에피소드 과학철학
페니실린: 시대적 배경
페니실린은 영국의 미생물학자 플레밍(Alexander Fleming, 1881-1955)이 발견하였다. 당시 의학계는 파스퇴르가 이룬 업적에 큰 영향을 받고 있었다. 파스퇴르는 자연발생설, 즉 무생물에서 생물이 저절로 생겨난다는 이론의 불합리성을 밝히고 실험을 통하여 세균에 의해 병이 발생함을 보였다. 또 제너는 백신접종에 의한 예방법을 일반화시켰다. 그리하여 19세기 말 의학자들은 병원 미생물을 규명하고 그 백신을 개발하는 예방요법을 중요시했다. 병을 약으로 다스리는 화학요법은 상대적으로 경시되었다.페니실린: 리소자임: 콧물은 힘이 세다!
플레밍은 감기에 걸린 1922년 어느 날 특별한 현상을 발견한다. 마이크로코쿠스 리소데익티쿠스라는 세균이 그의 콧물에 의해 분해되는 것을 발견한 것이다. 콧물뿐 아니라 사람과 동물 몸에서 분비되는 점액 대부분에서 발견된 살균효과가 있는 이 효소를 플레밍은 리소자임 (lysozyme) 이라 부른다. 리소자임은 사람과 통물의 몸 중 눈이나 코의 점막같이 드러나 있으면서 혈액의 공급이 없어 면역 체계가 작용할 수 없는 곳에서 특히 많이 발견된다.페니실린 발견!
그후 세인트 메리 병원의 세균학 교수로 임명된 플레밍은 1928년 여름, 주말 휴가가 끝난 월요일 아침 실험실 배양접시에서 맹독성 화농균인 포도상구균이 파괴되어 있는 것을 발견한다. 그 원인은 놀랍게도 어디서 날아들어 왔는지 알 수 없는 푸른 곰팡이였다. 후에 이 푸른 곰팡이는 페니실륨 노타툼(Penicillium notatum) 인 것으로 규명되었다.페니실린의 효능
플레밍은 이 곰팡이에 의해 만들어지는 물질이 포도상구균, 연쇄상구균 , 임질균, 뇌막염의 원인균, 디프테리아균, 폐렴균 등을 파괴하는 능력이 있음을 실험으로 알았다. 그는 이 물질을 페니실린이라 불렀다. 특이하게도 페니실린은 생체 내에서 적혈구를 파괴하지도 않았고, 인간에 해가 없는 물질이었다. 이 사실은 중요한 의미를가졌다. 플레밍은 화학요법에 부정적인 견해를 가졌었는데, 그 이유는 세균만을 죽여야 할 약들이 사람에게도 유독했기 때문이었다.페니실린: 플로리와 체인
그러나 막상 페니실린을 환자에게 처방하려 했을 때 장애물을 만났다. 곰팡이에서 추출된 물질은 너무 예민하여 보관하기 힘들었고, 오랜 환자들에게 사용해 보았으나 기적은 일어나지 않았다. 그는 1929년 푸른 곰팡이에 항생작용이 있다는 논문을 발표하지만, 주목을 받지 못하고 10여년 동안 방치된다. 1939년 병리학자 플로리 (Howard W. Florey, 1898~19 68)와 생화학자 체인(Ernst B. Chain, 1906 ~79)은 플레밍의 푸른곰팡이의 항생작용에 대한 논문을 읽고 관심을 가진다.페니실린: 전쟁과 페니실린의 대량생산
그후 대형 제약회사의 참여와, 제 2차 세계대전으로 인해해 항생제의 필요성을 절박하게 느낀 영국과 미국의 전폭적인 지원으로 대단히 빠른 속도로 페니실린에 대한 연구가
페니실린: 화학요법의 부흥
이후 화학요법도 병을 다스리는 데 중요하다는 인식 아래 미생물이 만드는 항생물질을 찾으려는 지속적인 연구가 일 어 났고, 그 결과 장티푸스를 일으키는 살모넬라균에 유효한 곰팡이 등을 찾아낼 수 있었다. 페니실린은 인간의 병을 치유하기 위하여 의식적으로 미 생물을 이용한 최초의 예라는 데 그 중요성이 있으며, 당시 의학에서 경시되었던 화학요법을 새 차원으로 끌어올려 죽어가는 많은 사람들을 살렸다.우주의 팽창: 대폭발설
우주는 어떻게 탄생했을까? 대폭발설에 의하면 초기에 우주는 모든 물질이 집중되어 있는 수십억 도의 뜨거운 수프와 같은 상태였다. 우주 탄생1/100초에서 1/10초 사이에 이 우주수프 (cosmic soup)의 온도는 대략 절대온도 1,000 억도였고, 이때 우주는 대부분 전자, 양전자, 광자, 중성미자, 반중성미자로 되어 있었다.우주의 팽창: 대폭발설 (계속)
이 입자들의 상호작용으로 전자와 양전자가 합쳐져 광자로 바뀌고, 광자는 다시 충돌하여 전자와 양전자로 바뀌기도 했다. 물론 밀도와 온도는 상상할 수 없을 정도로 높았다. 1/10초가 지난 후 우주의 절대온도는 10억도까지 떨어졌다. 양전자들은 소멸하고 전자, 중성미자, 광자들만 남았다. 3분이 지난 후 우주의 온도는 양성자와 중성자가 핵으로 결합할 수 있는 온도까지 떨어졌고, 중수소와 헬륨의 핵이 만들어졌다.우주의 팽창: 대폭발설 (계속)
10만년이 지난 후 핵들이 전자와 결합해 원자를 만들었고, 마침내 별과 은하를 만들기 시작했다. 별들은 수소와 헬륨이 모여 핵융합 반응을 일으키며 철과 탄소같은 원소를 만들기 시작했다. 그후 100억년에서 150억년(추정되는 우주의 나이) 동안 우주는 지속적인 변화를 일으키며 현재와 같은 상태에 다다랐다.우주의 팽창: 대폭발설 (계속)
이러한 대폭발론은 1931 년에 르메트르(G. Lemaitre , 1894- 1906)가 제안하였고, 49년 가모브(George Anthoy Gamow, 1904-68)에 의해 체계화되었다.
이 이론에는 증거가 둘 있는데, 하나는 허블이 1929년에 발견한 은하로부터 오는 빛의 적색 편이현상이고, 또 하나는 1965년 펜지어스(Amo Allan Penzias , 1933~현재)와 윌슨 (Robert Woodrow Wilson, 1936~현재)에 의해 발견된
우주의 팽창: 근거 1: 적색편이
기차가 우리에게 다가올 때는 그 기적소리가 높은 음으로 들리고, 기차가 우리로부터 멀어질 때는 낮은 음으로 들린다. 이 현상을 ‘도플러 효과’ 라고 한다. 빛도 마찬가지 효과가 나타나는데 가까이 오는 광원은 빛의 스펙트럼이 청색으로 옮겨가는 청색 편이현상, 멀어져 가는 광원은 반대로 적색 편이가 관측된다. 따라서 외부 은하로부터 오는 빛에서 적색 편이가 관찰되었다면, 이 은하는 우리로부터 멀어지고 있는 것이다. 허블은 또한 멀리 있는 은하일수록 멀어지는 속도가 더 빠르디는 것도 발견하였다.우주의 팽창: 근거 2: 우주배경 복사
펜지어스와 윌슨은 지구를 돌고 있는 인공위성과 교신하면서 미지의 전파를 발견하였다. 이 전파는 우주의 모든 방향에서 고루 발견되었고, 이에 대한 설명으로 우주의 초기 대폭발 때 발생한 빛들이 우주가 팽창함에 따라 지속적으로 식어 2. 7K에 해당하는 우주 배경 복사로 남았다는 것이다.텔레비전: 전화기+사진+라디오+...
현대인의 삶과 뗄래야 뗄 수 없는 텔레비전은 19세기부터 인류가 개발한 발명품들을 모두 합쳐놓은 작품이라고 할 수 있다. 텔레비전은 오랜 세월 동안 전화기, 사진, 라디오 풍의 기술들이 결합되어 만들어져 현재에 이르고 있으며, 지금도 끊임없이 개량되어가고 있다.텔레비전: 셀레늄 발견
텔레비전의 개발은 빛이 닿으면 전류가 흐르고, 빛의 세기에 따라 전류의 세기를 변화시키는 즉 빛의 민감한 차이로 저항이 변화하는 성질을 가진 셀레늄원소의 발견으로 시작된다. 1817년 이 특이한 원소가 발견되자 과학자들은 이 원소를 이용하여 상을 먼 곳까지 보내는 시도를 하게 되고, 결국 1875년에 이 시도가 성공한다.텔레비전: 셀레늄 발견 (계속)
먼저 셀레늄판을 서로 이웃하게 여러 개를 놓아둔다. 각각의 셀레늄판에서 받아들여진 상의 조각들이 각기 다른 선으로 수상기까지 전달되어, 수상기에서는 이 서로 다른 정보를 각각 보여준다. 이것이 합쳐지면 영상이 되는 것이다. 즉 영상을 전송시키기 위해 이를 전기신호로 바꾸어 전송하면 수신기에서 받아 다시 영상으로 복원시키는 것이다. 그러나 이러한 과정을 통하여 정지된 상을 먼 곳까지 보내는 것은 가능했으나, 웅직이는 상을 보내는 것은 셀레늄이 빛에 반응하는 시간이 오래 걸려 불가능하였다.텔레비전: 브라운관 개발
1897년 독일의 과학자 브라운(Karl F. Braun, 1850~1918)은 진공유리구(球)의 안쪽에 형광물질을 발라 전기신호를 영상으로 바꾸는 ‘브라운관’ 을 개발하였다. 이것은 음극선관의 일종으로 표면에 화소(畵素)라고 부르는 점들이 있어서 전자와 충돌하면 빛을 발하게 된다. 따라서 영상을 보려면 브라운관에 상을 전송시키는 방법이 필요했는데, 영상을 구성하는 많은 신호를 동시에 송신하는 것은 불가능하기 때문에 이를 여러 조각으로 분해하여 수신기로 보내는 방법이 사용되었다.텔레비전: 니브코프의 주사방식
19세기 말부터 이에 대한 연구가 활발히 이루어지다가 1884년 드디어 독일의 니프코브(Paul G. Nipkow , 1860~1940)가 모자이크 영상을 재현하는 주사방식을 개발하였다. 그리고 1925년 영국의 존 베어드(John L. Baird, 1888~1946)는 브라운관과 니프코브의 주사방식을 이용해 십자가의 모습을 촬영하여 3m 떨어진 곳에 유선으로 전송하는 데 성공하였다.텔레비전 정기 방송: 괴벨스
텔레비전 정기 방송은 1935년 독일에서 처음 시작하였다. 1주일에 3 일간 하루 1시간 30분씩 방송하였다. 독일이 다른 나라들 보다 빨리 방송을 시작한 것은 히틀러의 선전상 괴벨스(Paul J. Goebbels , 1897~1945) 덕분이었다. 괴벨스는 텔레비전의 선전효과를 재빨리 간파하고, 히틀러의 얼굴을 독일 전역에 선전하기 위해 텔레비전 방송을 서둘러 시작했던 것이다. 또한 같은 맥락에서 그 다음 해에 열린 베를린 올림픽 경기를 생중계하였다.텔레비전 정기 방송: 대관식 그리고
암살
엘리자베스 공주가 1953년 웨스트민스터 대성당에서 대관식을 올리는 장면이 영국 전역에 생중계되면서, 그리고 1963년 케네디 대통령의 암살 장면이 우연히 생중계되었던 일로 인해 텔레비전은 신문이나 라디오를 압도하는 대중매체가 되기 시작하였다.돌연변이: 염색체의 발견
1900년 멘델의 유전법칙이 재발견된 이후 오래지 않아 생물학자들은 멘델이 말한 유전인자와 현미경으로 관찰된 염색체 사이에 밀접한 관련이 있음을 알게 되었다. 염색체는 1880년쯤에 발견되어 이름이 붙여졌지만, 그 기능이 알려진 것은 20년 가량 지난 뒤 염색체가 유전 정보를 전달한다는 가설이 세워진 다음이었다.돌연변이: 모건-염색체 유전학의 창시자
염색체가 유전 정보를 전달한다는 사실과, 유전자가 염색체에 존재한다는 것은 1910년대 말 토머스 모건 (Thomas Hunt Morgan, 1866-1945) 에 의해 밝혀졌다.
이로써 모건은 일명 ‘염색체 유전학’의 창시자라고 알려지게 되었다. 컬럼비아 대학에 있던 모건은 처음에는 멘델이나 다윈의 연구에 대해 비판적이었으나, 노랑초파리(Drosophila melanogaster)에 관한 연구를 통해 그의 사고는 극적인 변화를 겪게 되었다.
돌연변이: 실험대상으로서 초파리의
장점
초파리는 유전학 연구 재료로서 장점을 가지고 있다. 우선 채집하기가 쉽고, 크기가 작기 때문에 큰 집단으로 사육하기 쉽다. 또한 번식력이 매우 강해 한 쌍의 암수에게서 200마리 새끼를 얻을 수 있고, 이 새끼들도 8-10일만 지나면 벌써 자신들의 알을 낳는다. 또한 초파리는 단 네 쌍의 염색체만 가지고 있으며, 그 중 일부는 보통 현미경으로 볼 수 있을 정도로 매우 크다. 따라서 모건은 초파리의 연구를 통해 염색체가 어떻게 작용하는지에 대해 많은 정보를 얻을 수 있었던 것이다.돌연변이: 빨간 눈, 하얀 눈?
1910년 어느 날 모건은 한 표본이 그 어미와 같이 빨간색 눈이 아니라 하얀색 눈을 가지고 있음에 주목하였다. 그는 이 돌연변이 개체를 따로 분리하여 번식시켰다. 그 다음 세대에서는 모두 붉은 눈을 가진 초파리만이 태어났다. 그러나 그 다음 세대에서는 예상과 반대로 네 마리 중 한 마리는 흰 눈을 가진 놈이 태어났다. 이것은 바로 멘델의 유전법칙 중 우열의 법칙에 들어맞는 3 대 1의 비율이었다.돌연변이: 염색체와 유전자
모건은 서로 다른 형질을 지배하는 유전자가 같은 염색체 상에 위치하고 있음을 발견했다. 이 형질은 일반적으로 함께 유전된다. 반면에 이 유전적 연관은 변화하기도 한다. 염색체의 일부가 때로는 다른 염색체와 서로 꼬인 부분에서 교환될 수 있다. 이를 유전학에서는 ‘교차'*라고 부른다.* *교차는 연관유전자들을 재조립하여 어미에게서는 발견할 수 없는 새로운 유전자 쌍을 만들어 내는 현상이다.돌연변이: 『멘델의 유전 메커니즘』
모건은 더 이상 멘델의 유전법칙을 의심하지 않고 지지하게 되었으며, 1915년 『멘델의 유전 메커니즘』을 출간하기에 이르렀다. 그는 실험을 통해 유전자는 염색체 상에 실제로 존재하고 있음을 밝혀냈으며, 성에 따른 유전현상에 대한 실마리를 제공하였다. 그후 지속적 연구를 통해 염색체 유전이론을 제시했으며 , 유전학의 기본용어들을 만들어 냈다. 그는 초파리의 유전구조를 그려냈으며, 돌연변이의 의미를 구체화했다. 모건은 이러한 연구 공로로 1933년 노벨 생리의학상을 수상하였다.DNA 구조 규명: 단백질인가 DNA인가?
모건은 초파리의 돌연변이를 관찰함으로써 염색체 유전학의 새로운 장을 열었다. 이후 20세기 중반까지 과학자들은 염색체에 대하여 많은 것을 알아냈다. 그러나 유전물질은 대부분 유전학자들이 생각한 것보다 훨씬 복잡하고 어려웠다. 초기의 유전학자들은 유전정보를 가진 분자라면, 그 분자량이 아주 클 것이라 생각하여 유전물질을 단백질로 여겼다.DNA 구조 규명: DNA가 유전물질!
DNA가 유전물질이라는 것이 처음으로 증명된 것은 1944년 미국의 세균학자 에버리 (Oswald Theodor Avery 1877 -
1955)가 행한 폐렴균을 이용한 실험을 통해서였다. 하지만 당시 학계에서는 DNA가 유전물질이라는 데에 심한
거부감을 갖고 있었기 때문에 에브리의 논문은 매우 모호하게 발표되었고, 결국 그의 주장은 받아들여지지 않았다.
DNA 구조 규명: X선 사진 51번
당시 유전물질에 대한 연구는 물리학, 화학, 생화학, 생물학, 유전학 등 분야에서 함께 이루어지고 있었고, 그 연구 결과에 힘입어 DNA 구조를 밝히는 연구도 활발히 진행되고 있었다. 1952년 영국의 여성 과학자인 프랭클린 (Rosalind Franklin, 1920-58)이 최초로 DNA분자를 X선 사진으로 찍었고 이 유명한 X선사진 ‘노출 51번’은 DNA의 구조를 알아내는 결정적인 계기를 제공하였다. 하지만 띠 모양의 긴 필름에 찍힌 DNA 분자의 그림자는 너무나 혼란스러운 모습이어서 본래 모습을 알아내기가 매우 어려웠다.DNA 구조 규명: 왓슨과 크릭의 만남
왓슨은 X선 결정학을 통해 DNA에 관한 연구를 하던 모리스 윌킨스(Mautice Wilkins, 1916-2004)의 강연에 영향을 받아 유럽으로 건너가 분자생물학 연구를 하였다. 그리고진정한 동반자였던 영국의 물리학자 크릭을 만나게 된다. 이들은 윌킨스의 동료 프랭클린이 찍은 DNA의 X선 결정 사진에서 DNA가 나선구조를 가지고 있음을 알게 되었고, 이를 바탕으로 DNA 모델을 만들었다. 그들은 마분지와 금속 조각들을 이용해 작은 분자들을 표현하고, 여러 방법으로 결합해 X선 사진과 비교하였다. 이를 ‘분자모형’이라 한다.DNA 구조 규명: 구성물질
왓슨과 크릭은 DNA가 네 개 의 염기와 당 분자， 그리고 인산염 분자로 이루어 졌음을 알아냈다.
DNA 구조 규명: 구조
이들이 만든 분자 모델은 X선 사진의 그림자 상의 모습과 화학적 실험 결과 등 모든 것이 일치하는 모델이 었다. 이것은 수소 결합으로 연결되어 있으며, 당과 인산염, 염기로 둘러싸인 두 개의 분자 사슬이었다.
