[1027]2025 미래 과학 트렌드 ③_지구과학과 과학문화 및 2024 노벨상 특강

(출처: 정약용도서관)

『2025 미래 과학 트렌드』 세 번째 포스팅이다. 
이번에는 '지구과학', '과학문화' 및 2024년 노벨상 관련 내용이다. 

아래에 남기고 싶은 문장과 함께 소감을 포스팅했다.

Chapter 5 지구과학

기본적으로 초승달처럼 평면형의 바르한barchan, 바르한이 바람에 의해 풍향의 직각 방향으로 연결된 횡사구transverse dune, Erg, 풍향이 일정하지 않은 곳에 생기는 별 또는 피라미드 모양의 성사구star dune, 풍향과 평행하게 형성되는 종사구longitudinal dune, Seif, U 자형 사구 등으로 분류된다. (212)

(출처: freerangestock)

극한 강수와 밀접한 대기의 강은 어떤 원리로 발생하는 것일까? 미국기상학회가 2017년에 대기의 강을 '일반적으로 온대저기압의 한랭전선 전면에 존재하는 하층제트에 의해 일시적으로 발생하는 길고 좁은 수증기 수송 기둥'이라고 정의한 데서 힌트를 얻을 수 있다. 위도 60도 부근의 한대전선대 지역에서는 북쪽의 차가운 공기와 남쪽의 따뜻한 공기가 서로 부딪치며 같은 높이에서도 기압 차가 나타난다. 이때 기압이 큰 남쪽에서 기압이 낮은 북쪽으로 바람이 불게 되는데 전향력에 의해 바람 방향의 오른쪽인 동쪽으로 휘어지며, 남북 간 기온 기압 차가 클수록 그 속도와 강도가 커지는 특징을 갖는다. (220)

기후변화로 지구의 온도가 상승했을 때 기상도 변한다. 
온도차는 다양한 기상 조건의 변화를 초래한다. 
기상 조건의 변화로 바람과 바다의 흐름이 변한다. 
가뭄과 홍수의 강도가 변한다. 

기상에 대한 통찰을 바탕으로 기후변화의 위기를 구체적으로 이해할 수 있다. 

지구의 대기대순환이라 하면, 이상적으로는 적도 부근에서 가열된 대기가 수직 상승하여 양극으로 이동했다가 다시 적도 부근으로 돌아오는, 남북으로 크게 움직이는 순환일 것으로 생각할 수 있다. 하지만 지구가 자전함에 따라 발생하는 전향력의 영향으로 적도 지역의 상승 공기는 극까지 가지 못하고, 극 지역의 하강 공기도 적도까지 돌아오지 못한다. (222)

남북으로 크게 대순환이 일어나는 않는 이유가 자전이라는 사실을 이해할 수 있다. 
아래 그림과 같이 위도 30도와 60도에서 바람의 흐름이 바뀐다. 

대기대순환 (출처: Wikimedia Commons)

물질을 이루는 기본단위인 원자는 양성자와 중성자를 포함하는 핵 그리고 그 주변을 도는 전자로 이루어져 있다. 그런데 양성자와 중성자를 묶어두는 힘이 충분히 강하지 못해 불안정한 핵에서는 붕괴가 일어나고 이 과정에서 동위원소가 만들어진다. 양성자와 중성자의 수를 합한 것을 질량수라고 하는데, 붕괴 과정에서 질량수가 달라져 원소의 형태가 바뀌게 된 것을 동위원소라고 한다. (232)

원자의 세계는 오묘하다. 
양성자와 중성자를 합한 질량수의 변화로 인해 동위원소를 만들어진다. 
질량수가 변하면 원소의 특성도 바뀐다. 

따라서 높은 열과 압력에 의해 형성되는 변성암이나 여러 기원의 퇴적물로 이루어진 퇴적암은 방사성동위원소 연대 측정으로 정확한 값을 알아내기가 어렵다. 그래서 통상 가장 정밀하게 측정되는 연령은 화성암으로부터 얻어진다. (233)

방사성동위원소 측정으로 연대를 알 수 있다. 
암석의 종류에 따라 측정 정밀도가 달라진다. 
변성암이나 퇴적암은 그 생성 과정의 차이로 정확하지 않다. 
가장 좋은 것은 화성암이다. 

지질시대를 구분하는 시간의 단위로는 절age, 세epoch, 기period, 대era, 누대eon를 사용한다. 누대는 가장 긴 단위로, 지구가 형성된 초기인 명왕누대, (...) (233)

인간의 수명과 비교할 수 없는 광대한 시간의 영역이다. 
다만 상상할 뿐이다. 

 

Chapter 6 과학문화 

전통적인 저작권의 요소인 문학적, 예술적, 음악적 표현 또는 선택이나 배열 등은 인간의 창작만 등록되며, 만약 인공지능이 만든 결과물을 인간이 선택하고 배열하며 수정했다면 해당 부분만 등록될 수 있다는 것이다. (252)

인공지능이 책도 쓰고, 음악도 만들고, 동영상도 만든다. 
저작권의 범위를 어디까지 인정할 것인가의 문제가 발생한다. 
인간의 손길이 가해졌을 때 그 부분에 대한 저작권이 인정된다는 설명이다. 

구석기와 신석기로 나누는 시기 구분은 도구 제작 기술의 발전이라는 측면에서 의미가 있다. 보다 발전된 석기, 즉 갈아서 만든 석기(간석기)를 사용하게 되었고, 곡식을 저장하는 그릇(토기)의 존재는 구석기시대와 다른 전혀 새로운 기술 문화의 출현이다. 거의 유일한 산업인 농업의 생산력 증대는 식량의 잉여생산을 가능하게 했고, 인구의 증가와 함께 부의 축적, 집단 사이의 교역과 구성원의 분업화 · 전문화를 가져오게 했다. 이로써 사피엔스는 사회 내적 · 외적 지위의 차이를 맞이하게 되었으며 사회조직과 정치제도의 발달을 이끌었다. (256)

인류의 발전의 시작은 농업 생산력의 증대다. 
잉여생산은 인구의 증가를 가져왔다. 
인구의 증가는 집단 간의 분업화와 전문화, 교류, 제도의 발달로 이어졌다. 

미국은 이때 엄청난 성장을 이루게 되는데 1865년 남북전쟁이 끝나고 1873년에 시작되어 불황이 오는 1893년까지, 미국 자본주의가 급속하게 발전한 이 시기를 도금 시대 Gilded Age라고 부른다. 우리에게는 《톰 소여의 모험》으로 유명한 문학가 마크 트웨인과 찰스 두들리 워너가 쓴 《도금시대, 오늘날 이야기The Gilded Age: A Tale of Today》에서 유래했다. 

트웨인은 이 책에서 도금시대를 사상누각의 호황과 배금주의로 풍자했다. 실제로 엄청난 호황 뒤에 남겨진 부정부패와 빈부 격차가 심각했고, 특히 유럽이나 중국 등 아시아 이민자들에게는 빈곤하고 불평등한 시대였다. (258)

과거에 경험하지 않은 급격한 발전은 경제적 불평등을 심화시켰다. 
배금주의 사상의 팽배는 인류의 발전과 동시에 인간의 잔혹성을 드러낸다. 

앞서 말한 노동과 자본이 경제성장을 이끄는 핵심이고 기술 진보는 '외생 변수'로 간주해온 전통 경제학에서 벗어나 인적 자본과 아이디어 그리고 지식의 축적에 따른 '기술혁신이 장기적 경제성장을 주도'한다는 신성장 이론이었다. 폴 로머는 이 공로로 그의 스승인 로버트 루카스 주니어처럼 2018년에 노벨경제학상을 수상했다. 경제성장의 원동력, 특히 '지속적'으로 경제가 성장할 수 있는 원동력으로 '과학기술의 혁신'이 인정받은 것이다. (261)

컴퓨터, 인터넷, 인공지능의 탄생과 발전은 인류에게 혁신적인 변화를 가져왔다. 
사라지는 산업과 함께 새로운 산업이 등장했다. 
생산성 향상을 바탕으로 경제 성장을 이끌었다. 

'남병철 충돌구'가 천체에 명명된 첫 번째 한국 이름은 아니다. 2022년 제임스웹우주망원경으로 관측한 항성 WD0806-661과 외계행성 WD0806-661b의 이름은 공모를 통해 마루Maru와 아라Ahra가 채택되었다. 2019년, 국제천문연맹 100주년을 기념해 진행된 '외계 행성 이름 짓기 캠페인'에서는 백두Baekdu(8 Umi)와 한라Halla(8 UMi b)가 선정되었다. 특히, 외계 행성 한라는 2015년 보현산천문대에서 이병철 박사 등 우리나라 천문학자가 발견한 것으로, 더 의미가 깊다. (271)

천문학 분야의 동향에 대해 조금이라도 이해할 수 있었다. 
남병철이라는 분의 이름은 처음 접했다. 
외계 행성 이름 짓기 캠페인을 통해 특정 국가에 치중되지 않게 다양한 국가에서도 참여할 수 있다. 

이제 막 발을 내딛은 한국 달 탐사 프로젝트에 '남병철 충돌구'가 주는 의미는 특별하다. 2022년 한국 최초의 달 탐사선인 다누리호가 달 궤도에 성공적으로 진입하여 우리나라는 세계 7번째로 달 탐사 국가에 합류했다. (283)

달 탐사에 이미 앞서 있는 국가들이 달에 대한 이름을 선점했다. 
'남병철 충돌구'라는 한국 이름이 있다는 점은 의미가 크다고 본다. 

그는 1837년 21세의 젊은 나이로 과거에 급제해 지금의 도지사급인 전라도 · 평안도 관찰사와 장관급인 예조 · 이조 · 형조 · 병조판서를 두루 거친 최고위 관료다. 1859년, 43세에는 나라의 학문을 총괄하는 홍문관 대제학에 올라 당대를 대표하는 학자로 명에를 얻었다. 그는 유교 경전을 연구하는 경학에 통달했으며, 시문학, 경세학, 천문역산학, 산수학 등 실사구시학에도 두루 박학다식해 지인들에게 '통유'로 칭송받았다. 특히, 중년 이후에는 서양 과학 연구에 매진하여 《의기집설》(1859년경), 《해경세초해》(1861), 《추보속해》(1862) 등 천문학과 수학 분야 전문서를 저술했다. (278)

남병철에 대한 설명이다. 
역사 속에서 기록되고 교육되지 않으면 없는 것과 마찬가지라는 생각이 든다. 
학창 시절에 교과서에 없던 이름 남병철이다. 
이렇게 과학 교양서를 통해서라도 그의 존재를 알게 된 것은 큰 성과다. 

학습은 감각 기억, 단기 기억, 장기 기억의 세 단계 과정을 거쳐서 이루어진다. 처음 외부로부터 들어온 자극을 감각 기억에서 수용하고 이에 주의를 잘 기울이면 자극은 단기 기억에 저장된다. 감각 기억은 매우 일시적이며, 단기 기억은 정보를 해석하기 위해 일시적으로 보존하는 것이다. 이때 단기 기억에 저장할 수 있는 정보의 양은 제한적이고, 더 오래 기억하기 위해 장기 기억에 저장하게 된다. 이 중 전시 관람과 밀접한 관련이 있는 건 단기 기억이다. (300)

전시와 관련된 것도 단순한 일이 아니었다. 
사람의 단기 기억, 장기 기억에 대한 이해가 필요하다
전시 관람과 관련된 기억은 단기 기억이기에 그에 맞게 준비돼야 한다. 

옆에서 지켜보고 당사자와 이야기해본 자연사 또는 과학 학예연구사의 일상이다. 국적을 막론하고 일반적인 전시 기관의 학예연구사가 되면 전시 업무를 맡아 일하게 된다. 공립 전시 기관이면 10~20퍼센트의 업무는 본인의 전공이 약간 연계된 연구를 할 수 있는 경우가 있다고 한다. (전시를 기준으로 잡고 가는 연구가 아닐 수 있다. 오히려 연구 결과를 전시에 녹이려는 방향일 것이다.) 그리고 나머지는 행정 업무다. (313)

과학 학예연구사라는 직업을 처음 접했다. 
전시 업무를 맡아 하는데 대부분의 업무가 행정 업무라는 점이 씁쓸하다. 

그럼 왜 생산성이 당장 보장되지 않는 연구가 중요한가. 당연한 말이지만 기반 지식 없는 응용과학은 있을 수 없기 때문이다. (314)

부록 2024 노벨상 특강

세포 공장이 단백질이라는 제품을 만들어내려면 설계도가 필요하다. 그 설계도 역할을 하는 것이 핵에 담긴 DNA다. 핵 안에 존재하는 DNA는 기본적으로 1세트밖에 존재하지 않지만 세포 공장에서는 수백 개의 단백질을 만들어내야 하기 때문에 '설계도의 부분 사본'이 필요해진다. 이것이 RNA다. RNA는 DNA로부터 필요로 하는 단백질 정보만을 복사해 단백질이 제조되는 현장가지 운반하는 역할을 함으로써 DNA를 안전한 핵 안에 두며 제조 현장에 필요한 정보를 전달하는 것이다. 다시 말해, DNA는 '전체 정보를 가진 설계도'라면 RNA는 '필요한 부분의 정보만을 복사한 설계도의 부분 사본'인 셈이다. (319)

세포공장에서 단백질을 만들기 위한 설계도는 DNA다. 
제조 공장에 필요한 단백질 설계도만 복사한 것이 RNA다. 
DNA에서 단백질을 만드는 제조 현장까지 RNA가 정보를 전달한다. 
이해하기 쉬운 설명이다. 

일반적인 RNA는 단백질을 암호화하는 역할을 하지만, 마이크로RNA는 여분의 RNA가 불필요한 단백질을 만드는 것을 저해함으로써 유전자 발현을 미세하게 조절한다. 쉽게 말하면 마이크로RNA는 메신저RNA에 붙어서 우리 몸의 세포들이 어떤 종류의 단백질을 얼마만큼 만들어야 하는지 제어하는 '감독관' 같은 존재다. (320)

RNA는 다시 두 가지로 구분된다. 
단백질 설계도 사본을 가진 메신저 RNA다. 
그리고 적당한 양의 단백질이 세포에서 만들어지도록 제한하는 마이크로 RNA다. 

김 교수 연구팀은 마이크로RNA를 만드는 데 관여하는 단백질 '다이서'의 핵심 작동 원리와 3차원 구조를 처음 밝혀냈다. 다이서는 도끼 모양으로 생긴 10나노미터의 단백질로, RNA 절단 효소 중 하나다. 기다란 핵산인 마이크로RNA 전구체 16이라는 재료를 절단 효소인 드로셔와 다이서가 순차적으로 잘라내 마이크로RNA가 만들어지는 것이다. 이 중 다이서는 드로서가 절단한 마이크로RNA 전구체의 끝부분을 인식하는 것뿐 아니라 내부 염기 서열도 인지해 스스로 절단 위치를 결정한다는 것을 알아냈다. (323)

마이크로 RNA는 전구체16이라는 재료를 적당한 크기로 잘라서 만든다. 
다이서는 RNA 절단 효소 중 하나인 단백질이다. 
드로셔는 절단 끝부분을 인식하며, 내부 염기 서열도 인지해서 절단 위치를 결정한다. 
이런 연구 성과는 한국계인 교수의 성과라고 하니 자부심이 느껴진다. 

역전파는 인공신경망의 학습 과정에서 매우 중요한 알고리즘으로, 네트워크의 가중치를 조정하여 모델의 예측 정확도를 향상시키는 방법이다. 즉 네트워크가 출력한 예측과 실제값 간의 오차를 줄이기 위해 가중치를 업데이트하는 과정이다. (341)

딥러닝은 머신러닝의 하위 분야로, 인공신경망(특히 다층 신경망)을 사용해 복잡한 패턴을 학습하는데, 더 복잡한 대규모 데이터에서 높은 성능을 낼 수 있도록 설계되었다. 여러 개의 층으로 구성된 신경망을 사용하며, 이로 인해 높은 차원의 데이터에서 특징을 자동으로 추출할 수 있다. 대량의 데이터와 강력한 컴퓨팅 자원이 필요하고 이미지 인식, 자연어 처리, 음성 인식 등에서 탁월한 성능을 발휘한다. 그러나 학습 시간이 길고 해석이 어려울 수 있다. (343)