물리학, 화학, 생명과학, 지구과학의 경계를 넘나들며,
인문학적 상상력과 과학기술 창조력을 한 번에!
세상을 이루는 자연현상과 과학기술을 탐구하다

이 책은 창의융합 인재로 나아가는 첫걸음으로서 통합과학 교과 공부에 도움을 얻고 싶은 청소년들은 물론, 아이들에게 과학의 재미를 알려주고 통찰력을 길러주고 싶은 교사와 부모들에게도 친절한 안내서가 될 것이다.

세상의 작동 원리를 이해하고 우주와 지구의 비밀을 풀다

과학자들은 어림을 통해 연구 결과를 어느 정도 예측하기도 하고, 측정값이 합리적이고 참값에 가까운지를 판단하기도 합니다.
만약 측정한 사람마다 같은 도구나 장치를 사용했음에도 불구하고 눈금을 읽을 때 측정한 값과 단위가 다르다면 어떤 불편한 점이 생길까요?
1999년 9월 23일, 과학자들은 화성 기후 관측 위성(Mars Climate Orbiter)이 화성 궤도 진입에 실패했음을 알게 되었습니다.
원인을 분석한 결과 미국항공우주국(NASA)은 국제 측정 단위인 m(미터)를 단위로 사용했지만, 위성 제작사인 록히드마틴(Lockheed Martin)은 당시 영미에서 주로 쓰는 야드파운드 단위 체계를 사용했기 때문이었습니다.
결국 서로 다른 단위를 사용한 프로그램 입력값이 화성 궤도 진입 실패라는 결과를 만들어 커다란 경제적 손실을 불러일으켰습니다.
만약 미국항공우주국(NASA)과 영국 위성 제작사가 동일한 국제 표준 측정 단위를 사용하여 프로그램 입력값을 통일했다면 화성 탐사 분야에서 더 많은 성과를 앞당길 수 있었을 것입니다.
이 사례는 기본량 측정 표준화의 유용성과 필요성을 절실히 알려줍니다.
---본문「1장 세상을 어떻게 측정할 수 있을까?」중에서

멘델레예프가 자신만의 주기율표를 완성하게 된 계기와 관련된 일화가 있습니다.
멘델레예프는 상트페테르부르크 대학의 화학과 교수였습니다.
그런데 기숙사 생활을 하는 학생들이 밤새 카드 게임을 하고 다음 날 아침에 졸린 상태로 강의실에 들어오는 모습을 보고는, 학생들에게 자신이 연구하고 있는 원소의 규칙성을 알려주기 위해서 카드 게임을 도입했다고 합니다.

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

그러던 어느 날, 멘델레예프는 꿈속에서 자신이 고민했던 원소의 규칙성이 반영된 주기율표의 모습을 보게 되었습니다.
잠에서 깬 그는 꿈속에서 본 장면을 그대로 옮겨 적었는데, 이것이 오늘날 우리가 사용하는 주기율표의 기본 틀이 탄생하는 순간이었습니다.

---본문「2장 물질은 어떻게 생겨나고 모였을까?」중에서

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

단백질은 영어로 프로틴(protein)이라고 하는데, 그리스어 ‘proreios’에서 유래된 단어입니다.
‘첫 번째로 중요하다(primary)’라는 뜻이지요.
프로틴이라는 말의 유래만 봐도 알 수 있듯이 단백질은 사람을 비롯한 모든 생명체 내에서 생명 현상을 조절하는 필수 성분이며 생명체를 구성하는 주요 물질입니다.
생명체 내에서 화학 반응이 빠르게 일어나도록 도와주는 효소,
생명 활동을 조절하는 호르몬, 병원체를 물리치는 항체도 모두 단백질로 이루어져 있습니다.

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

---본문「3장 자연은 어떤 물질로 이루어져 있을까?」중에서

지진이 발생하면 언론에서는 “규모 얼마의 지진이 발생했다”, “진도 얼마의 지진이 발생했다”라고 보도합니다.
여기서 지진 규모와 진도의 차이는 무엇일까요?
지진 규모는 지진에서 방출되는 에너지를 수치화한 것으로 1935년 지진학자 찰스 리히터(Charles Richter)가 제안한 방식입니다.
그의 이름을 따서 리히터 규모라고도 하지요.
리히터 규모가 1.0 증가하면 지진에서 방출된 에너지는 101.5, 약 30배 증가합니다.
이는 지진 규모 1.0의 차이가 나는 지진에서 방출된 에너지는 30배 차이가 난다는 뜻입니다.
따라서 규모 7.0의 지진은 규모 6.0의 지진보다 30배 강하고, 규모 5.0의 지진보다 900배 강하지요.

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

지진의 진도에 대한 기준이 없었던 우리나라는 2000년까지는 일본 기상청에서 사용하는 진도 계급을 사용하였으나, 2001년부터는 미국 등지에서 사용하고 있는 수정 메르칼리 진도 계급을 사용하고 있습니다.

---본문「4장 지구 시스템 속에서 살아가는 우리」중에서

자동차 충돌 실험은 단지 사고가 났을 때 신체의 어느 부위를 부딪치는지만을 보여주는 데 그치지 않는다.
어느 부위에 어느 정도의 충격이 가해지는지, 그리고 이 충격이 인간에게 어떤 영향을 미치는지를 정밀한 데이터로 밝혀낸다.
이를 위해 더미에는 다양한 첨단 센서가 장착되어 있다.
보통 더미 하나에 로드 셀, 가속도계, 변위계를 비롯한 약 80개의 센서를 설치한다.
로드 셀(load cell)은 충돌 시 특정 부위에 가해지는 힘의 양을 정밀하게 측정하는 센서로, 더미가 갖춘 가장 기본적인 센서다.
자동차 충돌 시 머리가 엄청난 속도로 앞으로 튕겨 나가는 현상은 매우 치명적인데, 이런 가속도를 측정하는 데 가속도계(accelerometer)를 사용한다.
또한, 생명과 직결되는 부위인 인간의 목과 척추는 충돌 순간 구부러지고 움츠러들거나 늘어나는데, 이처럼 압축되거나 휘는 정도는 변위계로 측정한다.

이러한 센서들은 머리부터 발끝까지, 생명과 직결되는 모든 부위에 전략적으로 배치되어 있다.
이를 통해 수집된 데이터는 자동차의 안전 설계를 개선하고, 새로운 안전장치를 개발하는 데 필수적인 자료로 활용된다.
충돌 테스트 더미의 발전은 자동차 안전 기술의 발전과 밀접한 관련이 있으며, 이를 통해 수많은 생명을 구하는 데 기여하고 있다
---본문「5장 역학적 시스템, 힘과 운동은 어떻게 작용할까?」중에서

닭가슴살을 먹으면 그 안에 들어 있는 단백질이 곧바로 체내로 흡수되어 근육이 만들어지냐고요? 그런 것은 아니고 위, 소장 같은 소화 기관에서 소화 과정을 거칩니다.
닭가슴살의 단백질이 크기가 작은 아미노산으로 분해되어야 세포 안으로 들어와 근육 형성에 필요한 단백질로 합성되는 것입니다.

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

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

---본문「6장 유기적이고 정교한 체제, 생명 시스템」중에서