에피소드 과학철학
열째 주: 미생물의 발견
다이너마이트: 중국과 아랍
화약은 중국인들에 의해 수 세기 동안 이용되어 왔으며 , 무 기보다는 불을 붙이는 용도로 쓰였다. 아랍인들에 의해
유럽으로 전달된 화약은 알프스의 도로 닦는 곳과 같은 건설현장에서 폭파용으로, 또는 총과 대포같은 무기의
재료로 전쟁터에서 사용되었다. 그 결과 화약 사용은 중세의 전쟁 방법에 커다란 영향을 끼쳤고, 성과 기사시대의
몰락까지 가져왔다고 한다.
다이너마이트: 흑색화약
19세기 중엽까지 주로 사용된 화약은 흑색화약이었다. 질산 칼륨, 황, 목탄을 일정 비율로 혼합하여 만들어진
흑색화약은 불이 잘 붙어 급격한 연소는 일어나지만
음속보다 빠르게 폭발하는 폭굉(detonation)은 일어나지 않아 위력이 약하다. 또한, 폭발시 연기가 많이 발생하여 사용하는데 어려움이 있었다.
다이너마이트: 니트로글리세린
현재의 다이너마이트의 재료가 된 니트로글리세린은 1847년 이탈리아의 과학자 소브레로(Ascarùo Sobrero,
1812-96)에 의해 글리세린과 질산으로부터 얻어 졌다. 작은 충격으로 쉽게 폭발하는 성질을 가진 니트로글리세린은
공사장 같은 곳에서 분쇄용 폭약으로 많이 사용되고
있었으나 올바른 사용방법을 지키지 않아 사고가 많았다.
다이너마이트: 노벨
스웨덴의 발명가이자 화학자인 노벨(Alfred Bemhard Nobel, 1833-96)도 니트로글리세린을 이용한 폭약을 연구하다
형제를 잃었다. 그러나 그 위험성에도 불구하고 이에 대한 연구를 계속하던 노벨은 1866년 우연히 니트로글리세린이 홉수된 모래(규조토)는 뇌관을 연결해 불을 붙이지 않으면 폭발이 일어나지 않는 것을 발견하였다.
다이너마이트: 노벨 (계속)
이름 그대로 규조토는 규조류라는 작은
식물의 사체가 쌓여 이뤄진 흙이다.
사진에서 볼 수 있는 것처럼, 수없이 많은 구멍이 있어서 여기에 니트로글리세린을
머금을 수 있다.
다이너마이트: 노벨 (계속)
그는 이를 이용해 새로운 폭약을 발명하고 "다이너마이트"’
라 이름붙였다. 이후 다이너마이트는 살상의 효과적인
도구로 전쟁에 꼭 필요한 존재가 되었으나, 그보다 더 많은 양이 세계 각국의 철도 건설, 댐 건설, 광산개발, 미국의
서부개척과 같은 곳에서 사용되었다. 결국 다이나마이트를 발명한 노벨은 그 폭발적인 수요로 인하여 유럽 최대의
부자가 되었다.
다이너마이트: 노벨 프라이즈
노벨은 다이너마이트 때문에 목숨을 잃은 사람들에 대한 죄의식 때문이었는지 평생 번 돈을 사회에 환원시키는 유서를 남겼다.
... 유언 집행자는 유산을 안전한 유가증권으로 바꿔 투자하고, 그것으로 기금을 마련해 그 이자로 매년 그 전해에 인류를
위해서 가장 공헌한 사람에게 상금 형식으로 분배해야 한다 이 상은 물리학상, 화학상, 생리의학상, 문학상, 평화상과 같이 5개 부문으로 정해져 1901년부터 노벨상이라는 이름으로 해마다 수여되었으며, 받는 사람에게 대단히 큰 영예가 되었다.
콘크리트
콘크리트는 시멘트를 물과 혼합하고 여기에 여러 크기의 골재(자갈이나 모래 등)를 섞어 만든 것으로 오늘날 튼튼한 집과 건물, 댐을 만들기 위해서 반드시 필요한 구조재이다.
고대 이집트에서는 현대의 콘크리트와 비슷하게 석회와 석고를 건축에 필요한 결합제로 사용하였다.
콘크리트: 시멘트
콘크리트의 주된 원료인 시멘트는 석회석 , 백악*, 굴껍질 등에서 얻을 수 있는 석회(산화칼숨)를 가공하여 만든다.
시멘트가 발달하게 된 시기는 영국의 산업혁명이 한참 일어나고 있을 때였다.
*석회질 껍질을 가진 부유성 단세포 생물의 유체와 미세한 방해석의 결정으로 이루어진 암석을 말한다.
콘크리트: 시멘트 (계속)
오늘날 가장 많이 사용되고 있는 포틀랜드 시멘트는 1824년 영국의 벽돌 직공인 조지프 아스프딘에 의해 발명된 것이다.
석회석과 점토의 비율을 4대 1로 섞어 섭씨 1,450도 가량의 고온에서 구워 식힌 뒤 다시 여기에 소량의 석고를 섞는다.
이것을 빻으면 옅은 녹색을 띠는 가루가 되는데 , 이것이 바로 포틀랜드 시멘트이다.
콘크리트: 골재
시멘트 외에 콘크리트의 또 다른 주된 원료인 골재는 콘크리트 부피의 70-75% 정도를 차지하며 강도에 많은 영향을 미친다. 즉 골재가 얼마나 치밀하게 채워지느냐에 따라 콘크리트의 강도와 내구성, 경제성이 결정된다. 골재는 모래와 같이 고운 것과 자갈과 같이 굵은 것 두 가지로
나뉜다. 그리고 여기에 빠질 수 없는 물은 시멘트가
단단하게 굳도록 하고, 더불어 콘크리트의 유동성을 준다.
또한 시멘트, 물, 골재 이외에 콘크리트의 성질을 개선하기 위해 다른 재료를 더 넣기도 하는데, 이를 혼화재료라 한다.
콘크리트: 모니에르의 철근 콘크리트
최초의 콘크리트는 1867 년 프랑스의 정원사인 모니에르 (Monier, 1823-1906)가 만든 철근 콘크리트이다. 그는 철 그물로 보강한 콘크리트로 화분이나 둥근 통을 제작해
특허를 받았다. 그 후에 독일을 중심으로 내구성과 내화성, 내진성이 한층 강화된 철근 콘크리트가 개발되어 댐이나 교량, 도로포장 등에 사용되어 왔다.
콘크리트: 효용
이와 같이 콘크리트는 자연에 대한 인간의 능력을 크게 확대시켜 주었다. 강의 흐름을 막아 홍수와 가뭄에 대비할 수 있게 되었고, 먼길을 돌아가지 않도록 강 위에 긴 다리를 만들 수 있게 된 것이다. 또한 건물을 짓는데 벽돌을
하나하나 쌓는 대신 철근과 콘크리트를 사용하여 더 튼튼하면서도 노동력이 덜 필요한 조립식 건축과 고층 건물건설을 가능하게 하였다.
주기율표
주기율표에는 100여 개의 원소들이 있다. 어떤 원소가 어느 위치에 자리잡고 있느냐에 따라 우리는 그 원소의 원자량이 얼마나 되는지, 그 원자가 최외각 전자를 몇 개 가지고
있는지, 더 나가 양성자가 몇 개나 있는지, 그 원자가 이온이 될 때 전자를 몇 개 잃을 것인지 얻을 것인지를 예측할 수 있다.
주기율표: 필요성
라부아지에 이후 연금술로부터 비롯된 화학이 점차
발달함에 따라 많은 종류의 원소가 새로이 발견되어졌다.
이렇게 새로운 원소들이 지속적으로 늘어남에 따라
화학자들은 이들을 체계화할 필요성을 느끼고， 이 원소들이 나타내는 규칙성에 주목하게 된다.
주기율표: 샹꾸르뜨와: 땅의 나선
프랑스의 지질학자 상쿠르투아 (Alexandre Chancourtois, 1820~
86)는 1862년 16등분한 원기둥의 표면에 원자량 순으로 원소들을 배열하면 비슷한 성질을 가진
원소가 같은 선 위에 온다는 것을 발견하여 ‘땅의 나선’이라는 설로 원소의 주기율을 발표하였다.
주기율표: 뉴랜즈: 옥타브의 법칙
1863년에 영국의 화학자 뉴랜즈(John Alexander Reina Newlands, 1837 ~98)는 원소들을 질량 순서로 배 열하면 8이란 숫자와 관련있게 주기적으로 원소의 성질이 변한다는 것을 발견하였다.여기에 음악의 음계이론을 도입하여
원소들의 주기율성을 ‘옥타브의 법칙’으로발표하였다.
주기율표: 마이어: 원자의 부피
독일 화학자 마이어 (Julius Meyer, 1830~95)는 1864년 원자의 부피에 따른 주기성으로 원소의 화학적 · 물리적 성질의 주기성을 나타낼 수 있다는 것을 발견하여 1869년 상세히 발표한다.
주기율표: 멘델레예프
그러나 원소의 주기율 체계를 확립했다고 인정받는 사람은 러시아 과학자 멘델레예프(Dmitri Mendeleev, 1834~1907) 이다. 그는 보다 합리적으로 원소의 주기성을 표현하는
주기율표를 만들었을 뿐 아니라, 발견되지 않은 원소의 존재까지 예측하였다.
주기율표: 멘델레예프
주기율표: 모즐리: 원자의 내부
20세기가 되어 양자역학이 발달하여 원자 내부의 세계가 밝혀지면서 원자 구조를 정 확하게 기술하기에 이르렀다.
1913년 모즐리(Heruy Moseley, 1 887~ 1915)는 에너지 준위가 높은 전자가 바닥 상태에 떨어지면서 방출하는 X선을 상세히 조사함으로써 원자내부의 전자의 숫자를 알아낼 수 있었다.
세균병인론
방부학, 방부외과학, 세균학, 면역학, 전염병학, 공중보건, 면역계획 등의 다양한 현대 의학들은 파스퇴르(Lοuis
Pasteur, 1822-95)와 함께 시작된다. 불과 150년 전만
하더라도사람들은 병의 정확한 원인 에 대해서 잘 모르고 있었다. 그러다가 파스퇴르에 의해 처음으로 공기 중에 떠 다니는 미생물들 중의 일부가 병을 일으킨다는 사실이
밝혀졌다.
발효: 「젖산 발효에 관한 보고」
파스퇴르는 1856년에 양조업자들로부터 포도주가 왜 쉽게 부패하는지에 대한 이유를 알아달라는 요청을 받고 발효에 관심을 가지게 된다. 연구 결과 그는 당시 화학과정으로만 알려져 있던 발효가 사실 미생물의 작용이라는 것을 밝힌다.
이 내용은 1857년 「젖산 발효에 관한 보고」 라는 논문을 통해 발표됐다.
발효: 자연발생설
자연발생설은 생물이 때로는 자연적으로 무생물로부터 발생한다는설이다. 예를 들어 오물을 그냥 놔두면 거기서 저절로 파리가 나온다고 믿었다.
발효: 백조 목 모양의 플라스크
파스퇴르는 공기 중에 작은 생명체가 있어 그것의 포자가 오물로 들어가면 미생물이 생긴다고 봤다. 이 경로를
차단하면 미생물이 생기지 않는다는 것을 실험으로
증명하였다. 1861년 백조 목 모양의 플라스크를 고안하여, 살균처리한 물질을 넣고 외부공기와 차단시키면 부패되지 않는다는 것을 보였다.
발효: 백조 목 모양의 플라스크 (계속)
(a) 플라스크에 설탕 용액을 넣은 후 (b) 병목을 백조
목처럼 늘이고 (c) 용액을 가열하면 며칠 지나도 썩지 않지만 (d) 백조 목을 치면 (여봐라 저 x의 목을
치렸다!) 얼마 지나지 않아 용액이 썩는 것을 관찰할 수 있다.
또한 1865년에는 프랑스 포도주 산업에 큰 도움이 되었고, 오늘날까지도 다양하게 활용되고 있는 ‘저온살균법’을
만들어냈다. 저온살균법이란 포도주가 발효하는 과정에서 증식되는 효모세포 중 포도주의 맛을 시게 만드는 세포만을 없애기 위해 개발된 방법으로, 포도주를 50 - 60도 C로
가열하는 살균법을 말한다. 일명 ‘파스퇴르 살균법’이라고도 하며, 맥주나 유제품 등 다양한 식품에 적용되고 있다.
발효: 저온살균법
질병: 「미생물설과 그 응용」
이후 파스퇴르는 질병 에 관한 연구에 몰입하였다. 앞서 1857년에 발표한 젖산에 관한 논문이 ‘발효의 세균설’에 대한 논문이라면, 1878년에 발표한 논문 「미생물설과 그 의학 및 외과학에서의 응용」은 ‘질병의 세균설’이라고 할 수 있다. 이 논문은 질병에 관한 연구와 치료를 하면서 얻은 임상실험을 그 바탕으로 하고 있다. 또한 이 연구는 영국의 외과의사였던 리스터에게 영향을주어 페놀방부법을
고안하게 했다.
질병: 백신
1880년에는 닭콜레라를 일으키는 미생물을 분리한 뒤 백신 개발을 시도하였다. 방치되어 약해진 닭콜레라균을 닭에게 주사했더니 닭이 콜레라에 걸리지 않았을 뿐더러 닭에게 면역이 생긴다는 사실을 알아냈다. 이를 바탕으로 그는 양이나 소같은 가축에서 생겨난 탄저병에 관한 백신도
만들었고, 많은 사람들 앞에서 행해진 공개실험을 통해 그 효과를 증명해 보였다.
질병: 백신 (계속)
즉 백신을 주사한 양과 주사하지 않은 양에게 탄저균을
주입하여, 백신을 맞지 않은 양들은 거의 죽어가고, 백신을 맞은 양들은 한 마리도 죽지 않은 것을 사람들에게 보인 것이다. 또 그는 광견병 백신도 만들어 프랑스에서 뿐만 아니라 세계의 영웅이 되었다.
질병: 혈청요법
파스퇴르의 이러한 연구 결과는 이후 1940년대 화학요법이 자리잡을 때까지 면역요법으로서 의학의 흐름을 지배했다.
화학요법(즉 항생제)이 자리잡을 때까지 전염성 질병을
이기는 무기는 면역학이었고, 환자의 체내에 침투한 세균을 물리칠 수 있는 유일한 방법은 항체를 가진 살아 있는
동물의 몸에서 뽑아낸 혈청을 이용한 치료였다.
질병: 좋은 물=공중보건의 기초
세균이 병을 일으킨다는 ‘세균병인론(細園病因論)’은 질병을 극복하고자 노력한 의학의 역사에서 대단한 발견이었다.
감염성 질병의 원인이 세균이라는 것을 밝힌 그의 연구결과는 멸균 외과학뿐만 아니라 공중보건과
위생학분야를 중요시하게 했다. 그는 물 속에 세균이 존재함을 보여줌으로써 좋은 물이 공중 보건의 기초가 된다는 생각을 하게 했다.
파스퇴르의 묘
그는 의사는 아니었지만 누구보다도 많은 사람을 질병과 죽음에서 구했다. 이러한 업적을 기념하기 위해 파스퇴르 연구소가 만들어졌다. 그는 이 연구소의 지하에 묻혀 있다.
그에게 처음으로 광견병 백신을 맞고 광견병*을 치료받아 살아난 소년이 성인이 되어 이 연구소의 지하에서 평생을 묘지기로 살다가 2차 세계대전이 일어나 독일군에게
파스퇴르의 묘를 빼앗겨야 하는 상황이 되자 자살했다는 이야기는, 그가 당시 사람들에게 어떤 영향을끼쳤는지 짐작할수 있게 한다.
