한 '물로 작동하는 전자 부품 없는 드레싱(WPEDs)'은 일회용 붕대로, 한쪽 면에는 전극이, 다른 면에는 작고 생체 적합성이 뛰어난 배터리가 부착돼 있다. 이 드레싱을 상처에 붙인 후 물 한 방울을 떨어뜨리면 배터리가 활성화되어 몇 시간 동안 치유를 촉진하는 전기장이 생성된다. 동물 실험 결과 이 붕대로 치료한 상처는 기존 붕대보다 30% 빠르게 치유됐다. 이번 연구를 주도한 NCSU 전기 및 컴퓨터 공학 아마이 반도드카 교수는 "우리의 목표는 만성 상처 환자의 치유를 가속화하면서도 훨씬 저렴한 기술을 개발하는 것이었다"며 "환자들이 병원 뿐만 아니라 집에서도 쉽게 사용할 수 있도록 하는데 중점을 두었다"고 설명했다. 연구의 공동 1저자이자 NC 주립대의 박사후 연구원인 라자람 카베티는 "이 드레싱에서 전기장은 매우 중요하다. 전기장이 만성 상처의 치유를 가속화한다는 것은 잘 알려진 사실이기 때문이다"라고 말했다. 연구팀은 당뇨병 쥐를 대상으로 WPEDs의 효과를 실험했다. 그 결과, WPEDs를 사용한 쥐들은 일반 붕대를 사용한 쥐보다 약 30% 빠르게 치유됐으며, 새로운 혈관 형성 촉진 및 염증 감소 효과도 확인됐다. WPEDs의 전극은 붕대와 함께 구부러지고 만성 상처의 표면에 맞춰질 수 있도록 설계됐다. 그로 인해 WPEDs는 빠르고 쉽게 부착할 수 있으며, 환자들은 붕대를 붙인 상태에서 자유롭게 움직이며 일상 생활을 할 수 있다. 이는 환자들이 집에서 편리하게 치료 받을 수 있게 해 치료 순응도를 높일 것으로 기대된다. 연구팀은 향후 WPEDs의 인체 적용 가능성을 확인하기 위해 추가 연구를 진행할 계획이다. 연구 결과는 「상처를 전기적으로 자극하여 상처를 빠르게 봉합하는 물로 구동되는 전자 장치 없는 드레싱」이라는 논문으로 지난 8월 7일 오픈 액세스 저널인 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 개재됐다.
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- 포커스온
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[신소재 신기술(94)] 물로 작동하는 스마트 붕대, 치료 효과 30% 향상
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[기후의 역습(40)] 그레이트 배리어 리프, 400년 만의 최악 폭염에 신음
- 호주 북동부에 위치한 세계 최대의 산호초 지대인 그레이트 배리어 리프(Great Barrier Reef)가 기후 변화로 인해 큰 위기에 처해 있음이 수세기 된 산호의 몸체에서 채취한 샘플을 연구한 결과 밝혀졌다고 BBC가 전했다. 연구를 주도한 호주 과학자 팀은 지난 10년 동안 그레이트 배리어 리프의 광대한 산호초 지대와 그 주변의 기온이 400년 만에 가장 높은 것으로 기록됐다고 말했다. 극심한 더위로 인해 지난 9년 동안만 해도 5건의 대량 산호 백화 사건이 발생했다고 한다. '네이처' 저널에 발표된 연구에 따르면 기후 변화로 인한 기온 상승이 이제 이 세계적인 자연의 경이로운 경관에 실존의 위협을 가하고 있다. 연구팀의 울런공 대학교 헬렌 맥그리거 교수는 "과학은 그레이트 배리어 리프가 심각한 위험에 처해 있음을 경고하고 있다. 우리는 과학의 지시에 따라야 한다"고 말했다. 새로운 위협의 증거는 산호 자체에서 나오고 있다. 수년에 걸쳐 해양 과학자들은 산호에서 채집한 샘플을 조사, 산호가 발달하면서 산호초 주변 환경이 어떻게 바뀌는 지에 대한 화학적 증거를 찾았다. 산호는 식물이 아닌 동물로서, 수세기 동안 살 수 있으며 자연 환경에 대한 화학적 지표를 남긴다. 연구팀은 수천 개의 산호 몸체에서 얻은 데이터를 재검토하고, 영국 해들리센터(Hadley Centre)에서 수집한 과거 해수 온도 기록과 대조하는 작업을 수행했다. 그 결과 지난 10년 동안 그레이트 배리어 리프 주변의 최근 10년의 기온은 지난 400년 중 가장 높았다. 울런공 대학교 수석 연구원인 벤자민 헨리 박사는 "그레이트 배리어 리프에서 최근 일어나고 있는 사태는 불행히도 산호초에 끔찍한 일이다. 지구 온난화를 제한해야만 이 산호초와 전 세계의 다른 산호초가 현재 상태에서 살아남을 수 있는 희망의 빛이 생긴다"라고 말했다. 산호는 특정한 온도의 범위 내에서 생존하고 성장할 수 있다. 그렇게 성장하는 산호는 다른 해양 생물에게 서식지를 제공한다. 산호는 조류와 공생 관계를 맺고 있는데, 조류는 산호 내부에 살면서 산호에 먹이를 제공하고 산호의 밝은 색을 내는 특수한 해양 식물이다. 산호의 백화는 해수 온도가 너무 높아지고 산호가 조류를 배출하면서 탈색해 흰색으로 변할 때 발생한다. 결국 다른 조류가 흰색 산호 표면에서 자라면서 갈색으로 변한다. 산호는 백화돼도 시간이 지나면서 회복할 수 있지만, 열이 내려가지 않으면 회복할 기회가 없어진다. 맥그리거 교수는 그러나 아직 상황이 파국적이지는 않다고 희망을 놓지 않았다. 그레이트 배리어 리프는 현재 유네스코 세계문화유산에 등록되어 있다. 과학자들은 이 연구가 유엔기구의 의식 전환에 기여해 산호초를 공식적인 멸종 위기 종으로 지정되는 계기가 되기를 희망했다. 맥그리거 교수는 "이는 세계에 문제의 심각성에 대한 거대한 신호를 보내고 있다. 우리는 이미 무엇을 해야 할지 알고 있다. 지구 온도 상승을 제한하기 위한 국제 협정에 따라 실질적인 행동을 지속적으로 해 나가야 한다"고 강조했다.
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[기후의 역습(40)] 그레이트 배리어 리프, 400년 만의 최악 폭염에 신음
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WHO, 차세대 팬데믹 위협 병원체 30종 발표...조류독감·뎅기열 등 포함
- 세계보건기구(WHO)는 다음 팬데믹(전염병이 전 세계적으로 크게 유행하는 현상)을 일으킬 가능성이 높은 30여 종의 병원체 목록을 최근 공개했다. 가장 위험한 바이러스 및 박테리아 중에는 미국에서 확산 중인 H5N1 조류 인플루엔자가 포함됐으며, 과학자들은 이 바이러스가 사람 간 전파 가능성이 있다고 우려하고 있다. 또한, '뼈를 부수는 질병'으로 불리는 모기 매개 뎅기열도 미국에서 전례 없는 수준으로 확산되고 있어 우려를 낳고 있으며, 2022년 전 세계적인 유행을 일으킨 원숭이두창도 아프리카에서 더 치명적이고 전염성이 강한 변종이 발생하면서 목록에 포함됐다. 이번 목록에는 2017년 처음 발표된 목록에 비해 절반 이상이 새롭게 추가됐다. 설치류에서 퍼지는 한타바이러스, 모기 매개 웨스트나일 바이러스, 독감 및 코로나19도 포함됐다. 과학자들은 1980년대 이후 근절된 천연두도 실험실 사고로 우발적으로 방출된 후 면역력을 가진 사람이 거의 없어 빠르게 확산될 수 있다는 우려 때문에 목록에 추가했다. 이 목록은 50개국 이상 200명의 과학자가 1652개의 박테리아 및 바이러스를 약 2년 동안 검토한 후 작성됐다. '팬데믹 가능성'으로 표시된 병원체는 전염성이 높고 독성이 강하거나 사람에게 심각한 질병을 일으킬 수 있는 것으로 나타났다. 가장 위험한 질병은 환자에게 사용할 수 있는 백신이나 치료제가 없는 질병이었다. 이전 2017년 및 2018년 목록에는 약 12개의 병원체만 포함됐었지만, 연구자들은 동물에서 인간으로, 그리고 세계 여러 지역 간 질병 확산 기회가 증가함에 따라 목록을 추가했다. 과학자들은 도시화와 삼림 벌채로 인해 야생 동물과 인간의 접촉이 증가했으며, 국제 여행 증가로 질병이 세계 새로운 지역으로 확산될 기회가 생겼다고 밝혔다. 또한, 기후 변화로 인해 질병이 새로운 지역으로 확산될 수 있다는 우려도 제기됐다. 이 보고서를 주도한 아나 마리아 에나오 레스트레포 박사는 "이러한 우선순위 설정 과정은 시급히 해결해야 할 중요한 지식 격차를 파악하는 데 도움이 된다"고 말했다. 보고서에는 설사를 유발할 수 있는 콜레라, 이질, 페스트의 원인균인 예르시니아 페스티스 등 5가지 박테리아도 포함됐다. 나머지 목록에는 뇌에 심각한 부종을 일으킬 수 있는 박쥐 매개 니파 바이러스도 포함됐다. 현재 이를 에방할 치료법이 없다. 목록에 포함된 많은 질병은 아직 산발적인 사례만 진단됐지만, 연구자들은 사람 간 전파 능력을 향상시키는 돌연변이가 발생하면 발병을 유발할 수 있다고 경고했다. 대부분의 질병은 진드기, 박쥐, 모기, 설치류 또는 사람에 의해 전파되며, 호흡기 비말을 통해 전파되는 경우가 많다. 바이러스나 박테리아가 팬데믹이 되려면 사람 간에 전파되고 전 세계적으로 감지되어 질병을 일으켜야 한다. WHO 사무총장 테드로스 아드하놈 게브레예수스 박사는 "역사는 우리에게 다음 팬데믹은 발생 여부가 아니라 시기의 문제라는 것을 가르쳐준다. 또한 그 영향을 무디게 하는 데 있어 과학과 정치적 결단의 중요성을 가르쳐 준다"고 말했다. 게브레예수스 총장은 "우리는 다음 팬데믹에 대비하기 위해 과학과 정치적 결단의 조합이 필요하다. 우리를 둘러싼 수많은 병원체에 대한 지식을 발전시키는 것은 모든 국가의 과학자들이 참여해야 하는 글로벌 프로젝트다"라고 덧붙였다.
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- IT/바이오
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WHO, 차세대 팬데믹 위협 병원체 30종 발표...조류독감·뎅기열 등 포함
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[기후의 역습(39)] 그린란드 빙상서 화석 발견…빙하 상실로 해수면 상승 위험 증가
- 그린란드 빙상은 과거에도 녹았었지만 기후가 따뜻해짐에 따라 앞으로는 더 빠른 속도로 녹을 것으로 보인다. 과학자들은 이로 인해 해수면이 6~7.6m까지 상승할 수 있다고 경고한다. 그런 가운데, 지난 110만 년 동안 한 때 따뜻한 시기에 그린란드의 거대 빙하 가장자리가 아닌 중심부가 녹아 내렸고, 다양한 곤충과 식물의 서식지였던 건조하고 척박했던 툰드라 지형이 바뀌었다는 새로운 연구 결과가 나와 주목된다고 CBS뉴스가 보도했다. 이 연구 결과는 미국 국립과학원 회보에 게재됐다. 빙하가 처음 녹기 시작했을 때 대기 중 온실 가스 농도는 오늘날보다 낮았다. 과학자들은 대기 중 이산화탄소가 더 많이 발생하면서 그린란드의 빙하가 이전에 생각했던 것보다 더 쉽게 녹을 것으로 우려하고 있다. 새로운 연구를 공동으로 수행한 버몬트 대학교의 폴 비어먼 박사팀은 "그린란드는 270만 년 동안 빙하가 존재해 왔지만, 이제 그 빙하가 취약해져 깨질 수 있다는 증거가 나왔다"고 밝혔다. 연구팀은 2014년부터 그린란드 빙상 아래에서 다양한 물질을 수집해 연구를 진행해 왔다. 그들은 거의 30년 전, 빙하의 중심부 표면 아래 3.2km 떨어진 곳에서 추출한 GISP2라고 불리는 빙핵 바닥의 퇴적물을 조사했다. 분석 결과 퇴적물 샘플에는 그린란드의 과거에 대한 정보와 단서들로 가득 차 있었다. 현미경으로 들여다 본 샘플의 작은 검은 반점에서는 곤충의 눈, 북극 양귀비 씨앗, 북극 버드나무 조각, 토양 곰팡이와 이끼의 작은 부분들이 발견됐다. 이들은 여러 화석들로, 비어먼은 이를 "얼음 아래에 얼어붙은 생물 생태계"라고 불렀다. 이 화석은 빙하의 90%가 한때 사라졌었다는 것을 직접적으로 확인해 준다고 한다. 비어먼은 "일단 빙상의 중심을 잃게 되면 모든 것을 잃게 되는데, 빙상의 중심에서 이 화석들을 발견한 것은 그린란드의 얼음이 과거에 사라졌었다는 명백한 증거"라고 말했다. 이 발견은 이른바 '취약한 그린란드'라는 가설을 뒷받침한다. 비어먼은 인간의 영향을 받지 않는 자연이 빙하가 형성된 이후 적어도 한 번은 녹은 적이 있다고 말했다. 65만6000평방마일의 그린란드 빙하는 현재 섬 전체의 약 80%를 덮고 있다. 이는 미국 텍사스주의 약 3배에 달하는 면적이다. 그린란드의 얼음 손실을 지도로 만든 나사(NASA)는 이 빙하가 지난 몇 년 동안 빠르게 감소했으며, 이로 인해 지구 해수면이 연간 약 0.03인치(약 0.0762cm) 상승했다고 밝혔다. 비어먼에 따르면 그린란드의 녹는 얼음은 현재 해수면 상승의 첫번째 주요 원인이다. 비어먼은 그린란드 얼음 전체가 녹기까지는 수천 년이 걸릴 수 있지만, 그 결과는 매우 끔찍할 것이라고 경고했다. 수억 명의 사람들이 집과 사업을 잃을 수 있고, 유서 깊거나 아름다운 도시를 포함해 엄청난 면적의 땅이 사라질 수 있다는 것이다.
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[기후의 역습(39)] 그린란드 빙상서 화석 발견…빙하 상실로 해수면 상승 위험 증가
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[기후의 역습(38)] 안데스산맥 빙하, 1만1천 년 만에 최소 면적 기록
- 선사시대에 얼음으로 뒤덮였던 남미 안데스산맥 빙하가 녹아 바위를 드러내고 있다. 이곳 열대 빙하는 1만 1700년 만에 가장 작은 크기로 줄어들어 기후 변화의 직격타를 맞고 있는 것으로 밝혀졌다. 이는 보스턴 칼리지 연구팀이 조사한 것으로, 연구 결과는 '사이언스' 저널에 게재됐다고 PHYS가 전했다. 보스턴 칼리지 연구팀이 안데스산맥의 4개 빙하에 인접한 암석 샘플을 분석한 결과 빙하 후퇴가 예상보다 심각했다. 지구과학자들은 과거에도 적도에 접한 열대 지방의 기온이 올라감에 따라 이 지역 빙하가 녹거나 후퇴할 것이라고 예측했는데, 이번 조사 결과에 따르면 빙하의 후퇴는 지금까지의 예측을 뛰어넘어 훨씬 빠르게 진행됐다. 연구팀을 이끈 제러미 샤쿤 박사는 "현재의 빙하 면적과 크기가 지난 1만 1000년 동안 과거 어느 때보다 작다는 강력한 증거가 있다"고 말했다. 그는 "최근 빙하 후퇴가 적설량 감소나 구름의 변화가 아닌 기온 상승 때문이라는 점을 감안할 때, 열대 지방은 이미 홀로세(신생대 제4기 마지막부터 현재까지 진행 중인 지질 시대) 범위를 벗어나 인류세(인간 활동이 지구환경에 영향을 미친 산업혁명 이후 현재)로 들어와 있다는 것을 발견했다"고 설명했다. 따라서 빙하는 이제 더 이상 홀로세 간빙기로 분류되지 않을 것으로 보인다. 홀로세 간빙기는 문명이 탄생하고, 물이 마을과 도시의 형성 및 농업과 상업 활동의 번성을 결정한 중요한 시대다. 그러나 빙하에 관한 한 종말을 향해 나아가고 있는 시대, 즉 인류세로 분류하는 것이 옳다는 게 보고서의 지적이다. 보고서는 전 세계 빙하의 대부분이 예상보다 훨씬 빠르게 녹아내리고 있으며, 기후학에서 예상하는 일정보다 적어도 수십 년 앞설 가능성이 있다고 시사한다. 샤쿤은 "안데스 빙하 감소는 빙하가 중요한 기준점을 넘어섰다는 지구상의 첫 번째 강력한 증거다. 이는 지구상 모든 곳의 빙하에 대한 '탄광의 카나리아(다가올 위험을 먼저 알려주는 존재)'다"라고 설명했다. 안데스산맥에서의 연구팀의 목표는 지난 1만 1000년 동안 열대 빙하가 어떻게 줄었는지를 확인하는 것이었다. 팀은 안데스산맥이 퍼져 있는 콜롬비아, 페루, 볼리비아에서 최근 빙하가 녹아 드러난 기반암의 성분을 측정했다. 베릴륨-10과 탄소-14라는 두 가지 희귀한 동위 원소가 우주에서 온 우주 방사선에 노출되면 기반암 표면에 축적된다. 빙하 밑에 있다가 최근 노출된 기반암에서 이들 동위 원소의 농도를 측정하면 과거에 기반암이 노출된 시간을 확인할 수 있다. 이를 통해 빙하가 오늘날과 비교해 어땠는지 또한 알 수 있다. 햇볕에 그을린 정도를 통해 사람이 햇볕에 얼마나 오래 노출되었는지 알 수 있는 것과 유사하다. 연구팀은 4개의 열대 빙하 앞에서 측정한 18개의 기반암 샘플에서 베릴륨-10이나 방사성 탄소-14를 거의 발견하지 못했다. 이는 이곳 빙하가 마지막 빙하기에 형성된 이후 우주 방사선에 노출된 적이 없다는 것을 말해준다. 다시 말해 이 지역은 최근까지 빙하에 덮여 드러나지 않았으며, 현재의 빙하는 전례없는 수준으로 녹고 있다는 방증이다. 한편, 20년 전 세계에서 가장 큰 열대 빙하인 페루 퀘르카야 빙하를 연구하던 과학자들은 빙하에 있던 식물의 잔해가 빙하가 녹으면서 같이 흘러내리는 것을 발견했다. 방사성 탄소 연대 측정 결과, 이 식물의 나이는 5000년으로 추정됐다. 이는 퀘르카야 빙하가 5000년 전에 훨씬 더 컸음을 의미한다. 그렇지 않았다면 식물은 이미 없어졌을 것이기 때문이다. 샤쿤은 퀘르카야에서의 발견은 현대의 빙하 후퇴 규모가 홀로세 변동의 한계를 넘어서고 있는지까지는 불분명하다고 말했다. 연구팀은 알래스카에서 티에라 델 푸에고에 이르기까지 아메리칸 코딜레라 산맥의 전체에 걸쳐 빙하에 동일한 기술을 적용해 탐사하고 있다. 팀은 작년에 북미에서의 샘플링 결과를 발표했으며 곧 남미 남부에서의 연구 결과도 발표할 계획이다. 결과물을 모두 모으면 현재의 빙하 후퇴에 대한 총체적인 판단을 내릴 수 있을 것이라는 기대다.
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[기후의 역습(38)] 안데스산맥 빙하, 1만1천 년 만에 최소 면적 기록
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뉴럴링크, 두 번째 뇌 임플란트 성공...머스크 "매우 잘 작동 중"
- 일론 머스크 테슬라 최고경영자(CEO)가 이끄는 뇌신경과학 스타트업 뉴럴링크가 두 번째 환자의 뇌에 컴퓨터 칩 이식 수술을 성공적으로 마쳤다고 밝혔다. 4일(현지시간) 로이터 통신 등 외신에 따르면, 머스크 CEO는 과학자 렉스 프리드먼과 팟캐스트 인터뷰에서 두 번째 환자 역시 첫 번째 환자와 마찬가지로 척추 손상을 입은 환자라고 전했다. 그는 이식된 칩의 전극 1024개 중 400개가 작동 중이며, "매우 잘 작동하고 있다"고 강조했다. 머스크 CEO는 구체적인 수술 시점과 환자 정보는 공개하지 않았지만, 지금까지 잘 되고 있다면서 "두 번째 임플란트도 매우 성공적인 것 같다"고 덧붙였다. 뉴럴링크는 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 통해 신체 마비 환자들이 생각만으로 각종 기기를 제어할 수 있도록 돕는 것을 목표로 한다. 지난 1월 첫 번째 환자 이식에 성공한 데 이어 5월에는 두 번째 환자 모집에 나섰다. 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)는 인간의 생각을 이용해 컴퓨터와 소통할 수 있게 하는 전자 장치로, 흔히 공상 과학 소설에서나 등장하는 개념처럼 보이지만, 실제로 수십 년 전부터 연구되어 온 기술이다. BCI의 원리는 간단하다. 뇌 활동 시 발생하는 전기 신호를 기계가 측정하는 방식이다. FM 라디오가 특정 FM 신호를 해석해 다양한 방송을 내보내는 것처럼, 컴퓨터도 서로 다른 전기 신호를 각각의 명령으로 해석할 수 있다. BCI는 이러한 신호를 측정하고 전달하는 장치다. 외부에 착용하는 방식과 뉴럴링크처럼 수술로 뇌에 이식하는 방식이 있다. 뉴럴링크의 첫 번째 임상 시험 참가자인 놀런드 아르보는 이 장치가 자신의 삶을 바꿨다고 여러 차례 밝혔다. 그는 2016년 다이빙 사고로 잔신마비 판정을 받았지만, 뉴럴링크의 칩을 이식한 후 생각만으로 마우스 포인터를 조작해 비디오임을 즐기고, 문자 메시지를 보내고, 인터넷 서핑을 할 수 있게 됐다. 아르는 인터뷰에서 "칩 이식은 삶에 큰 변화를 가져왔다"며 "마비 환자들에게 희망을 주는 다음 단계로 나아가는 것"이라고 소감을 밝혔다. 머스크는 두 번째 칩 이식 후 뉴럴링크가 인간이 생각을 통해 컴퓨터 인터페이스를 작동할 수 있게 하는 것 외에도 인간에게 뛰어난 능력을 줄 것이라고 말했다. 그는 프리드먼과의 팟캐스트 인터뷰를 통해 '사람들에게 초능력을 주자'고 농담처럼 말했다. 또한 머크스는 자신의 뉴럴링크의 뇌 임플란트가 미래에 인간이 고급 인공지능(AI)와 경쟁하는 데 도움이 될 수 있다고 말했다. 프리드만과의 대화에서 머스크는 뉴럴링크 칩이 AI가 인간을 능가하고 '터미네이터' 스타일로 궤도를 벗어나는 것을 막는 가장 좋은 방법이 될 수도 있다고 말했다. 머스크는 뉴럴링크 기기가 결국 손상된 신경세포를 복구해 실명이나 마비와 같은 문제를 겪는 사람들을 도울 수 있을 것이라고 설명했다.
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뉴럴링크, 두 번째 뇌 임플란트 성공...머스크 "매우 잘 작동 중"
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[신소재 신기술(88)] 플라스마 처리 목재에서 빛 흡수율 99% 이상 '슈퍼블랙' 신소재 탄생
- 캐나다 과학자들이 목재를 이용해 거의 모든 빛을 흡수하는 '슈퍼블랙' 신소재 개발에 성공했다. 브리티시컬럼비아 대학교(UBC) 필립 에반스 교수 염구팀은 목재의 방수성을 높이기 위해 고에너지 플라즈마를 처리하는 과정에서 우연히 슈퍼블랙 물질을 개발했다고 뉴아틀라스가 7월 31일(현지시간) 보도했다. '닉실론(Nxylon)'이라는 상표가 붙은 이 소재는 그리스 신화의 밤의 여신인 '닉스(Nyx)'와 그리스어로 나무를 뜻하는 '그쉴론(xylon)'에서 이름을 따왔다. 에반스 교수와 박사과정 학생 케니 정은 방수성을 높이기 위해 톱질한 린든나무 샘플의 표면을 플라즈마 처리했을 때 목재를 구성하는 다공성 세포의 잘린 끝부분의 구조가 바뀐 것을 발견했다. 신소재 '닉실론'은 빛을 1% 미만으로 반사하며, 일반 검은색 페인트(최소 2.5% 반사)보다 빛 반사율이 훨씬 낮다. 또한 린든나무 외의 여러 종류의 나무에서 0.5~1mm두께의 얇은 닉실론 시트를 생산할 수 있어서 횰용도가 높을 것으로 기대된다. 닉실론은 망원경, 태양광 전지, 보석, 시계 등 다양한 분야에 활용할 수 있다. 특히 고가의 흑단이나 장미목을 대체할 저렴하고 지속 가능한 대안으로 주목받고 있다. 현재 닉실론은 반타블랙(Vantablack) 보다 빛을 조금 더 많이 반사하지만, 에반스는 닉실론 기술이 더 발전하면 상황이 바뀔 것이라고 말했다. 또한 반타블랙은 깨지기 쉽고 비용이 많이 드는 수직 방향의 탄소 나노튜브로 구성되어 있는 반면, 닉실론은 그렇지 않다. 2014년 대중에게 공개된 반타블랙은 빛을 99.965% 흡수하는 가장 검은 물질 중 하나다. 서레이 나노시스템(Surrey NanoSystem)이라는 영국 회사에서 상용화했으며, 탄소 나노튜브를 수직으로 배열해 빛이 물질에 갇히도록 만드는 원리로 작동한다. 에반스는 "닉실론은 재생 가능한 목재로 만들어지며, 참피나무 한 그루로 약 20만개의 시계 화면을 만들 수 있다"며 "우리는 표면을 덜 깨지게 만드는 방법을 찾아냈다. 닉실론 시트는 30분 만에 만들 수 있다. 상업적 생산을 위해 설계된 장치를 사용하면 공정 속도를 높일 수 있다고 확신한다"고 설명했다. 연구팀은 앞으로 닉실론의 빛 반사율을 더욱 낮추고 내구성을 강화할 연구를 이어갈 계획이다. 또한 스핀오프 회사인 닉실론 코퍼레이션 오브 캐나다를 통해 상용화를 추진할 예정이다. 이번 연구 결과는 최근 '어드밴스드 지속가능 시스템((Advanced Sustainable Systems)' 저널에 게재됐다.
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[신소재 신기술(88)] 플라스마 처리 목재에서 빛 흡수율 99% 이상 '슈퍼블랙' 신소재 탄생
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[기후의 역습(34)] 기후 변화로 2050년까지 아라비카 커피 생산량 80% 급감
- 전 세계에서 매일 22억 잔 이상의 커피가 소비되고 있다. 1억 명이 넘는 전 세계 농부들이 그 모든 커피를 재배하고 생산한다. 소비되는 커피콩은 코페아 아라비카(Coffea arabica)와 코페아 카네포라(Coffea canephora) 두 가지 종이다, 코페아 카네포라는 로부스타(또는 코닐론) 커피라고도 한다. 플로리다 대학교 원예 과학자인 펠리페 페라오 박사에 따르면 예로부터 커피를 즐기는 애호가들은 특유의 풍미와 향 때문에 아라비카 콩을 선호한다고 한다. 그러나 2050년까지 기후 변화로 인해 아라비카 생산량의 약 80%가 감소할 것으로 예상된다. 이에 따라 페라오는 프랑스의 RD2 Vision과 브라질의 인케이퍼 연구소(Incaper Institution) 동료들과 대체 커피 품종을 조사하고 있다. 연구팀은 줄어들 아라비카를 보완하기 위한 대안으로 두 가지를 꼽고 있다. 하나는 커피 농사를 새로운 환경에 적응해 변화시키는 것이고, 두 번째는 회복력이 더 강한 종을 찾아내는 것이다. 플로리다 대학교 농업 및 식품과학 연구소(UF/IFAS)가 주도한 새로운 연구에 따르면 로부스타 커피가 아라비카를 대체할 수 있는 좋은 후보일 가능성이 높다고 PHYS가 전했다. 이 연구는 '작물학(Crop Science)' 저널에 게재됐다. 연구를 이끈 페라오는 "오늘날 전 세계적으로 상용화된 커피콩의 약 60%가 코페아 아라비카를 원료로 한 것임을 고려하면, 앞으로 커피 산업은 대폭 줄어들 아라비카 종의 대안을 찾을 수밖에 없다. 로부스타 커피가 후보로 떠오르는 이유도 여기에 있다"고 말했다. 그는 지난 수십년 동안 로부스타 커피 생산이 약 30% 증가, 커피 산업의 공급망에서 큰 개선을 이루었다고 설명했다. 전반적으로 로부스타 종은 비료와 물 등 투입물이 적기 때문에 아라비카보다 더 많은 커피를 생산할 수 있다. 이름에서 알 수 있듯이 이 식물은 더 강건하기도 하다. 로부스타 커피에 대한 수요는 감소하지 않을 가능성이 크지만, 가장 큰 과제는 커피 공급망에서 요구하는 수요를 충족하기 위해 품질과 생산성을 유지하는 것이다. 그런 의미에서 유전학 및 육종 연구는 다양성과 품질에 영향을 미치는 요인을 파악하기 위한 기본 요소를 제공한다. 연구를 위해 페라오 연구팀은 브라질의 고지대에 소재한 세 곳에서 5년 동안 로부스타와 아라비카의 여러 특성을 평가했다. 핵심은 로부스타 품종이 다른 기후에서 생산될 때 수확량이 늘어날 수 있는지, 또한 맛은 충분히 좋은지를 알아내는 것이었다. 분석 결과 로부스타 품종은 적응력이 매우 강했으며 고지대에서 자라기 때문에 생산과 풍미 점수가 모두 높은 것으로 나타났다. 페라오는 "로부스타 종은 다양성이 크기 때문에 유연하고 날씨 조건에 따라 다른 종을 선택할 수 있다"면서 "미래의 커피, 즉 기후에 민감한 커피에 대한 근본적인 해답을 얻을 수 있었다"고 말했다. 연구팀은 로부스타가 △ 더 적은 투입으로 더 많이 생산해 지속 가능성이 우수하고 △ 품질 면에서 소비자 수요를 만족시킬 수 있는 좋은 풍미를 갖고 있으며 △ 새로운 생산 시스템에 적응하는 가소성 등 세 가지 측면에서 우수하다고 평가했다. 팀은 브라질에서 얻은 로부스타에 대한 좋은 결과를 토대로 미국 플로리다에서도 로부스타를 재배할 수 있는지를 탐구하고 있다. 플로리다에서는 다양한 지역에서 로부스타와 아라비카 커피를 테스트하는 몇 가지 시험이 진행되고 있다. 일부 카운티에서 농장 재배를 진행하는 동시에 연구소 및 터널 구조에서의 실내 생산도 추진하고 있다. 브라질과 비교할 때 토양 특성, 강우량 분포, 온도 및 기상의 차이가 커피 생산과 품질에 영향을 미칠 것이라는 추정이다.
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[기후의 역습(34)] 기후 변화로 2050년까지 아라비카 커피 생산량 80% 급감
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