Large Intestine 큰창자 스토리(1)

큰창자는 물과 일부 비타민을 흡수하는 기능 외에 대변이 배출될 때까지 저장하는 기능을 한다. 영양소를 비롯하여 사람의 몸에서 필요로 하는 내용물은 소화기관을 거쳐 가면서 모두 흡수되었으니, 대변은 몸에 전혀 쓸모가 없는 노폐물로 취급된다. 전혀 쓸모가 없는 것이니 사람들은 진화 과정에서 대변을 기피하게 되었고, 그 결과 대변 냄새를 맡거나 모양을 보기만 해도 혐오감을 가지게 되었다.

그러나 대변은 인체의 건강과 밀접한 관계가 있다. 대변이 너무 빨리 몸 밖으로 빠져나가는 설사나 필요 이상으로 큰창자에 오래 머물고 있는 변비가 모두 몸에 뭔가 이상이 있음을 나타낼 수 있고, 색깔이나 모양이 평소와 다르게 변하는 현상도 건강이 잘 유지되지 못하고 있음을 가리킨다.

아무리 힘을 줘도 배출이 안 되는 경우, 변비(Constipation) 라고 한다. 대변이 제때 몸 밖으로 빠져나가지 않으면 큰창자에 머무는 시간이 길어지고, 체류시간이 길어지면 큰창자에서는 한 방울의 물이라도 더 흡수하므로 대변이 점점 딱딱하게 된다. 대변이 큰창자에 오래 머무는 현상을 변비라 하는데, 변비가 생기면 큰창자에 대변이 머무는 시간이 길어지며 물을 점점 더 많이 흡수하여 배변이 더욱 힘들어진다. 결국 변비는 그 자체로 변비를 더 심하게 하는 것이다.

흔히 하루에 한 번 화장실에 다녀오는 것이 좋다고 하지만 화장실에 얼마나 자주 가는 것이 정상인가에 대해서는 개인차가 크다. 며칠째 배변을 하지 못해 뱃속에 대변이 꽉 차서 배출 욕구가 있지만 아무리 힘을 줘도 배출이 안 되는 경우를 변비라 할 수 있다. 그러나 태어나서부터 줄곧 3일에 한 번씩 배변을 한 경우에는 3일간 배변을 하지 않았다 하더라도 변비라 하지는 않는다.

변비에서 배변 간격보다 더 중요한 것은 대변의 상태다. 만약 대변이 무른 상태로 쉽게 빠져나간다면 변비에 의한 이상이 발생할 가능성이 낮으므로 문제가 되지 않는다. 하지만 딱딱한 상태의 대변이 큰창자에 머물러 있게 되면 창자벽을 자극하게 된다.  딱딱한 덩어리가 창자 벽을 누르면 주변의 혈관이 눌리게 되고, 결과적으로 대변이 들어찬 부위 주변의 혈액순환이 나빠진다. 혈액이 제대로 순환되지 않으면 주변조직에서 필요로 하는 산소와 영양분을 적절히 공급할 수 없게 된다. 그러면 치핵으로 발전할 수도 있으므로 이를 예방하려면 변비를 빨리 해결해야 한다.

변비가 생기지 않도록 하려면 섬유질(Cellulose) 이 포함된 음식을 많이 섭취하면 된다. 섬유가 가늘고 긴 모양을 하고 있듯이 영양소나 몸의 구조를 이야기할 때 섬유라는 말이 나오면 분자구조가 가늘고 긴 모양을 하고 있다고 생각하면 된다. 섬유질은 주로 식물성 음식에 많이 들어 있다. 탄수화물이나 지방과 비교하면 포만감도 느끼지 못하고, 에너지원으로서의 역할도 하지 못하므로 먹어봐야 힘을 쓸 수는 없지만, 몸 속에 쌓여 있는 노폐물을 청소하는 기능을 한다. 큰창자에서 대변이 형성될 때 대변을 무르게 하여 변비가 생기지 않고 잘 빠져나가게 하는 것은 두말할 나위가 없다. 섬유질이 많이 포함된 음식으로는 채소, 과일, 버섯, 곡류, 해조류 등이 있으므로 우리나라의 전통적인 식습관은 변비가 생기지 않도록 잘 적응되어 있다고 할 수 있을 것이다. 최근에 서구식 식습관이 광범위하게 접목되면서 변비로 고생하는 분들이 늘고 있는 것도 음식의  섬유질 함량을 따져 보면 쉽게 이해가 갈 것이다.

큰창자에서 제대로 물이 흡수되지 못하면, 설사가 된다. 대변이 큰창자 내에 오래 머물러서 생기는 현상이 변비라면 설사는 대변이 작은창자에서부터 큰창자를 지나 항문으로 빠져나갈 때까지 너무 빨리 지나가는 현상을 가리킨다. 따라서 소화과정에 있는 음식이 몸에 흡수될 시간이 없음은 물론 큰창자에서 물을 흡수할 수도 없으므로 물이 많이 포함된 대변이 배출되는 것이다. 설사가 생기는 가장 큰 원인은 몸에 해로운 물질이 들어오는 것이다. 음식에 독소와 같이 몸에 해로운 물질이 포함되어 있다거나, 음식에 오염된 세균이 작은창자에 도달하여 몸에 해로운 물질을 생산하는 경우, 또 작은창자에 들어온 세균의 수가 많아서 이들이 창자 벽을 자극하는 경우 등이 설사의 원인이 된다.


흔히 수인성전염병이라 하여 오염된 물을 마실 때 사람의 몸 속으로 미생물 병원체가 침입하여 발생하는 콜레라이질은 물 같은 설사를 특징으로 한다. 이 때 빠져나가는 물의 양은 섭취한 양보다 더 많으므로 물을 보충해 주지 않으면 탈수증세가 일어날 수 있다. 자기의사를 확실히 표현하지 못하는 아기들이 설사를 심하게 하는 경우 물을 보충하지 않으면 피가 뻑뻑해져서 흐름이 원활하지 못할 수도 있으므로 신속한 조치가 필요하다.


대변(Faeces)의 색의 의미는?

정상적인 대변의 색깔은 무엇일까? 개인에 따라 조금 다르게 표현할 수는 있겠지만 일반적으로는 “누렇다”고 하는 경우가 대부분일 것이다. 정상적인 경우에도 색깔이 조금 더 짙어진다거나 더 밝아져 노란빛을 띨 수 있으며, 배변 후 자신의 대변을 보는 것만으로도 자신이 모르고 있는 질병이 몸 속에서 자라고 있는 것을 찾아낼 수 있는 경우가 있다. 대변색이 누런 것은 적혈구가 수명을 다하여 깨지면서 흘러나온 헤모글로빈이 대사되는 과정에서 생겨난 빌리루빈의 색이 노랗기 때문이다. 지난 글의 “창자간순환”에서 기술한 바와 같이 헤모글로빈이 깨지면서 분해된 헴이 대사되어 생겨나는 빌리루빈은 간으로 가서 처리되어야 하나 이중 일부가 간으로부터 창자로 흘러 들어와 대변색을 노랗게 한다. 참고로 얼굴이 노랗게 바뀌는 황달은 빌리루빈이 대사되지 못하고 온몸을 돌아다니다 얼굴에 축적되는 현상을 가리킨다.

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큰창자 내의 대장균이 대변과 방귀 냄새의 원인이다

대변에서 냄새가 나는 것은 큰창자에 살고 있는 세균(주로 대장균) 때문이다. 이들 세균은 음식물에 포함된 단백질을 분해하면서인돌, 스카톨, 황화수소 등을 생산하며 이와 같은 물질이 대변냄새를 결정한다. 냄새가 독하다는 것은 대장균의 활동이 활발하다는 뜻이다. 단백질이 많이 포함된 음식을 먹으면 냄새를 풍길 재료가 많아지므로 초식동물보다는 육식동물이, 동양인보다는 서양인의 대변냄새가 더 강하다.

예병일 / 연세대학교 원주의과대학 교수

온실가스 Greenhouse Gas Effect

The greenhouse effect is important. Without the greenhouse effect, the Earth would not be warm enough for humans to live. But if the greenhouse effect becomes stronger, it could make the Earth warmer than usual. Even a little extra warming may cause problems for humans, plants, and animals.

Have you ever seen a greenhouse? Most greenhouses look like a small glass house. Greenhouses are used to grow plants, especially in the winter. Greenhouses work by trapping heat from the sun. The glass panels of the greenhouse let in light but keep heat from escaping. This causes the greenhouse to heat up, much like the inside of a car parked in sunlight, and keeps the plants warm enough to live in the winter.
 The Earth’s atmosphere is all around us. It is the air that we breathe. Greenhouse gases in the atmosphere behave much like the glass panes in a greenhouse. Sunlight enters the Earth’s atmosphere, passing through the blanket of greenhouse gases. As it reaches the Earth’s surface, land, water, and biosphere absorb the sunlight’s energy. Once absorbed, this energy is sent back into the atmosphere. Some of the energy passes back into space, but much of it remains trapped in the atmosphere by the greenhouse gases, causing our world to heat up.

The greenhouse effect is the rise in temperature that the Earth experiences because certain gases in the atmosphere(water vapor, carbon dioxide, nitrous oxide, and methane, for example) trap energy from the sun. Without these gases, heat would escape back into space and Earth’s average temperature would be about 60ºF colder. Because of how they warm our world, these gases are referred to as greenhouse gases.

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Greenhouse gas와 effect의 관련된 문제들이 이슈가 되고있다. 얼마 전, 남극에서 부러진 빙하가 뉴질랜드를 지나갔다. 과학과목과 사회과목(Social Studies)에서 선생님들마다 Greenhouse gas에 대해서 수업을 했고 주변의 많은 학생들이 질문을 해왔다. 환경문제에 대한 개선책으로 국가들마다 좋을 해결책을 위해 과학자들을 닥달하고 있다. 앞으로는 모든 과학분야의 초점이 환경문제에 쏠릴거라는 예측도 있다. 생활의 편리함과 깨끗한 자연을 위해 과학의 기술이 발전되야만 한다는게 해결책인데.. 앞으로 얼마나 시간이 걸릴지와, 얼마의 시간이 우리에게 주어졌는지는 의문이다. ‘Naver’에 얼마전 업로드한 내용을 옮겨적어 본다.

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2009년 12월에 덴마크 코펜하겐에서는 UN 기후변화회의 제15차 당사국 총회가 열린다. 이 회의에서는 2013년 이후 각국에서 실시할 온실 가스 감축 수준과 방식을 결정할 예정이다. 이보다 앞서 1997년에 일본 교토에서 열린 제3차 당사국 총회에서는 ‘기후변화에 관한 UN 규약의 교토 의정서(약칭 교토 의정서(Kyoto Protocol))’가 채택되었고, 2005년부터 발효되었다. 교토 의정서는 온실 효과를 보이는 6종의온실 가스의 배출량 감소 목표치를 정하고 있는데, 2008년~2012년 사이에 선진국의 전체 온실 가스 배출량을 1990년 대비 최소한 5.2%를 감축할 것을 목표로 하고 있다. 대한민국은 2002년에 이 조약을 비준하여, 온실 가스 배출량의 감축 의무를 지게 되었다.

온실 가스는 지구의 복사열인 적외선을 흡수하여, 지구로 다시 방출하는 기체를 말한다

온실 가스는 대기권에 존재하는 기체 중에서 지구의 복사열인 적외선을 흡수하여, 지구로 다시 방출하는 특성을 갖는 기체를 일컫는 말이다. 온실 효과를 보이는 주요 기체와 이의 대기 중 농도는 수증기(H2O: 약 1%), 이산화탄소(380 ppmv), 메탄(1.8 ppmv), 산화이질소(0.3 ppmv), 오존(O3: 0~0.7 ppmv) 등이다. 여기서 ppmv는 부피 백만분율을 나타낸다. 이들 기체 중 온실 효과에 대한 기여도는 수증기가 약 60%, 이산화탄소가 약 25%, 그리고 메탄이 약 7%로 알려져 있다. 이외에도 여러 플루오르 화합물 기체가 비록 농도는 낮지만 온실 효과에 기여한다. 이들 기체가 대기 중에 존재하지 않으면, 지구는 복사 냉각에 의해 지금보다 평균 온도가 대략 33 oC 낮아질 것으로 파악되고 있다. 따라서 온실 가스는 지구를 따뜻하게 유지해주는 역할을 한다. 대기 중에 온실 가스가 없으면, 밤과 낮의 온도 차이가 너무 커서 현재 존재하는 지구의 생물체 중 많은 수가 생존하기 어려워질 것이다. 그러나 이들의 과다 배출이 지구 온난화를 초래함으로써 빙하가 녹아 해수면이 상승하고, 생태계가 변하고, 각종 기후 이변을 가져다 주어 국제적 협약으로 이들의 배출량 감축을 추진하고 있다.

메탄과 플루오르 화합물의 배출도 지구 온난화에 크게 기여하고 있어, 교토 의정서에는 이들을 감축대상 온실 가스에 포함시켰다. 메탄은 이산화탄소보다 분자당 10배 이상 큰 온실 효과를 보인다. 산업혁명 이전에 비해 대기 중 메탄 농도는 150% 증가하였다. 가축의 방귀 및 축산 분뇨, 논, 쓰레기 매립장, 도시 가스의 누출 등이 주된 메탄 가스의 발생원이다. 염화 플루오르화 탄소화합물(CFC)은 냉장고, 에어컨 등의 냉매로 사용되어 왔다. 다른 여러 가지 플루오르 화합물 기체도 소화기나 스프레이 분사체 등의 산업 용도로 사용되어 왔다. 이들은 산업혁명 이전에는 없던 새로운 온실 가스이다.

왜 질소와 산소 기체는 온실 효과를 보이지 않는가?

지구 대기는 질소가 78.1%, 산소가 20.1%, 그리고 아르곤이 0.9%이다. 이들의 농도는 이산화탄소의 0.038%(380 ppmv)보다 월등히 높다. 하지만, 질소, 산소와 아르곤 기체는 적외선을 흡수하지 않아 온실 효과를 보이지 않는다. 이는 1850년대 말에 실험으로 증명되었으며, 20세기 초반에는 분광학적으로 설명되었다. 약 300K(27 oC)인 지구는 흑체 복사의 법칙에 따르면 복사광의 최대 세기의 파장이 약 10μm인 적외선을 방출한다. 따라서 온실 효과를 보이는 기체는 적외선을 흡수할 수 있어야 한다. 분자가 적외선을 흡수하면 진동에너지가 높아지게 되는데, 모든 분자가 적외선을 흡수하는 것은 아니다. 적외선을 흡수하여 진동에너지 상태가 변하기 위해서는 진동할 때 분자의 쌍극자 모멘트가 변해야 하는데, 질소와 산소는 같은 원자로 구성된 이원자 분자로 진동할 때 쌍극자 모멘트가 변하지 않아 적외선을 흡수할 수 없다. 아르곤은 단원자 분자로 진동에너지가 없어 역시 적외선을 흡수하지 않는다. 반면에 이산화탄소와 메탄은 비록 쌍극자 모멘트가 없는 비극성 분자이나, 이들 분자의 진동 방식 중 일부에서는 진동할 때 쌍극자 모멘트가 변하기 때문에 적외선을 흡수하고, 따라서 온실 효과를 나타낸다.

박준우 / 이화여대 화학‧나노과학과 교수

http://navercast.naver.com/science/chemistry/1635

Schrödinger’s cat

Rangitoto College에 교생실습으로 있는동안 Department대항으로 먹을것을 만드는 행사가 있었다. 물리선생님들은 Schrodinger’s cat이라는 주제로 고양이밥을 박스밖에 설치하셨는데.. Schrodinger’s Cat이라니.. 처음들어보는 사람이름이었다.

Schrodinger’s cat이란, ‘박스에 고양이가 있기도 하고 없기도 하다’라는 파라독스란다. 도대체 무슨 말 이냐규?

그림으로 표현하자면.. 이런거다.

Schrödinger’s Cat: A cat, along with a flask containing a poison, is placed in a sealed box shielded against environmentally induced quantum decoherence. If an internal Geiger counter detects radiation, the flask is shattered, releasing the poison that kills the cat. The Copenhagen interpretation of quantum mechanics implies that after a while, the cat is simultaneously alive and dead. Yet, when we look in the box, we see the cat either alive or dead, not both alive and dead. (http://en.wikipedia.org/wiki/Schrödinger’s_cat)

물리학에서는 현재 상태를 물리법칙에 대입하여, 미래에 어떤 일이 일어날 것인지를 예측하려고 노력한다. 현재의 상태를 정확하게 알고 있고 자연 현상을 지배하는 물리법칙을 알고 있으며, 그 물리법칙을 나타내는 방정식을 풀어 해를 구할 수 있다면, 우리는 정확하게 미래에 어떤 일이 일어날 것인지를 예측할 수 있다고 생각한다. 뉴턴역학을 기초로 하고 있던 고전 역학에서 그것은 사실이었다. 많은 경우에 정확한 해를 구할 수 없어서 정확하게 미래를 예측하는데 어려움을 겪는 경우는 많았지만 정확한 해를 구하고도 미래를 예측하지 못하는 경우는 없었다. 그것은 자연에서는 역학 법칙에 위반되는 일은 일어나지 않는다는 것을 의미하며 자연에서 일어나는 모든 일들은 철저하게 인과법칙을 따른다는 것을 의미한다.

고전 물리학에서 통했던 인과법칙, 더 이상 양자 물리학에서는 통하지 않게 되었다

그러나 양자 물리학에서는 상황이 다르게 전개되었다. 초기조건을 현상을 설명하는 물리법칙인 슈뢰딩거 방정식에 대입하여 미래의 상태를 나타내는 해를 구해보면, 하나의 해가 존재하는 것이 아니라 여러 개의 해가 존재했던 것이다. 이것은 같은 상태에서 출발해서 같은 물리법칙의 지배를 받고도 다른 상태로 갈 수가 있다는 것을 뜻한다. 이것이 사실이라면 미래에 ‘어떤 일이 일어날 것인지를 예측한다는 것이 과연 가능할까?’라는 문제가 남게 되었다.

양자 물리학의 큰 흐름을 결정한 코펜하겐 해석에서는 이 문제에 대해 새로운 해석을 제시했다. 여러 가지 다른 상태가 가능한 입자의 상태는 가능한 여러 가지 상태의 중첩으로 나타낼 수 있다는 것이다. 예를 들어 어떤 입자의 상태를 구하기 위해 슈뢰딩거 방정식을 풀었더니, 그 해가 ϵ1의 에너지를 가지는 ψ1상태와 ϵ2의 에너지를 가지는 ψ의 상태로 나왔다. 그렇다면 이 입자의 상태는 두 상태를 모두 포함하는 ψ=aψ1+bψ2로 나타낼 수 있다.

우리는 이 때 이 입자가 ϵ1의 에너지를 가질 확률과 ϵ2의 에너지를 가질 확률을 계산할 수 있고, 그 에너지의 기대값을 계산할 수 있다. 왜 양자 물리학에서는 입자의 정확한 상태(결과)가 아니라 확률과 기대값이라는 표현을 하는 것일까? 이유는 앞의 광자재판 편에서 설명한 것처럼, 우리가 이 입자가 실제로 어떤 상태에 있는지를 알아보기 위한 측정을 하면, 입자의 상태는 두 상태가 중첩된 상태에서 하나의 상태로 결정되기 때문이다. 다시 말해 측정하는 순간 확률이 붕괴하여 입자는 특정한 하나의 상태로 확정된다. 이런 이유 때문에 양자 물리학에서는 고전 물리학과 다르게 확률과 기대값으로 결과를 나타내게 되었다.

전편의 광자 재판에서 다룬 광자가 지나간 경로도 같은 방법으로 설명할 수 있다. 우리가 관측하지 않을 때 광자의 상태는 두 창문을 통과하는 두 상태의 중첩으로 나타낼 수 있다. 이것을 우리는 광자가 동시에 두 창문을 통과했다고 표현했다. 그러나 어느 창문을 통과하는 지를 확인하기 위한 측정을 하면 광자는 두 창문 중의 하나의 창문을 통과하는 상태로 고정되어 버린다. 이런 경우 우리는 광자가 두 창문 중에서 하나만을 통과한다고 했다. 이러한 확률의 붕괴는 측정이 어떻게 물리량에 영향을 미치는지를 설명해준다.

슈뢰딩거의 고양이 = 1/2살았다 + 1/2죽었다??

양자 물리학에 대한 코펜하겐 해석에 동의할 수 없었던 아인슈타인과 슈뢰딩거는 오랫동안 편지를 주고받으며 양자 물리학에 대한 의견을 교환한 후, 1935년에 코펜하겐 해석을 반박하는 아주 중요한 사고 실험 두 가지를 제안했다. 하나는 아인슈타인, 포돌스키, 로젠의 이름으로 제안된 것으로, 이들의 이름 머리글자를 따서 EPR 역설이라고 부르는 것이었고, 다른 하나는 슈뢰딩거의 이름으로 제안된 슈뢰딩거의 고양이였다. 슈뢰딩거는 1935년에 독일에서 발간된 <자연과학>이라는 잡지에 다음과 같은 내용이 포함된 글을 실었다.

다음과 같이 우스꽝스런 경우를 생각해 보자. 고양이 한 마리가 철로 만들어진 상자 안에 갇혀있다. 이 상자 안에는 방사선을 검출할 수 있는 가이거 계수관과 미량의 방사성 원소가 들어 있다. 방사선 원소의 양은 아주 적어서 한 시간 동안에 한 개의 원자가 붕괴할 확률과 한 개도 붕괴하지 않을 확률이 각각 50%이다.

만약 방사성 원소가 붕괴하면 가이거 계수관이 방사선을 감지하게 되고, 그렇게 되면 스위치가 작동되어 연결된 망치가 시안화수소(HCN)산이 들어있는 병을 깨트려서 고양이에게 치명적인 시안화수소산이 흘러나오도록 하는 장치가 되어 있다. 이 상자를 한 시간 동안 방치해 둔 후에 고양이의 상태에 대해서 어떤 이야기를 할 수 있을까? 양자 물리학에서는 고양이의 상태를 나타내는 파동함수는 살아있는 상태를 나타내는 파동함수와 죽어 있는 고양이를 나타내는 파동함수의 중첩으로 나타낸다. 다시 말해 고양이는 죽어 있는 상태와 살아있는 상태가 혼합된 상태에 있다는 것이다. 그러나 상자를 열어 고양이의 상태를 확인하는 순간 고양이는 살아 있는 상태나 죽어 있는 상태 중의 한 상태로 확정된다는 것이다. 관측하기 전까지는 고양이가 살아있는 상태와 죽어 있는 상태가 중첩된 상태에 있었다는 것을 받아들일 수가 있을까?

이 사고 실험은 실재(實在)를 나타내는 ‘흐릿한 모델’을 순진하게 사실로 받아들이지 않도록 한다. 흔들려서 초점이 맞지 않는 사진과 구름과 안개로 뒤덮인 강둑을 찍은 사진은 다른 것이다. 이 사고실험의 목적은 코펜하겐 해석이 가지고 있는 명백한 오류를 보여주기 위한 것이었다. 우리의 직감은 어떤 관측자도 여러 가지 상태가 중첩된 상태에 있을 수 없다는 것을 명확하게 알고 있다. 그러면서도 사고실험 속의 고양이는 여러 가지 상태의 중첩으로 나타내진다고 주장하는 것은 명백한 오류라는 것이다. 고양이가 특정한 상태에 존재하기 위해서 외부의 관측자가 있어야 한다는 주장을 받아들일 수가 있을까? 만약 고양이가 살아 있다면 고양이는 외부의 관측자의 관찰 유무와 관계없이 살아 있던 자신의 모습 만을 기억하고 있을 것이 아닌가? 아인슈타인은 양자이론의 모순을 부각시킨 이 사고 실험에 매우 만족해했다. 훨씬 후인 1950년에 슈뢰딩거에게 쓴 편지에서 아인슈타인은 다음과 같이 말했다.

라우에(Max T.F. Von Laue, 1879~1960)를 제외한다면 당신은 실재에 대한 엉성한 가설 주위를 맴돌지 않는 유일한 정직한 사람입니다. 과학자들의 대부분은 자신들이 실재를 가지고 얼마나 위험한 장난을 하고 있는지 모르고 있습니다. 실재는 실험에 의해 결정되는 것이 아닙니다. 고양이를 포함한 전체 시스템이 살아 있는 고양을 나타내는 파동함수와 죽어 있는 고양이를 나타내는 파동함수의 중첩으로 나타내진다는 그들의 설명은 당신의 고양이+방사성 원소 + 증폭기 + 화약을 이용한 사고실험으로 거부되었습니다. 고양이의 상태가 관측의 유무와 관계없다는 것은 누구나 알 수 있는 확실한 사실입니다.

참고로, 원래 슈뢰딩거가 제안한 고양이 상자에는 화약이 들어 있지 않았고 대신 가이거 계수관과 독약이 들어 있었다. 화약은 15년 전에 슈뢰딩거와 이 문제에 대해 의견을 나눌 때 아인슈타인이 제안한 것이었다.

슈뢰딩거와 아인슈타인 덕분에, 코펜하겐 학파는 ‘관측’의 의미를 되새기게 되었다

코펜하겐 해석에 의하면 여러 가지 상태의 중첩으로 나타내지는 체계는 측정이 실시되는 순간 하나의 상태로 확정된다. 따라서 상자가 닫혀 있는 동안에는 죽은 고양이의 상태와 살아 있는 고양이의 상태가 동시에 존재하지만 상자를 열어 고양이의 상태를 확인하는 순간 고양이는 두 가지 상태 중의 하나의 상태로 확정돼야 한다. 그러나 이러한 설명만으로는 슈뢰딩거의 고양이를 제안한 슈뢰딩거나 아인슈타인을 설득시킬 수 없었다. 코펜하겐 해석에서는 관측이 무엇인지에 대해 명확한 설명을 하지 않았었기 때문에 문제를 더욱 어렵게 만들었다. 따라서 슈뢰딩거의 고양이는 양자 물리학에서 관측이 무엇을 뜻하는지를 깊이 생각하게 하는 계기를 제공했다. 슈뢰딩거의 고양이 사고 실험이 제안된 후 이것을 설명하는 많은 이론들이 제안되었다. 슈뢰딩거의 고양이 실험에 대한 다양한 설명은 지면 관계상 다음 이야기로 미루어야 할 것 같다.

글 곽영직 / 수원대학교 자연대학장

서울대학교 물리학과를 졸업하고 미국 켄터키대학교 대학원에서 박사학위를 받았다. 현재 수원대학교 자연대학장으로 있다. 쓴 책으로는 <과학이야기> <자연과학의 역사> <원자보다 작은 세계 이야기> 등이 있다.

출처: 네이버

[연습]LV3 NCEA Q: DNA Replication Process

Discuss how DNA replicates. In your discussion, you should explain:

  • How replication begins.
  • The roles of the main enzymes involved.
  • Leading and lagging strands
  • Okazaki fragements
  • The source of materials for replication

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2009년부터 NCEA시험이 이런식으로 출제될 것이다. 올해, 학교들마다 NCEA시험문제유형을 몰라 준비되지 못한 학생들이 많았다. (2009년 Year13에게 엄청 미안하다.ㅎㅎ 지.못.미.)

여태까지 배운내용을 정리하면서 완성도 높은 답안지를 작성해 놓자. 이 문제와 완전 같은 문제가 나올것이라고는 생각하지 않는다. 하지만, 연말 NCEA external을 위해 마지막 점검을 할때 도움이 될거라 믿는다.

RNA Primer

Okazaki fragment에 RNA primer가 필요한 이유.

DNA replication begins with a partial unwinding of the double helix at an area known as the replication fork. This unwinding is accomplished by an enzyme known as DNA helicase. This unwound section appears under electron microscopes as a “bubble” and is thus known as a replication bubble.

As the two DNA strands separate (“unzip”) and the bases are exposed, the enzyme DNA polymerase moves into position at the point where synthesis will begin.

The start point for DNA polymerase is a short segment of RNA known as an RNA primer. The very term “primer” is indicative of its role which is to “prime” or start DNA synthesis at certain points. The primer is “laid down” complementary to the DNA template by an enzyme known as RNA polymerase or Primase.

Because the original DNA strands are complementary and run anti-parallel, only one new strand can begin at the 3′ end of the template DNA and grow continuously as the point of replication (the replication fork) moves along the template DNA. The other strand must grow in the opposite direction because it is complementary, not identical to the template strand. The result of this side’s discontiguous replication is the production of a series of short sections of new DNA called Okazaki fragments (Okazaki는 DNA의 조각들을 발견하고 연구한 일본 과학자의 이름). To make sure that this new strand of short segments is made into a continuous strand, the sections are joined by the action of an enzyme called DNA ligase which LIGATES the pieces together by forming the missing phosphodiester bonds.

The last step is for an enzyme to come along and remove the existing RNA primers and then fill in the gaps with DNA. This is the job of yet another type of DNA polymerase which has the ability to chew up the primers (dismantle them) and replace them with the deoxynucleotides that make up DNA. Here is a link with a diagram of the overall process of DNA replication of Okazaki Fragments.

Okazaki fragment 설명방법

나는 Yr13 Biology를 공부하는 학생들에게 Okazaki fragment가 시험에 나오든 안나오든 무조건 이해하고 설명하는 방법을 익히기를 심하게(?) 권유한다. 이유는 역시 경험해본바, 이해하지 않고는 한해한해 고달플수 있기때문이다. Health Science, Biomedicine, Pharmacy, Chiropractic등 생물과목을 듣는 학과에 입학하게 되면 1학년 부터 세포학과목과 Genetic과목을 들을텐데 DNA Replication을 제대로 이해하지 못하면 과목 한번 통과하기가 산넘어 산이다..어쩌면 에베레스트 등반만큼 어려운 길이 될수도 있다.

어쩌면 내 두뇌가 그다지 명석하지 못해서 그랬을수도 있다. 어쨌거나 배워두면 이래저래 WIN WIN 게임인데, 이왕 배우는거 기쁜맘으로(!!) 제대로 배우고 가는게 좋지 않을까? :)

The overall unzipping process is in one direction, from the bottom of the diagram up to the top.  However, there are 2 chains. As the new DNA chains only grow in the 5′ to 3′ direction they must grow in opposite directions.

The 2 strands of the original DNA molecule run in opposite directions.

* 이부분에서 헷갈리는건 5’과 3’의 존재다. Carbon number를 세어보도록 하자.

The deoxyribose sugar is a 5carbon sugar. Each of the carbon atoms in the sugar is given a number. These 5 carbon sugars are connected by phosphates and the end that finishes with carbon 5 exposed is the 5’end, the other is the 3′ end. In reality each sugar has a base attached so we have a chain of nucleotides. A complete DNA molecule is a double helix with the two strands running in opposite directions.

The incoming nucleotide units can join only to the exposed 3′ end thus a new DNA chain can grow only in the 5′ to 3′ direction. The strand that has its 5’end exposed is called the leading strand and grows continuously, towards the replication fork. The other strand (lagging strand) cannot start from the exposed 3′ end so instead it starts growing from a carbon 5 at the fork. It then grows away from the  fork toward the 3′ end. As the fork unravels, exposing more bases, another Okazaki fragment starts forming at the fork and grows toward where the previous Okazaki fragment started from. When they meet they join up to eventually form a single lagging strand.

ref: University Busary Biology;1996;Terry Bunn and Max Thompson

(답) NCEA L3: DNA Replication Q [1]

NCEA Type Questions: DNA REPLICATION

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Part A:

1. Describe the function of DNA polymerase.

Model Answer: DNA Polymerase links the nucleotides by bonding the phosphate group of one nucleotide to the sugar molecule of the adjacent nucleotide, forming the side of a new DNA molecule.

2. Describe the significance that the 3′ and 5′ ends have in the process.

Model Answer: New nucleotide can only be added at the 3′ end, so each new half strand is synthesized in the 5′-3′ direction. At the 5’end, the strand is extended into separate parts(Okazaki fragments) which grow by addition at their 3’ends and are joined by DNA ligase. The new strand at the 3’end is the leading strand and that at the 5′ end is the lagging strand.

3. Discuss the ways in which complementary strands are formed.

Model Answer: Both (leading and lagging) strands are formed by DNA replication with new nucleotides being added according to the base pairing rule. Eg. Adenine with Thymine, and Guanine with Cytosine. The complementary on leading strand is formed by adding new separate nucleotides, where as the complementary strand on lagging strand is formed by adding Okazaki fragments in the opposite direction, because the new strand cannot be synthesized in the 5′ direction. DNA ligase is used to join the bases and DNA polymerase is also used to form both strands.

4. Explain why the process is necessary for the growth of living organisms.

Model Answer: The DNA replication process allows the genetic material to be copied exactly so cell growth and repair can take place. This division is constantly taking place so damaged cells can be replaced and the organism can grow. It is important in mitosis, cell division. The DNA replication process during Mitosis allows new cells to be formed, that have identical genetic material through semi-conservative replication.

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*여기 써있는 답보다 길게 써도 되지만 내용은 같아야함.

Avogadro’s constant

아보가드로의 숫자

온도와 압력이 같을 때 서로 다른 기체라도 부피가 같으면 같은 수의 분자를 포함한다는 법칙.

분자량을 그램으로 정의한 물질 1g·mol 속의 분자 개수는 6.0221367×1023개로 이 숫자를 아보가드로 수 또는 아보가드로 상수(常數)라 한다. 예를 들어 산소의 분자량이 32.00이므로 산소 1g·mol은 32.00g이고 6.0221367×1023개의 산소분자로 이루어진다.

1g·mol이 차지하는 부피는 0℃, 1기압인 표준상태에서 약 22.4ℓ로 아보가드로 법칙에 따라 모든 기체에서 같은 값을 갖는다.

1811년에 수년간 투린대학교 고등물리학교수를 지낸 아메데오 아보가드로가 이 법칙을 처음 제안했으나 1858년 이탈리아의 화학자 스타니슬라오 카니차로가 이 법칙을 바탕으로 화학의 논리적 체계를 세운 뒤에야 비로소 이 법칙이 일반적으로 받아들여지게 되었다.

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그렇다면 Avogadro는 누규?

아메데오 아보가드로(1776/ 8/ 9 ~1856/ 7/ 9)은 이탈리아의 물리학자, 화학자이다. 본명은 로렌초 로마노 아메데오 카를로 아보가드로 디 콰레그나 에 디 세레토(이탈리아어: Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro di Quarequa e di Cerreto)이다.

1776년 토리노에서 태어났다. 그의 아버지는 당시 사르데냐 왕국 피에몬테 지방에서 법률가와 의회의원으로 활동하였다. 아보가드로 역시 법률공부를 하여 1796년 법학 박사 학위를 취득하였다. 그 후 법률가로 활동하면서 1800년초 부터 수학과 물리학을 독학으로 공부하여 전기 등에 대한 논문을 발표하였다. 그 결과 1806년 토리노 대학교의 조교수가 되었고 1809년에는 왕립 베르첼리 대학의 자연 철학 교수가 되었다. 1815년에 결혼하여 6명의 자녀를 두었다. 1820년에는 토리노 대학교의 수리물리학 교수가 되었다. 또한 도량형 위원회 등 정부 기관에 관여하기도 하였다.

아보가드로는 외국어에 능통하여 그의 논문에는 프랑스어 논문이 많았으나, 살아있을 때에는 다른 화학자들과의 소극적인 접촉과 그의 연구를 그 스스로 인용하는 버릇으로 인해서 국내외에서 유명하지는 않았다.그는 1850년에 토리노 대학교 교수 자리에서 은퇴하였고, 1856년 토리노에서 사망하였다.

Reference:http://ko.wikipedia.org/wiki/아메데오_아보가드로

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왜 화학에서는 복잡하게 mole이나 아보가드로 숫자를 알아야할까..

화학자들을 어떤 물질을 만드느냐에 집중하기도 하지만, reactant가 얼마나 있어야 product가 얼마만큼 나오는지 알려고 한다. 이런 화학실험이 대부분 산업공장에서 이루어지기 때문이다. 몇가지 간단한 공식으로, 구입해야 하는 reactant의 양과 원하는 product의 양을 계산할수 있다.

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Atoms, ions and molecules are very tiny particles and it is impossible to measure out a dozen or even a hundred of them. Instead, chemists weigh out a very large number of particles. This number is the 6.0221367×1023, ions or molecules. An amount of substance containing 6.0221367×1023 particles is called a mole (abbreviated to mol).

So, a mole of the element aluminium is 6.0221367×1023 atoms of aluminium and a mole of the element iron is 6.0221367×1023 atoms if iron.

Cell organelle

동물성 세포의 각 기관들을 나타낸 그림이다.

Nucleus (핵)안에는 chromosome염색체를 가지고 있고 세포안의 모든 활동/화학작용(chemical reaction/metabolism) 에 대한 정보가 들어있다. 이 염색체는 부모로부터 유전된(inherited) 물질로써 세포가 분열(cell division)할때 완벽하게 복제(copy/duplicate/clone/replicate)된다.

단백질(Protein)을 합성하는 과정중 염색체의 gene을 베껴오는데, 이것을 RNA라고 한다. DNA와 RNA의 다른점중 한가지는 DNA는 핵안에만 있어야 하고, RNA는 이것을 cytoplasm으로 베껴나온 카피라고 할수있다. 도서관에서 빌려나오지 못하는 책을 복사하는 것과 같은것이다.  Gene만 복사했기때문에 DNA에 비해서는 월등히 짧으며 필요한 protein를 만드는데 사용할 정보만 들어있다.

베껴나온 RNA는 Endoplasmic Reticulum(ER)에 붙어있는 Ribosome (Rough E.R) 들이 해석해내어 protein의 초본을 만들고, 이것을 polypeptide라고 한다. 이 이유는, RNA를 해석한대로 amino acid(아미노산)이 순서대로 붙게되는데 3D의 입체적인 구조와 모양을 지니지 못했기때문에 그 기능을 다 할수없다. 그래서 polypeptide라고 하며, 만들어진 polypeptide는 Golgi Body로 보내저 입체적인 구조와 모양을 가지게 된다. Golgi Body(Apparatus)의 역활은 즉 packaging(포장)과 modification(변형)이다.

Ribosome이 붙어있지 않은 Smooth E.R 부분 에서는 세포막에 쓰여질 lipid, cholesterol 와 steroid를 만드는데 쓰인다.

Mitochondrion에서는 세포의 기관들이 일을할때 쓰이는 energy (ATP)를 만드는 역활을 가지고 있다.

Peroxisome 안에는 lysosome이 들어있고, 주변에 membrane으로 둘러싸여져 있다.  Membrane 으로 묶어둔 이유는 lysosome이 enzyme이기 때문이다. 세포안에 들어온 균(bacteria, virus, antigen 등)을 녹이거나 늙어서 없어져야할 세포기관을 녺이는 데 쓰인다. – 세포가 자폭할때 쓰이기도 함.

DNA and Gene Expression

Function of chromosomes

When a cell is not dividing, its chromosomes become very long and thin. Along the length of chromosome is a series of chemical structures called genes. The chemical which forms the genes is called DNA. Each gene controls some part of the chemistry of the cell. It is these genes which provide the instructions. One gene may instruct the cell to make the pigment which is formed in the iris of brown eyes. On one chromosome there will be a gene which causes the cells of the stomach to make the enzyme pepsin. When the chromatids separate at mitosis, each cell will receive a full set of genes. In this way, the chemical instructions in the zygote are passed on to all cells of the body. All the chromosomes, all the instructions are faithfully reproduced by mitosis and passed on complete to all the cells.

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‘Chromosome’과 ‘DNA’의 의미를 제대로 알고 사용해야한다. Chromosome이란 세포의 핵안에 있는 유전물질(genetic material)을 말한다. DNA는 Deoxyribonucleic Acid의 약자인데… 이것을 생각해보면 분명 화학적 의미를 가지고 있다는걸 알게된다. DNA는 즉, chromosome을 이루고 있는 molecule의 집합이고, nucleic acid/nucleotide 로 이루어져 있다.

(NCEA시험이든 CIE시험이든 이 두단어를 제대로 구분하지 못하고 쓰지 못하면 점수를 획득할수 없다!)

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Genes

Chromosomes consist of a protein framework, with a long DNA molecule coiled round the framework in a complicated way. Its the DNA part of the chromosome which controls the inherited characters and it is sections of the DNA molecule which constitute the genes. The gene which causes brown eyes will have no effect in a stomach cell and the gene for making pepsin will not function in the cells of the eye.

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(다시 DNA로 돌아와서..!)

DNA molecule is a long chain of nucleotides.  A nucleotide is a 5 carbon sugar molecule joined to a phosphate group and an organic base.

In DNA, the sugar is Deoxyribose and the organic base is either

  • A = adenine
  • T = thymine
  • C = cytosine
  • G = Guanine

The sequence of bases forms a code which instructs the cell to make particular proteins. Proteins are made from amino acids linked together. The type and sequence of the amino acids joined together will determine the kind of protein formed. It is the sequence of bases in the DNA molecule which decides which amino acids are used and in which order they are joined. Each group of three bases stands for one amino acid.

A gene, then, is a sequence of triplets of the four bases, which specifies an entire protein. Most proteins contain a thousand or more bases.

The chemical reaction which take place in a cell determine what sort of a cell it is and what its functions are. These chemical reactions are controlled by enzymes. Enzymes are proteins. Therefore the genetic code of DNA, in determining which proteins, particularly enzymes are produced in a cell, and determines the structure and function of the enzymes.

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Replication of DNA

(기억할것! Replication은 Mitosis 과정중 일어난다.)

The DNA in a chromosome consists of 2 chains of nucleotides held together by chemical bonds between the bases. The size of the molecule ensures that adenine always pairs with thymine and cytosine pairs with guanine. The double strand is twisted to form a helix.

Before cell division can occur, the DNA of the chromosome has to replicate – to make identical copy of it-self. To do this, enzymes make the double strands of DNA unwind and separate into two single strands rather like undoing a zip.

Nucleotides are brought to the unzipped DNA and joined to the exposed bases with the aid of enzymes. The adenine of an arriving nucleotide always joins to the thymine of the DNA, and cytosine to the guanine.

The new nucleotides join up to form a chain attached to the exposed strand. This happens all the way along each DNA strand. Since this is happening in both strands of DNA strand, the double helix is replicated and the full set of genetic instructions is passed to both daughter cells at cell division.

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수많은 궁굼증을 해소해야만 이해할수 있는 Gene expression! 공부하면 할수록 어려운 부분이긴 하지만 결코 넘지 못할 산은 아니다. :)