요즘 언론에 많이 등장하는 단어 중에는 효소, 호르몬, 항체가 있다. 이들의 공통점은 무엇일까. 그것은 대부분 단백질로 돼 있다는 것이다. 단백질 하면 우리가 섭취해야 하는 영양소라고만 생각하기 쉬운데 단백질은 우리 몸의 근육, 모발 등의 구성물질이며, 효소, 호르몬, 항체와 같이 우리 몸에서 중요한 기능을 담당하고 있는 물질이다.효소는 우리 몸에서 일어나는 대사작용을 매개하는 단백질로서 우리 몸에서도 효소가 약 1000개의 생화학 반응을 주도하고 있는 것이다. 우리는 이러한 효소를 치료용, 산업용 등으로 사용하고 있다. 호르몬은 우리 몸에서 정보와 신호를 전달하는 단백질로 인슐린, 인간성장호르몬 등이 있으며, 필요한 경우 치료용으로 생산해 사용하고 있다. 항체는 우리 몸에 들어오는 항원에 해당하는 이물질을 인식해 분해시키도록 하는 단백질로서 우리 몸을 방어하는 수단의 하나이므로 이제 항체를 치료용으로 생산해 사용하기 시작했다. 유영제 서울대 교수·화학생물공학생명공학의 발달로 이러한 단백질을 값싸게 만들어 활용하고 있는데, 그중 하나가 단백질치료제이다. 예컨대 인슐린은 오래전에는 돼지의 췌장에서 돼지인슐린을 분리한 다음 인간치료용으로 변환해 사용했으므로 값도 비싸고 얻을 수 있는 양도 제한적이었다. 그러나 이제는 대장균에 인슐린생산 유전자를 넣어 대량으로 배양함으로써 많은 양의 인슐린을 값싸게 생산하게 됐다. 선진국의 다국적 제약회사에서는 이러한 생명공학기술을 이용해 오래전부터 인슐린, 인터페론, 인간성장호르몬과 같은 단백질 치료제를 개발해 판매했으며, 그 권리는 특허로 보호받았다.최근 그러한 단백질치료제 및 세포치료제를 포함하는 바이오의약품의 특허가 일부 만료되기 시작해 누구든지 생산기술을 갖고 있으면 생산해 판매할 수 있게 됐다. 단백질 등의 바이오의약품은 살아 있는 세포를 이용해 생산하는데, 그 구조가 매우 복잡해 기존에 판매되던 것과 정확히 동일한 것을 만들 수 없어 기존의 바이오의약품과 유사하다는 의미로 바이오의약품 복제약을 바이오시밀러(Biosimilar)라고 한다. 유사하기에 별도의 임상시험이 요구된다. 우리나라는 오래전부터 축적한 생산기술을 바탕으로 바이오시밀러 사업에 진출하고 있다. 우리나라의 대기업도 이 분야 사업에 열심이다. 또 미국에서도 바이오시밀러에 대한 허가를 내주기 시작해 사업 전망은 더 밝아졌다. 바이오시밀러와 함께 우리가 개발한 신약은 향후 우리의 새로운 먹거리로 성장할 것으로 기대되고 있다.바이오시밀러 등의 단백질 제품을 효율적으로 개발하기 위해서는 단백질의 작용 메커니즘을 잘 이해해야 한다. 효소, 호르몬, 항체는 어떻게 작용할까. 소화제와 세제 등에 사용되는 단백질분해효소를 생각해 보자. 효소도 단백질인데 신기하게도 단백질이 단백질을 분해한다. 그것은 단백질분해효소가 다른 단백질의 특정 구조와 만나면 특정 부위를 절단하고 그러면서 그 단백질은 분해되는 것이다. 효소는 열쇠처럼 특정한 구조의 화학분자하고만 반응하는 특성이 있다. 그러나 우리가 단백질의 작용에 대해 이해하는 수준은 매우 초보적이다. 마치 코끼리 다리나 꼬리를 만지는 것과 같이 부분적으로만 이해하고 있다.자연을 이해하는 것은 그 자체로도 매우 흥미롭다. 단백질 작용 메커니즘을 이해하면 우리 몸에서 일어나는 많은 현상을 설명할 수 있다. 또 산업에도 응용할 수 있는데 슈퍼 단백질을 설계할 수 있는 것이다. 성능이 향상된 단백질, 고온 또는 저온에서도 작용하는 단백질, 새로운 화학분자와도 작용하는 단백질 등을 만들 수 있다. 이렇게 단백질을 개량하거나 약물전달 방식을 바꿔 기존 바이오시밀러보다 약효가 더 좋은 것을 만들고 있는데, 이것을 바이오베터(Biobetter)라고 한다. 그러므로 단백질 바이오시밀러, 바이오베터를 만들기 위해서는 단백질을 잘 이해해야 한다. 그것은 우리 바이오산업의 경쟁력을 제고시키는 첫걸음이다.유영제 서울대 교수·화학생물공학

뉴호라이즌호의 명왕성 랑데부에 대한 흥분이 가라앉기도 전에 화성 표면에 흐르는 물을 발견했다는 소식이 우리를 들뜨게 한다. 최근 미국 항공우주국은 화성의 따뜻한 지역에서 경사면을 따라 염류를 포함한 물이 흐른다는 사실을 확인했다고 발표했다. 이 지역에서는 경사면을 따라 수 미터 정도의 폭에 길이가 수백 미터에 달하는 어두운 줄무늬 지형이 여름에 나타나다가 추워지면 사라지는 현상이 반복적으로 관측되는데, 이 지형의 정체가 소금물의 흐름이라는 것을 이번에 확인하게 된 것이다. 화성의 극지에 얼음이 존재하고 화성의 땅 속에도 물이 존재한다는 것은 이미 알려져 있었지만 표면을 따라 흐르는 소금물이 발견된 것은 이번이 처음이다. 물은 생명체 형성의 가장 중요한 조건으로 알려져 있기에, 이번 발견은 화성의 생명체 존재 가능성을 더욱 높여주는 발견으로 주목받고 있다.그런데 과학자들은 어떤 방법으로 화성 표면을 흐르는 물의 존재를 발견할 수 있었을까. 이와 같은 발견은 보통 빛과 물질이 만드는 복잡한 상호작용을 분석해 이루어진다. 태양으로부터 출발한 빛이 약 2억2000만㎞를 달려와 화성 표면을 흘러가는 물에 입사가 되면 일부는 반사되고 일부는 흡수된다. 태양이 방출하는 전자기파동에는 우리 눈으로 볼 수 있는 가시광선뿐만 아니라 이보다 파장이 더 짧은 자외선이나 엑스선, 파장이 더 긴 적외선과 마이크로파 등 다양한 파장성분이 섞여 있다. 이들이 물에 입사되면 물은 특정한 파장성분을 주로 흡수해 버린다. 고재현 한림대 교수·물리학모든 물질은 원자로 이루어져 있다. 100여종이 채 되지 않는 원자들이 만나 결합하면서 엄청나게 다양한 분자와 물질이 형성된다. 불가능한 얘기이지만 우리가 이 원자와 분자의 세계로 들어가 이들의 움직임을 엿볼 수 있다면 무엇을 보게 될까. 그것은 바로 원자핵 주변을 도는 전자의 격렬한 운동, 분자를 이루는 원자와 원자 사이의 밀고 당기는 댄스, 그리고 분자의 회전 등일 것이다. 사람도 춤을 즐기기 위해서는 음식을 먹어 에너지를 보충해야 하는 것처럼 춤출 준비가 되어 있는 분자들을 춤추게 하는 에너지 중 하나가 바로 빛이다. 다양한 파장의 전자기파동이 물질에 입사하면 전자들의 춤은 자외선이나 엑스선을 흡수하고 분자의 진동은 적외선을 흡수하며 분자의 회전은 마이크로파를 흡수한다.재미있는 것은 분자들이 추는 춤은 모두 구별이 가능하다는 것이다. 분자 댄스의 빠르기, 즉 진동수는 바로 분자의 지문과 같은 것이다. 분자를 거친 빛의 스펙트럼을 분석해 분자가 흡수한 특정 진동수를 확인하면 분자의 정체는 명확히 드러난다. 이제 태양을 떠나 12분의 짧은 여행 후에 화성에 도착한 전자기파의 운명을 상상해 보자. 따뜻한 여름 햇빛 속에서 경사면을 따라 유유히 흘러가는 소금물에 침투해 들어간 적외선은 자신의 에너지를 포기하며 산소 하나와 수소 두 개로 이루어진 물분자의 특정한 진동을 유도한 후 사라진다. 물분자의 진동주파수에 조응하지 못하는 적외선은 반사되어 화성의 대기로 흩어지는데, 이들 중 일부가 화성의 궤도위성에 장착된 망원경에 포착된다. 망원경에 달린 분광기가 그리는 반사 스펙트럼의 특정 파장 위치에 물분자가 추는 춤(진동)의 흔적이 새겨진다. 화성의 표면을 흐르는 물이 우리 인간의 측정장비에 최초로 모습을 드러낸 순간이다.원자나 분자에 대한 흡수분광법은 오늘날 광범위한 분야에서 사용하는 실험 기법이다. 이러한 분광법은 수십억 광년 떨어진 곳의 은하가 어떤 물질로 구성되어 있는지 알려주기도 하고, 미술작품의 표면 아래 숨은 물질을 드러내 작품의 진위를 알려주기도 한다. 외계행성의 대기를 통과한 빛의 스펙트럼을 분석해 성분을 파악하고 생명체의 존재 가능성을 확인하고자 하는 야심찬 계획도 세워지고 있다. 우리가 사는 이 우주는 온갖 종류의 물질과 전자기파동이 협연하며 만들어내는 교향악으로 가득 차 있다. 그 아름다운 선율에 귀 기울이며 자연의 신비를 하나씩 들춰 나가는 기쁨을 누리는 것은 분광학을 이용하는 과학자들이 누릴 수 있는 최상의 특권일 것이다.고재현 한림대 교수·물리학

요즘 모바일 기기에선 애플의 ‘시리’(Siri)나 구글의 ‘구글 나우’(Google now)와 같은 인공지능형 개인비서가 한창 인기를 끌고 있다. 내가 관심 갖는 정보나 뉴스를 인지해 곧바로 알려주고, 음성으로 모든 일을 척척 인식하여 처리해 주기 때문이다. 지난 5월 구글 개발자 포럼에서는 사람의 얼굴이나 사물을 자동으로 인식하는 ‘구글 포토’가 소개됐다. 메타 데이터 형태로, 가령 고양이 사진 뒷면에 고양이임을 알도록 하는 정보를 기록할 수 있게 된 것이다. 아마존과 같은 인터넷 쇼핑몰에서는 이미 오래전부터 나의 구매 및 방문 기록을 바탕으로 내 구매 패턴을 인지해 나에게 적합한 상품을 추천해 왔다. 여기에는 컴퓨터가 데이터 분석을 통해 스스로 학습하면서 입력되지 않은 그 무언가를 알아간다는 공통점이 있다. 그렇다면 기계가 인간처럼 스스로 학습하는 것이 어떻게 가능할까. 이중원 서울시립대 교수·과학 철학현재 이것을 가능하게 하는 핵심기술은 바로 ‘머신러닝’(Machine learning), 곧 기계학습이라는 기술이다. 머신 러닝은 인공지능의 한 분야로서 컴퓨터가 데이터를 분석하면서 스스로 학습해 인간처럼 어떤 대상이나 상황을 이해할 수 있게 한다. 인간의 두뇌는 여러 신경망을 단계적으로 거치면서 수많은 데이터 속에서 패턴을 인식함으로써 사물이나 상황을 식별해 내는데, 컴퓨터도 이 같은 방식으로 이를 인지하도록 학습시키는 것이다. 이 기술을 활용하면 고양이에 대한 사전 정보가 전혀 없는 상황에서도 컴퓨터는 스스로 학습을 통해 고양이를 식별해 낼 수 있게 된다. 실제로 구글은 인간의 두뇌를 모방한 심화신경망 알고리즘을 개발하고, 이를 적용한 대표적인 머신러닝 기술의 하나인 ‘딥러닝’(deep-learning) 기술을 활용해 2012년 컴퓨터 1000대로 유튜브 이미지 1000만개를 분석해 고양이를 식별해 내는 데 성공했다.이러한 머신러닝은 몇 단계로 학습 시스템이 구성돼 있다. 첫 번째 단계는 가령 고양이에 대한 사전정보가 전혀 없는 상황에서 일차적으로 주어진 수많은 데이터를 비슷한 것끼리 군집화하여 분류하는 단계다. 두 번째 단계는 알고리즘을 활용해 군집의 특징을 추출하는 단계다. 얼굴의 특징적인 선이나 색 분포 등과 관련된 알고리즘들을 적절히 조합해 고양이의 중간 단계의 간단한 이미지 특징을 표현할 수 있다. 세 번째 단계는 이전 단계에서 구축된 알고리즘의 간단한 구조를 쌓아 올려 더욱 복잡한 계층구조를 만들고, 최종적으로 고양이 이미지라고 결론 내릴 때까지 수천만 번을 반복하는 방식으로 가장 최적화된 알고리즘 체계를 스스로 찾아 나가는 단계다. 이전 단계에서 선·색상 등 간단한 특징을 파악했다면 여기서는 눈과 귀와 같은 더욱 복잡한 특징을 파악하게 된다.이러한 단계는 마치 아직 인지 수준이 떨어지는 어린아이가 다양한 정보를 접하면서 학습을 통해 사물에 대한 인지능력이 점차 향상돼 가는 과정과 매우 흡사하다. 그런 면에서 머신러닝은 어느 정도의 자율성을 지닌 자기주도적인 학습법이라 할 수 있다. 머신러닝 기술은 현재 언어의 번역이나 통역, 음성이나 이미지 인식, 인공지능형 웹 탐색 등 다양한 분야에서 매우 유용하게 사용되고 있다. 최근에는 빅데이터와 결합하면서 적용 범위가 한층 넓어지고 미래에 대한 예측 능력까지 갖게 됐다. 미래로 갈수록 머신러닝을 기반으로 한 인공지능 개발에 거는 기대는 더욱 커질 것이다. 하지만 우려도 만만치 않다. 기계가 인간이 입력한 프로그램에 맞춰 자동적이지만 통제적으로 움직이는 것이 아니라, 그것을 뛰어넘어 스스로 학습하여 자율적으로 행동할 수 있기 때문이다. 학습을 통해 인간의 통제를 많이 벗어나 자율적으로 행동하는 군사용 킬러 로봇을 한번 생각해 보라. 미래를 위해 스스로 학습하는 기계의 자율성에 대한 보다 진지한 고민이 필요해 보인다.이중원 서울시립대 교수·과학 철학

얼마 전 비무장지대(DMZ)에서 지뢰, 사격, 선전방송, 무인기 비행 등 군사적인 갈등과 동시에 고위급 협상이 이어져 남북한 사이의 관계가 냉탕과 온탕을 넘나들었다. 정치군사적으로 남북한은 갈등을 겪고 대립하지만 한반도의 산림과 자연생태계는 분리해 생각할 수 없다.유라시아대륙과 태평양을 잇는 한반도의 면적은 22만㎢ 정도로 대륙 반대편 섬나라인 영국의 크기와 비슷하다. 안정된 나라인 영국에 1500여종의 고등식물이 자생하지만 일제 강점과 전쟁을 겪은 한반도에 4500여종이 자라는 것은 이 땅의 환경과 생태계가 독특함을 뜻한다.공우석 경희대 교수·지리학온대 기후대의 다른 나라에 비해 한반도에 식물종이 풍부하게 존재하는 것은 생태계를 담고 있는 그릇인 자연환경이 특이하기 때문이다. 지질학적으로 한반도에는 고생대 이전의 지층부터 최근에 퇴적된 충적층과 지형이 발달해 암석과 광물의 박물관이라고 부른다. 히말라야, 알프스 등 큰 산맥은 동서로 뻗어 있어 기후변화가 나타날 때 생물의 이동에 장애물이 됐지만 남북으로 이어진 한반도의 산줄기는 생물이 오가며 높은 생물다양성을 유지하는 통로가 됐다. 조선 영조 때 책인 산경표(山經表)는 전국의 산줄기를 백두대간, 장백정간, 13개의 정맥과 이에 이어진 기맥으로 기록했다. 백두대간을 중심으로 동서남북으로 서로 이어진 전국의 산줄기와 산은 산림과 생태계를 이어주는 네트워크이자 유전자를 주고받는 탯줄과 같다. 지금부터 2만년 전후의 최후빙기에 기온은 지금보다 섭씨 10도까지 낮았고 북서유럽과 북미에는 높이 3000m에 이르는 대륙빙하가 발달하면서 생물종이 몰살했다. 한편 동아시아는 혹독한 추위가 있었으나 건조해 대규모의 빙하는 발달하지 않았다. 한반도는 빙하기에는 북방의 생물이 추위를 피할 수 있는 피난처를 찾아 거쳐 가는 길목이었고, 빙하기가 끝난 뒤에는 이들이 북쪽의 고향으로 되돌아가는 경로였다. 한반도는 유라시아대륙과 주변 섬을 연결하는 이동통로와 피난처의 역할을 하면서 동아시아의 생물다양성을 유지하는 데 기여했다.기후적으로 한반도는 뚜렷한 사계절을 갖지만 한겨울에 섭씨 영하 40도를 넘나드는 백두산의 혹한으로부터 여름에 40도 가까운 폭염이 나타나는 영남 내륙에 이르기까지 넓은 온도역을 보인다. 강수도 건조한 이른 봄부터 하루에 1000㎜를 넘는 한라산 백록담의 폭우에 이르기까지 변동폭이 크다. 다양한 기후조건은 여러 생물이 깃들어 살 수 있는 풍토를 만들어 냈고, 다른 나라에 비해 수많은 조각으로 나누어진 토양층도 다양한 생물의 터전을 이루었다. 한반도의 지리적인 위치, 지질, 지형, 기후, 토양 등 다양한 풍토는 지질시대부터 살아온 토착종, 빙하기를 넘겨 살아남은 유존종, 새로운 환경에 적응해 등장한 특산종 등 풍토에 순응하면서 이어온 다양하고 독특한 생물과 산림의 보금자리가 됐다.한반도의 생물이 서식하는 공간 가운데 등뼈인 백두대간과 허리인 DMZ에서 발발하는 남북한 사이의 긴장과 갈등은 유구한 역사와 함께한 자연생태계에 피해와 부담을 주게 된다. 동시에 북한에서 생존을 위해 산림과 생태계를 교란하고 파괴하는 것과 남한에서 관광과 레저활동을 위해 추진하고 있는 산지 개발도 치명적인 상처를 남길 수 있다. 사람들끼리는 화해하면 상황을 되돌릴 수 있지만 일단 교란되고 파괴된 자연생태계는 원상을 복구하는 것이 불가능하다.이제는 휴전선을 넘어 남북한의 산림과 자연생태계를 이어줄 끈과 고리를 복원하고 상생할 수 있는 방안을 마련해 긴장을 완화하는 계기로 삼아야 한다. 남북한의 산림과 자연생태계를 연결하는 것은 한반도의 정체성 수립과 통합을 위한 첫걸음이다.공우석 경희대 교수·지리학

미국에서 대학입시 컨설팅을 하는 분의 이야기를 듣거나 언론사에서 발표하는 대학 순위를 보면 미국 최상위권 대학의 순위에 흥미로운 변화 양상이 하나 있다. 학생들이 점점 대도시에 있는 대학을 선호하고, 조용한 교외나 시골에 있는 대학을 회피한다는 것이다. 뉴욕시에 위치한 컬럼비아대학의 인기는 점점 올라가는 반면, 아이비리그의 대학 중 하나인 코넬대학의 인기는 하향 추세이다. 미국 젊은이에게도 대학 선택에서 학교가 도시에 위치하는가가 중요한 결정 요인이 된 것이다. 강호정 연세대 교수·사회환경시스템공학회사도 그렇다. 우리에게 익숙한 통근버스라는 것이 원래 미국에서는 거의 찾아보기 힘들었다. 그러나 요즘 젊은이들이 가장 선호하는 ‘구글’과 같은 회사의 통근버스는 지역의 문화적 아이콘이 돼 버렸다. 전문직 젊은이들은 샌프란시스코와 같은 대도시를 좋아하기에 통근버스 없이는 좋은 인재를 모으기가 힘들어져 버렸기 때문이다. 우리나라도 예외는 아니다. 2000년대 초반, 도시 거주 인구가 전체 인구의 90%를 돌파한 후에도 계속 증가해 현재는 인구의 91.7%가 도시에 살고 있다.생태학은 원래 도시와는 거리가 먼 학문이었다. 사람 발길 닿지 않는 깊은 산속이나 넓은 초원이 주 연구 대상이었기 때문이다. 그러나 이제는 인간의 영향이 없는 장소는 찾아보기조차 힘들게 됐을 뿐 아니라, 거꾸로 인간이라는 동물이 복닥거리는 도시가 하나의 흥미로운 연구 대상이 되고 있다. 예를 들어, 생태학자들은 메탄이라는 기체에 대한 연구를 많이 진행하고 있다. 이 기체가 이산화탄소 다음으로 강력한 온난화 기체이기도 하고 대부분이 물이 고인 지역에서 미생물에 의해 만들어지기 때문이다. 이런 이유로 습지, 논, 혹은 소와 같은 반추동물의 위에 대한 연구가 널리 진행됐고, 인간과 관련해서는 쓰레기 매립지 정도가 연구됐을 뿐이다.그러나 최근에는 인구밀도가 높은 도심 한가운데서 이 메탄 기체의 농도를 재는 연구가 시작되고 있다. 일군의 과학자들은 미국 보스턴의 도심에서 비정상적으로 높은 농도의 메탄을 측정해 냈다. 습지도, 논도, 소도 없는 도심에서 높은 메탄 농도가 측정된 것에 대해 처음에는 과학자들도 반신반의했다. 그러나, 알고 보니 도시에 공급되는 천연가스 배송관이 낡아서 거기서 새 나오는 가스 때문에 생긴 일이었다. 대도시에서 유출되는 메탄의 양을 알아야 전 지구 대기 중의 메탄 변화를 정확히 추정할 수 있는 상황이 된 것이다.또 하나의 새로운 연구 분야 중 하나는 도심의 ‘미생물균총’에 관한 연구다. 원래 미생물균총이란 사람의 장이나 피부 등에 서식하며 인간의 건강에 영향을 미치는 미생물 전체를 일컫는 단어다. 그런데 도심에 인간들이 만들어 낸 여러 가지 구조물에도 매우 다양한 미생물이 서식하고 있는 것이 밝혀졌다. 뉴욕시 한복판 센트럴파크의 흙속에 서식하는 미생물의 다양성은 깊은 산속의 것과 큰 차이가 없는 것으로 밝혀졌고, 뉴욕이나 홍콩처럼 지하철 망이 발달한 도시에는 지하철의 유동인구 수에 따라 역에 서식하는 미생물의 양이나 종류가 크게 바뀐다는 것을 알게 됐다. 수천만 명의 인구가 살고 있는 대도시는 아직 전혀 탐색되지 않는 아마존 밀림이나 마찬가지이다. 이 도심 속에서 미생물이 어떻게 분포하고 사람의 활동에 따라 어디로 이동하는지 밝히는 것은 ‘메르스’(중동호흡기증후군)와 같은 전염성 질병의 이해나 바이오테러에 대응하기 위한 기초 자료로도 중요하다.전체 인구 중 도시 거주 인구의 비율이 아주 높고, 인구밀도도 높은 우리나라의 경우 이런 도심 속 생태 연구가 더욱 중요하다. 그러나 아직도 도시의 생태학이라고 하면 건물주변의 조경이나 멧돼지 출몰 정도만 생각하는 사람이 많다. 차가운 콘크리트의 도심에서도 복잡하게 전개되는 생태계의 반응을 잘 이해하는 것, 이것이 생태학이 대답해야 할 다음 질문이다.강호정 연세대 교수·사회환경시스템공학

살기 위해 먹는다는 이야기도 있고, 먹기 위해 산다는 이야기도 있을 만큼 먹는다는 것은 우리 삶의 중요한 부분이다. 우리는 먹는 것을 통해 우리 몸에 필요한 에너지를 공급받고, 또 우리 몸을 건강하게 지켜주는 다양한 영양소를 섭취하게 되는 것이다. 여러 먹거리 중에서 건강한 삶을 영위하는 데 도움을 주는, 우리 조상의 지혜가 담긴 먹거리를 생각해 보자.우리 먹거리 특징의 하나는 발효음식이다. 대표적인 예는 된장, 간장이다. 우리는 콩을 발효시켜 된장, 간장의 형태로 섭취한다. 콩을 삶아 메주로 만들어 처마에 매달아 놓으면 미생물이 달라붙는다. 미생물은 콩의 주성분인 단백질을 아미노산으로 분해시키는데 이 과정에서 다양한 대사산물을 생성한다. 이러한 아미노산과 대사산물은 콩의 풍미에 더해 구수한 맛을 내게 해주고 우리 몸에 유익한 성분으로 작용하는 것이다. 간장은 이렇게 발효된 콩(메주)을 물에 우려낸 것으로 아미노산 및 발효 대사산물이 물에 녹아 나온 것이므로 역시 건강한 먹거리이다. 서양에서는 우유의 단백질만을 따로 분리한 다음 발효시켜 치즈를 얻지만, 우리는 콩의 모든 성분을 된장과 간장의 형태로 발효시켜 섭취하니 많은 장점이 있다. 유영제 서울대 교수·화학생물공학또 다른 발효 음식의 하나는 김치이다. 배추가 김치로 발효되는 동안 유산균이 증식하고 발효과정에서 많은 종류의 대사산물이 생성된다. 그러나 배추의 섬유질은 그대로 있으니 김치는 유산균, 대사산물, 섬유질이 풍부한 세 가지 장점을 가진 건강한 음식이라고 하겠다. 서양의 발효음식인 요구르트와 비교해 볼 때 유산균이 풍부한 것은 공통이나 김치에는 유산균 외에도 섬유질이 많이 있다는 장점이 있다. 최근 많이 소개되고 있는 산야초 효소액은 용기에 산야초와 설탕을 넣어 오래 숙성시킨 것이다. 그렇게 하면 산야초의 성분이 고농도 설탕용액에 용출되고, 그 후 미생물에 의해 오랜 기간 서서히 발효가 진행되는 과정에서 다양한 대사산물이 생성된다. 우리가 기대하는 만큼 효소가 생성되는 것은 아니기에 효소액이라는 명칭에 문제는 있다. 그러나 야채나 과일을 주스로 만들어 마시는 현대적 방법에 비해 산야초 효소액은 시간은 걸리지만 산야초의 유용성분과 발효 대사산물이 포함된 건강한 먹거리라고 할 수 있다. 또 우리는 약용 성분이 있는 천연물을 추출해 섭취하고 있다. 대표적인 것으로는 한약재를 물에 넣어 약한 불로 달이면 수용성 성분이 용해돼 나오는데 우리는 그것을 섭취하는 것이다. 더 진보된 방법의 하나는 소주(알코올 용액)에 한약재를 용해시켜 섭취하는 것이다. 가령, 인삼주라는 것은 인삼액을 알코올로 발효시킨 것이 아니라, 인삼을 알코올 용액에 오랫동안 넣어둠으로써 인삼 속의 수용성 성분은 물에, 물에 녹지 않는 성분은 알코올에 용해돼 나오게 해 그것을 섭취하는 것이므로 인삼의 유용 성분을 모두 섭취하는 우리 조상의 지혜가 담겨 있는 방식이다. 단 소주에 용해시키는 방식이므로 술을 잘 못하는 이들은 활용할 수 없다는 단점이 있다. 그러나 이 방식은 약용식물로부터 특정 성분만을 분리하거나 별도로 화학적으로 합성해 섭취하는 서양과 달리 재료에 포함돼 있는 유익한 성분을 모두 섭취하는 우리 조상의 지혜가 담겨 있는 방식이다.발효과정에서 생성되는 대사산물이 우리 몸에 유익하다는 것은 알지만, 구체적으로 어떤 성분이 생성되고 또 얼마나 좋은지는 잘 모르고 있다. 우리 먹거리에 감춰진 경험과 지혜를 현대과학으로 설명할 수 있다면 그래서 우리의 먹거리를 더 발전시킬 수 있다면 세계적인 먹거리로서의 위상을 제고시키는 데 도움이 될 것이다. 글로벌 시대, 서양 음식에 대한 선호도가 증가하면서 우리 것에 대한 장점과 그 속에 감춰진 우리 조상의 지혜가 잊혀지고 있다. 우리 먹거리는 채소와 발효식품이 강조되고 있어 장수 시대에 걸맞은 건강한 먹거리라고 하겠다. 음식은 맛으로만 먹는 것이 아니라 건강을 먹는 것이며 조상의 지혜를 음미하는 것이다.유영제 서울대 교수·화학생물공학

지난해 노벨물리학상 수상자로 청색 고체발광다이오드(LED)를 발명한 이들이 선정됐을 때, 램프처럼 평범한 기술에도 노벨상을 준다며 의아해하던 지인이 있었다. 그런데 노벨물리학상 수상자의 면면을 보면 아인슈타인과 같이 물리적 현상의 근본을 밝혔던 이들도 있지만 광섬유, 레이저, 그리고 전하촬상소자(CCD)처럼 일상을 혁신한 기술을 발명한 자도 다수 포함돼 있다. 게다가 삶의 절반을 이루는 밤을 비추어 낮을 연장시키는 조명기술의 혁신이 우리에게 미치는 영향력이란 생각보다 훨씬 막대한 것이다. 인류는 과거 대부분의 시기에 연료를 태워 빛을 얻었다. 나무, 각종 기름, 석탄가스 등을 연소시키는 과정에서 발생하는 빛을 조명으로 이용한 것이다. 19세기에 두 탄소 전극 사이에 고전압을 걸어서 일종의 인공번개를 발생시켜 빛을 얻는 아크등이 등장하기도 했지만 지난 한 세기 인류의 밤을 밝힌 전기조명의 대표주자는 백열등과 형광등이었다.  고재현 한림대 교수·물리학1879년 뉴욕 멘로파크를 환하게 밝히며 에디슨의 성공을 알린 백열등은 공기를 뺀 유리전구 속 필라멘트가 전류에 의해 고온으로 달궈지면서 나오는 백열광을 이용한 것이다. 섭씨 2000도 이상으로 달궈지는 필라멘트는 그러나 가시광선보다는 적외선(열선)을 압도적으로 많이 방출한다. 전기에너지의 5% 정도만 빛으로 바꾸는 백열등이 에너지 절감이 강조되는 이 시대를 버텨내지 못하고 역사의 뒤안길로 사라져가는 것은 당연한 수순처럼 보인다. 지금도 사무실과 가정을 환히 밝히고 있는 형광등은 어떨까. 형광등이 사실 눈에 안 보이는 자외선을 내는 램프라는 것을 아는 사람은 많지 않다. 유리관 속에 봉입된 수은과 불활성기체를 방전시키면 강한 자외선이 방출된다. 이를 그대로 이용하면 살균과 소독에 쓰이는 자외선 램프가 되지만, 형광체라는 물질로 램프 내부를 코팅하면 자외선이 빛으로 바뀌면서 백색 조명등이 된다. 입력된 전기에너지의 25% 정도를 빛으로 바꾸는 형광등은 백열등보다 에너지효율이 높아 지금도 광범위하게 사용되고 있다. 그렇지만 수은이라는 유해물질이 함유돼 있다는 치명적 약점과 LED의 확장 속에서 형광등 역시 조명의 무대에서 떠날 운명에 놓이리라는 점은 분명해 보인다. 1990년대 중반 처음 등장한 작은 청색 반도체가 일으킨 혁명은 어디까지 와 있을까. 반도체의 종류에 따라 다채로운 색상을 낼 수 있고 점광원의 특성상 다양한 형상으로 디자인할 수 있다는 장점으로 인해 LED는 이제 디스플레이용 광원뿐만 아니라 일반 조명의 각 분야에 광범위하게 활용되고 있다. 게다가 반도체 광원의 속성상 점멸이 자유롭고 디지털 제어가 용이하기 때문에 LED는 사물인터넷의 시대에 정보를 전달하는 수단으로, 다양한 센서를 결합한 지능형 조명시스템으로 재탄생하고 있는 중이다. 최근 특정한 색깔만을 내는 레이저 광원도 새로이 주목받고 있다. 미국 애리조나주립대학의 연구팀은 반도체를 나노시트 형상으로 정밀하게 제작해 가시광선 전체를 커버하는 백색 레이저를 구현하는 데 처음으로 성공했다. 나노시트를 구성하는 세 영역을 각각 통제하면 디스플레이용 화소가 되고, 이들을 동시에 발진시키면 조명용 백색광을 얻게 된다. 이를 활용하면 현재 디스플레이보다 훨씬 선명한 색을 구현하는 표시장치 개발이 가능하고, 직진성이 강한 레이저의 특성을 활용해 혁신적인 가시광 무선통신을 구현할 수도 있다. 10여년 전 고가의 LED가 대중화될 가능성은 거의 없다고 오판했던 필자는 요즘은 혁신적 기술의 도래에 대해 낙관적인 편이다. 그렇다고 혁신적 아이디어가 미래에 전부 현실화될 수는 없을 것이다. 백열등의 성공 뒤에는 1200종류가 넘는 필라멘트 재료를 테스트한 에디슨의 끈질긴 노력이, 청색 LED의 개발 뒤에는 노벨상 수상자들이 수행한 수천 번의 실험이, 그리고 백색 레이저의 구현에는 10년 동안 이에 매달린 애리조나대학 연구팀의 분투가 자리 잡고 있다. 혁신의 시작이 창의적 아이디어라면 이의 현실화를 뒷받침하는 것은 각고의 노력임이 분명해 보인다.고재현 한림대 교수·물리학

자기 스스로 알아서 달리는 자동차, 소위 자율주행자동차의 상용화가 점차 현실로 다가오고 있다. 올해 1월 미국 라스베이거스에서 개최된 세계 최대 전자박람회인 ‘CES 2015’에 미래형 자율주행자동차가 실제로 선보였다. 자율주행 스위치를 누르는 순간 운전대가 차체 안으로 사라지고 앞쪽 운전석과 조수석이 180도 회전해 뒷좌석과 서로 마주보는 공간이 만들어져, 자율주행 동안 호텔 라운지 같은 분위기에서 편안하게 담소도 나누고 회의도 할 수 있도록 한 것이다. 이런 자동차가 실제로 도로에서 안전하게 달릴 수 있다면, 인간은 이제 고단한 운전으로부터 완전히 자유로워져 새로운 자동차 생활문화를 누릴 수 있게 될 것이다. 운전자의 개입 없는 완전한 자율주행이 가능해지려면, 자동차가 운전자처럼 주변 환경을 인지하고 위험 등의 상황을 스스로 판단해 자동차를 자동으로 제어할 수 있는 능력을 갖추어야 한다. 오늘날 연구개발 중인 자율주행자동차에서도 이 같은 인지-판단-제어 단계의 기술이 핵심 기술로 부각되고 있다. 자신의 위치는 물론 차량 전 방위의 다양한 주변정보를 자체 센서 및 외부와의 통신을 통해 정확하게 인식하고 수집하는 인지기술, 수집된 정보를 해석하고 위험 등 교통 상황을 판단해 적절한 주행 경로와 방식을 산출하는 인공지능형 정보 분석기술, 판단결과를 신속하게 주행에 반영하고 대응하는 제어기술이 그것이다. 작동원리를 봐도 자동차 자체의 자율 시스템과 외부 지원 시스템이 함께 결합돼 구현되고 있다. 기계의 자기학습 메커니즘을 통해 자동차의 자율적 판단능력이 향상된다 하더라도, 자체 판단이 어려운 교통상황이 돌발할 경우 빅데이터 등 외부 서버를 통한 지원이 불가피하기 때문이다.이중원 서울시립대 교수·과학철학원래 자율주행자동차의 처음 개발 의도는 안전에 있었다. 대부분의 교통사고가 운전자의 부주의한 조작에 기인한 만큼 자율주행으로 교통사고를 줄이려 한 것이다. 실제로 이를 목적으로 주변 환경을 감지하는 센서기술을 활용해 앞차와의 간격 유지나 돌발 상황에서의 급정거 기능을 갖춘 자동차는 이미 상용화돼 있다. 하지만 미래의 자율주행자동차는 운전자의 조작을 일부 제어하는 수준을 넘어서 완전한 자율주행자동차를 지향하고 있다. 안전성만이 아니라 편의성, 사회적 공익성 등 다양한 목적을 염두에 두고 있기 때문이다. 현재 관련 핵심 기술이 빠르게 발전하고 자율주행에 필요한 법적·제도적 장치가 마련된다면, 향후 5년 뒤에 자율주행자동차 상용화가 시작될 것이라는 예측이 나오고 있다. 하지만 자동차 운전이 일순간에 나와 가족의 생명을 앗아갈 수도 있는 안전과 직결된 만큼, 아이로니컬하게도 자율주행자동차 자체의 안전성에 대한 엄격한 평가가 중요하다. 특히 완전한 자율주행자동차의 안전과 관련해 다음의 쟁점이 떠오르고 있다. 첫째, 자체로 기계적인 오작동이 발생해도 사람이 자동차를 제어하지 못한다는 점이다. 실제로 자율주행자동차는 복잡한 기술적 과정을 담고 있어 오작동의 확률도 그만큼 높다. 이는 필요 시 사람이 운전에 개입하도록 하면 해소될 수 있지만, 그럴 경우 더 이상 완전한 자율주행자동차가 아니어서 굳이 많은 비용을 들여 구입할 이유도 사라지게 된다. 둘째, 해커에 의한 해킹 가능성이다. 완전한 자율주행자동차의 경우 자율주행 시스템을 갖추고 있지만, 자체로 판단이 어려운 상황이 발생할 경우 외부 지원시스템의 도움을 받기에 해커의 접근이 가능하다. 보안 및 자율주행 시스템 강화로 직접적인 해킹을 차단한다 하더라도 외부 데이터의 조작을 통해 자율주행에 영향을 끼칠 가능성은 여전히 열려 있다. 가장 근본적인 문제는 아마도 기술에 대한 인간의 신뢰일 것이다. 아무리 훌륭한 인공지능형 자율주행자동차라 하더라도 안전을 포함한 모든 상황을 기계에 전적으로 의존할 수는 없기 때문이다. 인간과 기계의 관계, 우리가 계속해서 풀어야 숙제인 셈이다.이중원 서울시립대 교수·과학철학

8월이 되어 무더위와 관련된 기상 용어를 자주 접하게 된다. 폭염(暴炎)은 심한 더위로 폭서(暴暑)라고도 하며 불볕더위와 같은 뜻이다. 기상청에서는 여름에 일 최고기온이 이틀 이상 섭씨 33도가 넘으면 폭염주의보를 내린다. 폭염경보는 폭염주의보에 비해 더워 낮 최고기온이 섭씨 35도 이상이 이틀 이상 이어질 것으로 예상되면 발령한다.폭염은 북태평양고기압의 영향으로 고온다습한 공기가 한반도에 지속적으로 유입되면서 발생하는 자연현상으로 보는 견해와 함께 기후변화에 따른 지구온난화가 기승을 부리면서 폭염의 발생 주기와 강도가 커지고 있다는 의견도 있다. 공우석 경희대 교수·지리학폭염주의보와 폭염경보 등 무더위와 관련된 폭염특보가 내려지면 한낮의 옥외작업은 가급적 피하고, 노약자는 야외활동을 삼가야 한다. 양계, 양돈 등 축산농가에서는 축사 지붕에 물을 뿌리는 등 폭염으로 인한 피해가 없도록 대비해야 한다. 무더위의 또 다른 형태인 열대야(熱帶夜)는 어떤 지점의 기온이 낮에는 섭씨 30도 이상이고, 전 날 오후 6시부터 다음 날 9시까지의 밤 최저기온이 섭씨 25도 이상인 날을 가리킨다. 열대야가 발생하면 밤에도 무더위 때문에 수면 부족과 무력감에 시달리므로 더위를 나타내는 지표로 사용한다. 지표는 낮에 태양열을 받아 더워졌다가 밤이 되면 복사열을 방출한다. 열대야는 낮에 만들어진 대기 중의 수증기와 이산화탄소가 복사열을 흡수해 밤에 이를 지상으로 되돌려 보내면서 나타난다. 우리나라에서 열대야는 장마가 끝난 뒤 고온다습한 북태평양고기압이 발달할 때 주로 나타난다. 열대야는 공기의 흐름이 좋은 해안보다는 내륙에서 흔하고, 녹지가 많은 시골보다는 인구밀도가 높고 인공물이 많고 에너지 소비가 많은 도시에서 주로 발생한다. 대도시의 도심, 산업단지 등은 주변보다 기온이 높은 열섬현상이 나타나는 곳에 열대야가 자주 나타난다. 자연적인 현상으로 일어나는 폭염과 열대야를 해결할 방법은 많지 않으나, 인간 활동의 결과 발생하는 지구온난화에 따른 무더위 현상은 온실기체 발생원을 줄이는 에너지 절약과 조림과 같은 탄소 흡수원을 늘리는 등의 노력으로 완화 또는 극복할 수 있다.지구온난화에 따라 북극과 남극 등 극지방의 빙하가 녹아내려 해수면이 상승하고 수온이 높아지면서 북극곰과 조류 등 동물생태계가 혼란에 빠지고 육상에서는 식물들이 쇠퇴하고 있다. 고산지역에서도 폭염 등 기온 상승에 따른 생태계의 피해가 이어지고 있다. 폭염은 고산과 아고산 생태계에 작지 않은 피해를 미치고 있으나, 지구온난화에 따른 생태계 변화가 우리에게 직접적인 피해나 불편을 주지 않기에 무관심할 뿐이다.고도가 높은 고산과 아고산은 사면의 경사가 급하고 토양층이 얇고 기후가 열악하고 생태계는 연약하다. 이에 지구온난화, 폭염, 개발 활동 등 외부의 작은 물리적 충격에도 쉽게 자연생태계가 교란·파괴되며, 충격에 대한 복원력이 낮아 시간이 지나도 원상 복구가 매우 어렵다. 극지방에 주로 자라지만 백두대간과 한라산의 고산과 아고산에 격리 분포하는 극지고산식물은 지난 빙하기에 북방의 혹독한 환경을 피해 한반도로 유입됐다. 지난 1만년 전후로 시작된 후빙기에 기온이 높아지면서 기후가 한랭한 높은 산정에 정착했다. 한반도 산 정상부를 지구상 분포한계선으로 삼는 극지고산식물종들은 자연사 복원의 열쇠이며, 기후변화가 생태계에 미치는 영향의 지표종으로 세계적인 가치가 높아 절대보전이 필요하다. 산정상부에 고립돼 자라는 식물이 지구온난화와 폭염, 그리고 개발로 인해 고산에서 사라지면 우리의 미래도 온전치 않고 위태로울 수 있다는 신호로 보아야 한다.공우석 경희대 교수·지리학

얼마 전 자신의 제자를 학대한 소위 ‘인분교수’ 사건과 교원대학에서 제자의 논문을 가로챈 비리 사건 등이 보도됐다. 황당한 사건임에 틀림없지만, 이들의 전공이 이공계열이 아니라는 점도 특이했다. 이공계에서는 교수와 학생의 관계가 일반적인 교육자·피교육자의 관계가 아닌 사례가 많다. 학문의 성격상 지도교수와 대학원생이 밀접하게 협력해 연구를 수행해야 하며, 대부분 대학원생들이 지도교수의 연구비에서 인건비를 받아 일하는 일종의 고용관계가 형성되기 때문이다. 교수의 입장에서는 이를 통해 직접 실험을 수행하는 일손을 확보하는 효과가 있다. 이러한 상황에서 교수와 대학원생의 관계는 돈을 매개로 한 ‘계약관계’로 나타날 수도 있고, 전통적인 군사부일체(君師父一體·임금과 스승과 부모는 하나임)라는 표현으로 대변되는 ‘봉건적 관계’로 나타날 수도 있다. 즉 학생에 대한 교수의 위치가 회사의 사장 같은 관계일 수도 있고, 아니면 비법을 전수하는 소림사의 사부가 될 수도 있는 것이다.강호정 연세대 교수·사회환경시스템공학물론 대부분의 교수와 대학원생의 관계는 이 중간에 여러 가지 스펙트럼으로 나타난다. 서구의 대학과 우리나라의 대학 사이에도 큰 차이가 있고, 국내 대학 안에서도 전공이나 개별 교수의 성격에 따라 상이하게 나타난다. 교수와 대학원생의 관계가 이상적으로 조합되면 연구 결과물이 잘 나와 교수의 명성도 높아지고, 학생도 졸업 후 좋은 직장을 찾아 떠날 수도 있지만 최악의 경우에는 어그러진 법정 분쟁으로 번지기도 한다.지도교수와 대학원생의 갈등은 평범한 교수만의 문제가 아니라 노벨상 수상자와 같은 대가에게서도 나타난다. 우리가 흔히 ‘마이신’이라 부르는 항생제 ‘스트렙토마이신’을 발견해 결핵을 퇴치하고 노벨상까지 수상한 셀먼 왁스먼 교수도 그러했다. 약이 대량생산되고 노벨상까지 언급될 무렵 그의 대학원생이었던 앨버트 샤츠가 문제를 제기했다. 이 약의 발견에 이른 연구를 자신이 직접 수행했다고 주장하며 법정 소송까지 불사한 것이다. 결국 금전적 보상을 하는 것으로 일은 마무리됐으나 노벨상 수상자는 명예가 크게 훼손됐고, 전도가 유망하던 샤츠도 이후에는 제대로 된 대학의 강단에 설 기회를 영영 잃어버리고 말았다. 또 하나 잘 알려진 스캔들은 ‘맥동성’이라는 별을 발견해 천문학자로는 최초로 노벨 물리학상을 수상한 앤터니 휴이시의 경우이다. 나중에 알려진 바로는 그의 대학원생이었던 조셀린 버넬이 고생고생해서 자료를 관측하고 해석했을 뿐 아니라, 정작 지도교수였던 휴이시는 처음에는 이 새로운 발견을 실수라고 간주하고 믿지도 않았다고 한다. 다른 천문학자들이 노벨상 수상이 공정치 못했다고 난리를 쳤지만, 정작 버넬은 자신이 노벨상 수상자에서 제외된 것에 대해 화가 나지 않는다고까지 말했다. 이후 버넬은 각종의 학회장을 역임하고 현재는 더블린대학 부총장 직을 수행하고 있다.우리나라는 과학기술의 역사가 일천한 후발 주자로서, 또 자본주의적 계약관계와 봉건적 인신 관계가 혼합된 사회 특성상 교수와 대학원생의 관계가 아직 정립돼 있지 않다. 미국과 같이 철저한 계약 관계가 최선인지에 대해서는 회의적이지만, 동시에 연구의 핵심 동력인 대학원생들의 목소리를 제대로 듣고 있는지에 대해서도 교수의 한 사람으로 반성이 되는 점이다. 고등교육과 관련된 정부기관이나 대학 모두가 대학 입시에 쏟는 관심의 10분의 1만이라도 대학원생들의 지위에 대해서 고민한다면 우리나라 과학기술 연구역량을 쉽게 향상시킬 것이라 생각된다. 가장 손쉽게 이 문제를 개선하는 방법 중 하나는 대학원생들에게 대학원 운영의 정보를 제공하고 이들의 의견을 청취해 제도에 반영하는 것이다. 이를 대학원 평가에 적용하면 더욱 효과적일 것이다. 정보의 공개와 소통, 이것이 교수와 대학원생의 이상적인 관계 정립에도 특효약이다.강호정 연세대 교수·사회환경시스템공학