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별책부록

2006년 9월호

통합 교과서 속 논제 읽기 (과학) - 자연과 생명의 속도, 반응 속도

■ 화학 반응의 속도는 어떻게 알 수 있을까?

우리 몸의 호르몬에 이상이 생겨 나타나는 병 중에는 조로증이라는 것이 있다. 이 병에 걸린 사람은 정상인보다 더 빠른 속도로 노화가 진행된다고 한다. 즉, 나이가 어린데도 몸은 노화가 진행되어 얼굴에 주름이 생기거나 흰 머리가 난다. 노화를 일종의 화학 반응으로 본다면 정상인에 비하여 조로증에 걸린 사람 쪽이 더 빨리 반응이 진행된다고 볼 수 있다. 우리 주변에서 볼 수 있는 화학 반응의 속도는 어떨까? 화학 반응의 속도는 단위 시간당 반응하는 물질의 농도 감소량, 또는 생성되는 물질의 농도 증가량으로 나타낸다.

실제로 기체가 발생하는 화학 반응의 경우에는 단위 시간에 발생한 기체의 부피를 측정함으로써 반응 속도를 구할 수 있다. 그러나 화학 반응이 진행되는 동안 반응에 영향을 미치는 조건이 계속해서 변하므로, 화학 반응의 속도는 계속해서 변하게 된다. 일반적으로 화학 반응의 속도는 초기의 일정한 시간 동안에 일어나는 평균 반응 속도를 구해 비교한다.

■ 농도는 화학 반응의 속도에 어떤 영향을 미칠까?

일반적으로, 반응 물질의 농도가 커지면 반응 속도가 빨라진다. 따라서 반응 물질의 농도를 조절하면 반응 속도를 조절할 수 있다. 예를 들어 염산과 마그네슘의 반응에서 염산의 농도가 클수록 반응 속도가 증가하며, 같은 양의 마그네슘 리본이 묽은 염산과 반응하여 없어질 때까지 걸리는 시간은 염산의 농도가 클수록 짧아진다. 그러면 염산의 농도가 커질수록 마그네슘이 빨리 반응하는 이유는 무엇일까? 염산의 농도가 클수록 일정한 부피 속에 들어 있는 수소 이온의 수가 많기 때문에 마그네슘 원자와 수소 이온이 충돌하는 횟수가 더 많아져 반응 속도가 빨라진다.

■ 온도가 달라지면 반응 속도는 어떻게 될까?

1991년 이탈리아 북부 티롤 지방의 알프스 산맥 고지대에서 두 명의 독일인 등산가가 놀라운 발견을 하였다. 빙하의 가장자리에서 서서히 녹고 있는 얼음 위로 모습을 드러낸 고대인의 미라를 발견한 것이다. 마치 타임머신을 타고 5300년 전 과거에서 현대로 훌쩍 날아온 시간 여행객처럼, 이 고대인의 시신은 석기 시대 말기에서 청동기 시대 초기 인류의 모습을 생생히 우리에게 보여 주었다. 고대인의 시신이 이렇게 오랜 세월 동안 부패되지 않고 남아 있을 수 있었던 이유는 무엇일까?

일반적으로 온도가 높아지면 화학 반응의 속도가 빨라지고, 온도가 낮아지면 화학 반응의 속도가 느려진다. 따라서 온도를 조절하면 화학 반응의 속도를 조절할 수 있다. 그러면 온도가 높아지면 반응 속도가 빨라지는 이유는 무엇일까?

낮은 온도에서는 입자들이 천천히 운동하기 때문에 다른 입자와 잘 충돌하지도 않고 충돌해도 반응이 잘 일어나지 않는다. 그러나 온도가 높아지면 입자들의 운동이 빨라지므로 다른 입자들과 충돌하는 횟수도 많아지고, 충돌하면 쉽게 반응하게 된다. 이 때문에 온도가 높아지면 반응 속도가 커지는 것이다.

■ 반응 속도를 조절하는 물질

화학 반응에서 자기 자신은 변화하지 않고 그대로 남아 있으면서 다른 물질의 반응 속도를 변화시키는 물질을 촉매라고 한다.

이산화망간은 과산화수소의 분해 속도를 빠르게 하지만, 인산을 넣으면 반대로 반응 속도가 느려진다. 이 때문에 약국에서 파는 과산화수소수에는 과산화수소의 분해를 방지하기 위해 인산을 넣기도 한다. 이산화망간처럼 반응 속도를 빠르게 하는 촉매를 정촉매라고 하고, 인산처럼 반응 속도를 느리게 하는 촉매를 부촉매라고 한다.

- 고등 학교 『과학』 (디딤돌)

■ 우리 몸 속에서 반응이 잘 일어나게 하는 것은?

1. 우리 몸에서 물질을 합성하고 분해하는 물질대사의 과정은 대부분 화학 반응이다. 우리 몸 속에서 일어나는 반응이 보다 쉽게 일어날 수 있도록 촉매 역할을 하는 것이 효소이다.
효소는 단백질로 구성되어 있으며 자기 자신은 변하지 않으면서 반응 물질의 화학 변화가 잘 일어나도록 돕는 역할을 한다.

2. 소화제에는 우리가 섭취한 음식물 속의 녹말, 단백질, 지방 등의 영양소가 쉽게 분해될 수 있게 도와 주는 소화 효소들이 포함되어 있다. 침 속에 들어 있는 아밀라아제도 녹말을 엿당으로 분해하는 소화 효소이다. 그런데 아밀라아제가 녹말을 분해시키는 반응에만 작용하고 단백질과 지방의 분해에는 다른 효소가 작용하는 이유는 무엇일까?
이것은 한 자물쇠를 특정한 모양의 열쇠로만 열 수 있는 것과 비슷하다. 자물쇠의 구멍 모양과 열쇠의 모양이 서로 잘 맞아야 자물쇠를 열 수 있듯이 효소가 작용하기 위해서는 효소의 입체적 모양이 반응 물질의 입체적 모양과 잘 맞아야 반응이 잘 일어나도록 도와 줄 수 있다. 효소는 반응 물질인 기질에 작용하여 기질이 분해되거나 결합되는 것을 도와 준다. 또한 특정 기질하고만 반응하여 생물체에서의 화학 반응이 매우 빠르게 일어날 수 있도록 도와 준다.

3. 요오드화칼륨과 같은 무기 촉매와 효소는 모두 화학 반응이 잘 일어나도록 돕는 역할을 한다. 무기 촉매에 의한 반응은 온도가 상승하면서 계속 빨리 일어난다. 반면에 효소에 의한 반응은 10℃가 올라감에 따라 두 배씩 빨라지지만 일반적으로 40℃ 이상이 되면 속도가 급격히 감소한다. 그 이유는 효소의 성분인 단백질이 높은 온도에서 변성되어 기능을 잃기 때문이다. 따라서 효소는 대부분 30~40℃에서 가장 잘 작용한다. 대부분의 생물에 들어 있는 효소는 높은 온도에서도 잘 작용하지 못하지만 온도가 너무 낮아도 작용이 억제된다. 효소는 온도 이외에도 pH에 의해 영향을 받는다. 위액 속의 소화 효소는 강산에서, 침 속의 효소는 중성에서, 이자에서 분비되는 효소는 약염기성에서 잘 작용한다. 이와 같이 효소의 종류에 따라 효소가 작용하기에 적당한 pH는 다르다.

■ 프레온가스의 오존층 파괴

오존층을 파괴하는 물질 중 가장 대표적인 물질은 냉장고나 에어컨의 냉매로 사용되는 염화플루오르화탄소(chloro fluoro carbon, CFC)이다. 좋은 냉매는 액체에서 기체로 상태가 변할 때 많은 열을 흡수해야 하며, 생물학적 부작용이 없어야 한다. 초기에 많이 사용된 냉매 물질인 암모니아나 이산화황은 누출되었을 때 눈이나 코 등을 자극하였으므로, 화학자들은 많은 연구 끝에 염화플루오르화탄소(CFC, 상품명 프레온)를 개발하였다. 이 물질은 제2차 세계 대전 이후부터 냉매 이외의 목적에도 광범위하게 사용되기 시작하였다.

그러나 1980년대에 들어서 CFC가 성층권에 있는 오존을 심각하게 파괴하는 현상이 발견되면서 이 물질을 사용하지 않아야 한다는 논의가 시작되었다.

CFC는 화학적으로 안정한 물질이어서 쉽게 분해되지 않고 성층권까지 올라간다. 성층권에서 강한 자외선을 받은 CFC는 분해되면서 염소 원자를 생성한다. 이 염소 원자가 성층권에 있는 오존을 산소로 분해시키는 것이다. 염소 원자 1개는 오존을 산소로 분해하고 나서 다시 염소 원자로 남는다. 이 때문에 염소 원자 1개는 대단히 많은 수의 오존을 분해시킬 수 있다.

이러한 문제 때문에 CFC의 사용을 규제하고, 환경 문제를 일으키지 않는 대체 물질을 개발해야 할 필요성이 대두되어 많은 연구가 진행되었다. 우리나라에서 연구된 HFC가 대표적인 예이다.

HFC는 염소 성분이 포함되지 않은 물질로, 오존을 분해하지 않으면서 CFC와 비슷한 효과를 내는 것으로 밝혀져 CFC의 대체 물질로 주목받았다. 그러나 HFC는 지구 온난화를 일으키는 것으로 밝혀져 사용량 감축 대상 물질로 지정되었다. HFC 외에도 여러 가지 대체 물질이 제안되었으나, 오존층 파괴나 온실 효과를 전혀 유발하지 않는 이상적인 대체 물질은 아직 개발되지 않고 있다. 그러나 정부, 기업, 연구 기관이 협력하여 오존층 파괴나 온실 효과를 일으키지 않는 제3의 대체 물질을 개발하려는 노력이 활발하게 진행 중이다.

- 고등 학교 『화학 I』 (중앙교육진흥연구소)

■ 반응 속도 조절의 열쇠인 촉매를 찾아 낸 하버와 보슈

19세기 한 미생물학자는 ‘생물학의 입장에서 질소는 그 어떤 희귀한 금속보다 더 귀중하다.’라고 하였다. 그것은 질소가 생물체를 구성하는 단백질의 주요 성분이기 때문이다. 지구의 대기 중에는 질소가 80%나 포함되어 있지만, 식물은 대기 중의 질소를 직접 흡수하지 못하고 질산염의 형태로 흙을 통해 흡수한다.

옛날부터 척박해진 밭에는 콩을 심었다. 콩은 뿌리에 살고 있는 뿌리혹박테리아를 이용해 질소를 흡수할 수 있기 때문이다. 그 때까지 이 외의 자연계 어디에서도 공기 중의 질소를 이용할 수 있는 방법을 알 수 없었다.

독일의 화학자 하버(Haber, F. : 1868∼1934)는 1908년 공기 중의 질소와 수소를 이용해 암모니아를 만들어 내는 방법을 개발하였고, 보슈(Bosch, C. : 1874~1940)가 이것을 공업적인 방법으로 완성하였다. 이 방법을 하버-보쉬법이라고 한다.

보통의 온도와 보통의 압력 이하에서는 질소와 수소가 만나도 반응이 일어나지 않는다. 온도와 압력을 높여야만 두 원소가 반응한다. 보슈와 하버는 압축기에서 혼합 기체를 450℃로 가열하고 250기압으로 압력을 가했지만 이 방법만으로는 질소를 암모니아로 바꿀 수 없었다. 높은 온도와 압력을 유지해도 암모니아가 합성되지 않자 하버와 보슈는 촉매가 이 반응을 일으키는 열쇠라는 사실을 깨달았다. 보슈는 무려 6500번의 실험을 거쳐 철 - 산화알루미늄 - 산화칼륨계의 촉매가 가장 좋다는 사실을 알아 내었다.

하버는 질소 비료에 사용되는 암모니아를 대량 생산할 수 있는 방법을 고안함으로써 식량 생산을 획기적으로 늘린 ‘농업 혁명’을 일으킨 것이다. 이러한 하버의 업적을 기려 사람들은 그를 ‘공기로 빵을 만든 과학자’라고 부르기도 한다.

- 고등 학교 『과학』 (디딤돌)

■ 암석의 절대 연대

인류는 옛날부터 퇴적층의 두께 계산, 바다에 염분이 모이는 데 필요한 시간 추정, 고온 상태의 지구가 식는 데 걸리는 시간 측정 등 다양한 방법을 동원하여 지구의 나이를 알고자 했다. 결국 방사성 원소에 의한 연대 측정법이 알려지면서부터 지구의 연령을 거의 정확히 측정할 수 있게 되었다.

암석 속에 들어 있는 방사성 원소는 일정한 시간(T)동안에 일정한 비율로 줄어드는 성질이 있다. 따라서 이와 같은 방사성 원소의 성질을 이용하면 암석이 생성된 시기를 정확히 알 수 있는데, 이렇게 구한 암석의 생성 연대를 절대 연대라고 한다.

■ 음주 측정기

우리가 마신 술에 들어 있는 알코올은 위와 장에서 곧바로 흡수된다. 그 중 약 10%는 소화되지 않은 채 호흡, 땀, 소변 등에 섞여서 배설되고, 90%는 간에서 산화되어서 아세트산으로 바뀌어 인체에 에너지를 공급하고 이산화탄소가 되어 호흡으로 배출된다. 내쉰 숨 속에 들어 있는 알코올은 장에서 흡수되어 혈액으로 들어갔던 것의 일부분이다. 폐 깊숙이 들이쉰 공기는 폐동맥을 지나는 피와 평형을 이루고, 이 때 핏속의 알코올의 일부가 공기와 섞여서 체외로 나오는 것이다. 따라서 내쉬는 숨 속에 들어 있는 알코올의 양을 측정하면 혈중 알코올 농도를 추정할 수 있다. 적황색의 다이크롬산칼륨을 황산에 녹인 다음 실리카겔이나 규조토에 적셔서 말린 것을 유리관에 넣으면 숨 속에 들어 있는 알코올의 농도를 알 수 있다.

숨 속에 포함된 알코올이 다이크롬산칼륨에 의해서 산화되면서 적황색의 다이크롬산칼륨이 녹색의 황산크로뮴이 된다. 따라서 유리관에 나타나는 녹색의 정도를 측정하는 분광 장치를 붙이면 혈중 알코올 농도를 알아 낼 수 있게 된다. 혈중 알코올 농도는 흔히 혈액 100밀리리터 속에 몇 밀리그램의 알코올이 포함되어 있는가를 퍼센트 단위로 나타낸다.

혈중 알코올 농도가 0.02%가 되면 기분이 좋아지고 몸이 따뜻하게 느껴지지만, 0.05%가 되면 행동이 느려지고 주의력이 떨어지기 시작한다. 0.10%가 넘으면 균형 감각과 판단 능력이 현저하게 떨어져서 운전이 허용되지 않는 상태가 된다. 0.30%가 넘으면 의식을 잃을 가능성이 있고, 0.50%가 되면 사망에 이를 수도 있게 된다. 예전에는 다이크롬산칼륨이라는 노란색의 화학 물질이 알코올을 산화시키면서 초록색으로 색깔이 바뀌는 화학 반응을 이용했지만, 사용할 때마다 다이크롬산칼륨을 바꾸어 주어야 하기 때문에 불편하다.

최근에는 금속 촉매를 사용해서 전기 화학적인 방법으로 알코올만을 선택적으로 산화시킬 때 흐르는 전류의 양을 측정하거나, 알코올에 의해서 흡수되는 적외선의 양을 측정해서 알코올의 농도를 알아 낸다. 고온으로 가열된 반도체 금속 산화물 알갱이의 표면에 알코올이 흡착할 때 흐르는 전류의 변화를 이용하거나, 분리 칼럼을 쓰는 소형 기체 크로마토그래피 방법을 이용하기도 한다.

■ 원자로의 원리는 무엇일까?

1933년 페르미(Enrico Fermi)는 중성자를 이용하여 그 당시 주기율표의 마지막 원소인 우라늄을 충돌시켜 우라늄보다 더 큰 초우라늄 원소를 생성하였다. 그리고 이들의 여러 성질을 연구한 결과로 넵투늄( ), 플루토늄( ) 등이 생성되었음을 확인하였다.

그 후 1938년 한과 슈트라스만도 같은 중성자 실험을 하다가 우연히 초우라늄 원소가 아니라 질량수가 훨씬 작은 바륨( ) 동위 원소를 생성했는데, 이 때 매우 큰 에너지가 방출되는 것을 관찰하였다. 여기서는 우라늄 원소가 느린 중성자를 흡수하여 질량이 비슷한 두 개의 원자핵으로 갈라지고, 결합 에너지의 차이인 약 200MeV의 에너지가 방출되었던 것이다. 이러한 과정을 핵분열이라고 한다. 이는 원자핵의 크기가 커짐에 따라 전기적 척력이 커지게 되어 쪼개지는 과정이다.

우라늄의 동위 원소 ( )가 핵분열하면 보통 2~3개의 빠른 중성자가 함께 방출되며, 핵분열의 한 예를 원자핵 반응식으로 쓰면 다음과 같다.

여기서 흡수되는 중성자는 느린 중성자이며, 방출되는 중성자는 빠른 중성자이다. 이 때, 한 개의 우라늄 원자핵이 핵분열하면서 방출하는 에너지는 한 개의 탄소 원자가 연소하면서 방출하는 에너지의 약 5천만 배에 해당한다. 이는 약 1kg의 우라늄에서 나오는 핵분열 에너지는 약 50대 화차분의 석탄을 태울 때 나오는 에너지에 해당한다.

느린 중성자는 빠른 중성자에 비해 핵분열을 일으키는 확률이 약 1000배 정도 더 크다. 따라서, 핵분열 반응에서 방출되는 빠른 중성자들의 속도를 느리게 만들어 다른 우라늄 원자핵에 흡수시키면 그 원자핵도 분열을 일으켜서 핵분열이 일어나는 수는 기하급수적으로 늘어난다. 이것을 연쇄 반응이라고 한다.

1942년 페르미는 빠른 중성자를 감속시키는 데 흑연을 사용하고 중성자를 쉽게 흡수하는 카드뮴을 이용하여 중성자의 수를 조절함으로써, 핵분열의 연쇄 반응이 일어나는 속도를 원하는 대로 조절할 수 있게 되었다. 이와 같이 연쇄 반응을 통제하여 핵분열이 서서히 일어나도록 만든 장치를 원자로라고 하며, 원자로에서 핵분열에 의해 방출되는 열에너지를 전기 에너지로 전환시키는 시설이 원자력 발전소이다.

원자로의 핵연료로는 우라늄이 많이 사용되는데, 천연으로 존재하는 우라늄에는 연쇄 반응을 일으키는 우라늄 동위 원소 ( )가 0.72%정도밖에 포함되어 있지 않다. 따라서, 원자로의 핵연료로는 우라늄( )의 함량을 3%정도로 농축시킨 것을 사용하고, 감속제로는 흑연, 물, 중수 등을 사용하며, 중성자를 흡수하는 데는 카드뮴이나 붕소를 사용한다.

- 고등 학교 『물리 II』 (천재교육)

■ 최초의 수혈과 수혈 금지령

피를 뽑아 내거나 바르거나 혹은 먹거나 하는 것이 아니라 피를 혈관 내로 주입하는 방법, 즉 수혈이라는 것은 1628년에 윌리엄 하비(William Harvey)에 의해 혈액이 우리 몸 속에서 어떻게 순환하는지에 대해 규명된 이후에야 시도할 수 있었습니다. 최초의 수혈은 1665년 2월에 리차드 로워(Richard Lower)라는 영국 의사에 의해 시행되었다고 알려져 있습니다. 옥스포드 대학에서 그는 두 마리의 개를 가지고 실험을 하였는데 한쪽 개의 목에 있는 동맥을 다른 개의 정맥에 연결한 후 혈액이 주입되었습니다. 이것이 최초의 수혈 실험이었습니다. 로워는 또한 죽기 일보 직전까지 피를 흘리게 한 개에게 다시 피를 주입함으로써 완전히 회복시킬 수 있었다는 실험 결과를 얻었습니다. 따라서 로워는 근대적인 수혈 개념을 최초로 인식하였던 사람이라고 할 수 있겠습니다. 1667년 11월에 로워는 미친병에 걸린 사람에게 ‘피를 식히기 위하여’ 양의 피를 수혈하는 치료를 시도하였습니다. 그러나 그는 아깝게도 사람에게 수혈한 최초의 사람이 되지는 못했습니다.

사람에게 시행한 최초의 수혈은 이보다 몇 개월 전인 1667년 6월에 로워의 개 실험 결과를 읽고 감명을 받은 프랑스 루이 14세의 주치의 중 한 사람인 진 데니스(Jean Denis)라는 젊은 의사가 시행하였습니다. 최초로 수혈받은 환자는 원인 모를 열병을 앓고 있던 15세 소년이었습니다. 이 소년은 여러 번에 걸쳐 피를 빼는 치료를 받은 적이 있었으며, 수혈 후 원기를 회복했다고 합니다. 옆의 그림은 양의 경동맥과 사람의 정맥을 연결하여 수혈하는 장면입니다. 이 당시는 수혈하기 위해서 이처럼 어렵고 복잡한 테크닉이 필요하였습니다. 데니스는 같은 해에 여러 번 동물의 피를 사람에게 수혈하는 치료를 계속하였는데, 이 중 5번째로 시행된 수혈에 대해서는 애절한(?) 사연과 함께 자세하게 기록이 남아 있습니다. 이루어 질 수 없는 사랑에 절망하다 미친병에 걸려 파리 시내를 알몸으로 돌아다니던 앙뚜안느 모르와(Antoine Mauroy)라는 34세 유부남이 그 병을 치료하기 위해 수혈을 받게 되었습니다. 데니스는 그 환자에게서 약 300㏄의 피를 빼내고 송아지의 피 170㏄ 정도를 환자에게 수혈하였습니다. 이틀 후 두 번째 수혈이 시행되었는데, 첫 번째 수혈 때보다 많은 피를 환자에게 주입하였습니다. 데니스는 수혈 결과를 다음과 같이 기록하였습니다.

“피가 환자의 정맥을 통해 주입되자 환자는 팔에 통증을 느꼈다. 그의 맥박은 빨리 뛰기 시작하였고 얼굴에서는 많은 땀이 나기 시작했다. 이후 맥박이 뛰는 속도가 크게 변화하였고 양 옆구리와 배가 무척 아프다고 호소하였다. 질식할 것 같다고 해서 환자를 편히 눕혔더니 잠이 들었고 다음 날 아침까지 곤히 잠을 잤다. 아침에 깨어나서 소변을 보았는데 그 색깔이 굴뚝 검댕이가 섞인 것처럼 검었다.”

이것은 인류 최초의 용혈성 수혈 부작용에 관한 기록으로 인정받고 있습니다. 재미있는 사실은 검은 오줌은 용혈성 수혈 부작용 때문이었는데, 당시 데니스는 환자의 몸 속에서 환자를 미치게 하였던 나쁜 물질인 ‘검은 담즙(black choler)’이 빠져 나온 것으로 해석하였습니다. 어쨌든 환자는 증상이 좋아져서 그의 부인에게로 보내졌다고 합니다. 몇 달 후 환자는 병이 다시 재발하여 부인에게 이끌려 다시 수혈 치료를 받게 되었으나 수혈 장치가 고장나서 수혈을 받지 못했고, 가엾은 그 환자는 그 날 밤 사망했다고 합니다. 이 사건 후 환자의 부인은 데니스의 업적을 시기하는 파리의 다른 의사들과 함께 남편의 사망에 대해 고소를 하였습니다. 데니스는 이에 대해 “그 의사들과 부인은 남편보다 더 수혈을 받아야 될 필요가 있다.”라고 답변을 하였으며 결국 데니스의 무죄가 입증되었고 부인이 남편을 독살한 사실이 드러나게 되었다고 합니다.

이 사건 후 윌리엄 하비의 혈액 순환설을 인정하지 않을 정도로 보수적이었던 파리의 의사회는 그들의 재가(허락) 없이는 누구도 수혈할 수 없다는 칙령을 내렸으며, 이후 교황도 합세하여 수혈이 금지되기에 이르렀습니다.

여기서 우리는 분명히 알아야 할 점이 있습니다. 이 시대에 데니스 등에 의해 시행된 수혈은 사실 진정한 의미에서의 수혈은 아니었습니다. 수혈은 부족한 혈액을 보충하기 위한 치료 방법이지 미친 사람의 뜨거운 혈액을 식히기 위하여, 아니면 회춘을 위하여 시행하는 치료 방편이 아닌 것입니다. 아무튼 이후 수혈은 무려 150년간이나 금지된 채 잠들게 되었습니다.

■ 제임스 블런델과 수혈의 재탄생

오랫동안 금지되었던 수혈이 다시 시작될 수 있었던 것은 영국의 산부인과 의사인 제임스 블런델(1790~1877) 덕분이었습니다. 블런델은 1818년 12월에 위암으로 거의 죽어가던 환자에게 사람의 혈액 약 400㏄를 수혈하는 데 성공하였습니다. 이것은 인류 최초로 사람의 혈액을 사용한 수혈이었다고 인정받고 있습니다. 환자는 일시적으로 증상이 호전되었으나 56시간 후 사망했다고 합니다. 이후에도 블런델은 분만 후 출혈이 심한 산모의 치료를 위해 수혈이 필요할 것으로 확신하여, 여러 차례에 걸쳐 사람의 혈액을 이용한 수혈을 시행했습니다. 사람의 혈액을 이용한 이유는 동물의 피를 사용하기가 너무 어려웠기 때문이었습니다. 특히 분만 후 출혈 산모를 위한 응급 수혈이 필요한 경우 혈액 제공자인 개 또는 송아지를 환자 곁으로 빨리 끌고 가서 수혈을 위한 시술을 하기가 쉽지 않았기 때문에, 블런델은 말을 잘 알아듣고 협조를 구하기 쉬운 사람을 혈액 제공자로 선택하였던 것입니다.

옆의 그림은 블런델이 고안한 장치를 이용하여 분만 후 출혈이 심한 산모에게 혈액 제공자가 직접 수혈(direct transfusion)을 시행하는 장면을 보여 주고 있습니다. 수혈을 받은 산모는 곧 원기를 회복하였고, 마치 생명이 자기 몸 안으로 주입되는 것처럼 느꼈다고 합니다. 블런델이 이런 방법을 이용하여 시행한 10예의 수혈 중 5예가 성공적이었다고 하였으며, 3예는 수혈하는 동안 부작용이 생겼다고 기록하였습니다.

그러나 그는 수혈자의 정맥에 염증이 생기는 것을 예방하기 위하여 거머리에게 피를 빨리기도 하였습니다. 그는 말년에는 수혈에 대해 더 이상 관심을 갖지 않았다고 하며 은퇴한 뒤에는 역사 속으로 사라졌습니다. 블런델의 영향으로 여러 산부인과 의사들이 분만 후 출혈 환자에게 수혈 치료를 감행하였으나, 19세기 중엽에는 과연 이런 수혈 방법이 환자에게 진정으로 도움이 되는가에 대한 논쟁이 일기 시작하였습니다. 많은 의사들이 이런 수혈 방법이 위험성이 높다는 사실을 인정하게 되었으며 수혈 후 회복되었다고 생각한 환자들도 그것이 정말로 수혈에 의한 효과였는지에 대해 의문을 가지게 되었습니다. 48예의 수혈 결과를 분석한 당시의 한 연구에 의하면, 무려 18예에서 치명적인 결과를 초래하였다고 합니다. 왜 그랬을까요? 우선 당시에는 혈액형에 대한 개념이 없었기 때문에 상당수에서 용혈성 수혈 부작용이 생겼을 것으로 추측됩니다. 또한 직접 수혈이라는 시술을 행하려면 혈액 제공자의 동맥과 수혈받을 환자의 정맥을 잇는 어려운 전 처치를 해야 하므로, 이 과정에서도 여러 합병증이 초래되었을 가능성이 높습니다.

■ 피가 응고되지 않게 하기 위한 노력들

피는 몸 밖으로 나오면 응고됩니다. 응고된 피를 수혈할 수 없으므로 할 수 없이 응고되기 전에 빨리 수혈해야 했고, 그러기 위해서는 할 수 없이 혈액 제공자의 동맥과 수혈받을 환자의 정맥을 연결해야 했습니다. 이것이 19세기 수혈의 큰 문제점이었습니다. 피가 응고되지 않도록 하는 방법을 찾기 위해 많은 실험이 진행되었습니다. 탄산수소나트륨(sodium bicarbonate) 또는 인산나트륨(sodium phosphate) 등과 섞어 섬유소원을 제거하여 항응고 효과를 보려 했으나 만족할 만한 결과를 얻지는 못했습니다. 1914년에 와서야 구연산나트륨(sodium citrate)이 항응고 작용이 있음을 알게 되었으나, 이 때도 항응고 효과를 보기 위해서는 많은 양의 구연산나트륨을 피와 섞어 주어야 했기 때문에 혈액이 희석될 수밖에 없었습니다. 라우스(Rous)와 터너(Turner)는 소금(salt), 이소시트르산(isocitric acid) 및 글루코오스(glucose)를 섞어 항응고 보존제를 만들었고 이것은 실제 제1차 세계 대전 당시에 수혈에 이용되었습니다. 그러나 제대로 된 항응고 보존제는 1943년에 Loutit와 몰리슨(Mollison)에 의해 만들어졌습니다. 그들은 시트르산(citric acid), 구연산 나트륨 및 덱스트로즈(dextrose)를 혼합하여 혈액 희석 효과를 줄인 ACD(acid-citrate-dextrose)를 만들어 혈액이 응고되지 않으면서 21일간이나 보존할 수 있게 하는 데 성공하였습니다. 이후 1957년에는 CPD(citrate-phosphate-dextrose)가 개발되었고 최근에는 여기에 아데닌(adenin)을 첨가한 CPDA-1을 항응고 보존제로 사용하게 되어 적혈구 제제를 무려 35일간이나 보존할 수 있게 되었던 것입니다.

■ 칼 란트슈타이너(Karl Landsteiner)와 혈액형의 발견

1868년에 오스트리아의 비엔나에서 변호사의 아들로 태어난 칼 란트슈타이너는 비엔나 대학에서 의학을 공부한 이후 병리학자가 되어 면역의 기전 및 항체의 성상 등에 대한 많은 연구 업적을 남겼습니다.

응집소(hapten)란 용어를 처음으로 명명하였으며 병리학, 조직학, 혈청학 및 면역학의 발전에 기여한 바가 큽니다. 특히 ABO 혈액형의 발견은 그의 가장 큰 업적 중 하나이며 이로 인해 그는 1930년에 노벨상을 받게 되는 영광을 안게 되었습니다. 동물의 혈액을 사람에게 수혈하였을 때 수혈된 동물의 적혈구가 엉기고 용혈되었다고 보고한 1875년 랜도이스(Landois)의 실험 결과를 주목하였던 그는, 사람의 혈액을 다른 사람에게 수혈했을 때도 적혈구가 용혈되고 이로 인해 쇼크, 황달 및 헤모글로빈뇨증이 초래됨을 알게 되었습니다. 1900년에 란트슈타이너는 서로 다른 세 가지의 동종 응집소(isoagglutinin)가 존재한다는 사실을 규명하였고 이듬해에는 마침내 혈액형을 A형, B형, 및 C형(후에 O형으로 이름을 고침) 세 가지로 분류할 수 있게 되었습니다. 이후 네 번째 혈액형인 AB형은 1902년에 그의 제자인 드카스텔로(DeCastello)와 스털리(Sturli)에 의해 발견되었습니다. 란트슈타이너는 혈액형이 수혈의 성공 여부를 좌우할 것이며, 또한 혈액형은 유전되므로 친자 유무를 확인할 때도 유용할 것이라고 주장하였습니다. 그러나 그의 주장이 인정되고 실제 수혈에 적용되기까지는 수년이 걸렸습니다. 1907년 뉴욕의 저명한 병리학자였던 리차드 웨일(Richard Weil) 밑에서 당시 인턴으로 일하던 오텐버그(Ottenberg)는 란트슈타이너의 발견을 중시하였고, 마침내 수혈하기 전에 환자와 공혈자의 혈액형을 검사하였던 최초의 사람이 되었습니다. 오텐버그는 또한 수혈 전에 수혈 적합 검사(교차 시험)를 최초로 시행한 사람으로도 역사에 남게 되었습니다.

- 출전 : 서울아산병원 혈액 은행
http://www.cyber-amc.net/%7Eswkwon/index.html

◎ 생각 정리하기

[01] 화학의 모태는 연금술이라 할 수 있다. 연금술은 흔한 돌이나 금속을 금으로 만들기 위한 것이었다. 근대 과학의 기초를 다진 뉴턴조차도 말년에는 연금술에 빠져 살았다고 한다. 그 후 많은 과학자들이 연금술의 허황됨을 증명하였다. 그러면 같은 탄소 원자로 이루어진(동질 이상) 흑연은 보석 중의 왕이라 할 수 있는 다이아몬드로 바꿀 수 있을까? 그 이유를 논하시오.

[예시답안]
화학의 역사는 고대 연금술사들로부터 출발했다 할 수 있다. 또한 그러한 노력이 근대 과학까지 이어지면서 그 결과는 실패로 끝났지만, 그러한 과정을 통해 화학의 기초 지식이 축적되었고 실험적 방법과 기구들이 만들어졌다.

현대 과학에서도 원자의 종류를 바꾸는 노력은 계속되었고, 일면에서는 그것이 현실화되었다. 그런 면에서 같은 원소로 이루어진 흑연을 다이아몬드로 바꾸는 것은 이론적으로는 그리 어렵지 않다. 하지만 거기에는 너무나도 커다란 장벽이 놓여 있다.(활성화 에너지가 너무 커 반응 속도가 너무 느림.) 그리하여 엄청난 온도와 압력의 조건이 필요하다.

[02] 생물의 세포는 생물을 구성하는 가장 기본적인 단위이다. 세포의 모양과 크기는 매우 다양하고 같은 종류의 생물에서도 세포의 위치와 기능에 따라 다르다. 단세포 생물을 제외하고 대부분의 생물은 다세포로 구성이 되어 있다. 다세포 생물의 대부분의 세포는 한없이 생장하지 않고 일정 크기가 되면 분열하여 세포의 개수를 증가시킨다. 다세포 생물의 세포가 일정 크기가 되면 분열하는 이유를 반응 속도와 관련지어 설명해 보시오.

[예시답안]
세포는 생물의 구조적 기능적 단위로 모든 생명 현상은 세포를 기본으로 하여 이루어진다. 따라서 세포에서는 세포막을 통해 여러 가지 물질 교환이 이루어지게 된다. 물질의 교환량을 세포의 부피에 비례한다고 전제하고, 세포를 반지름이 r인 구로 가정한다면 세포의 반지름이 증가할수록 표면적은 반지름의 제곱에 비례하여 증가하지만, 부피는 반지름의 세제곱에 비례하여 증가하게 된다. 즉, 세포 표면적의 증가로 인해 물질 교환의 반응 속도가 증가하지만 표면적의 증가율을 부피의 증가율보다 매우 작기 때문에 세포막을 통한 물질 교환이 점점 어려워지게 되고 세포 내에 교환되지 못한 물질들이 축적되어 세포는 원활한 물질대사를 할 수 없게 된다. 따라서 세포는 부피에 대한 표면적의 비를 일정 수준 유지하기 위해 세포가 일정 크기가 되면 분열하게 된다.

[03] 우리 생활 주변에서는 반응 속도에 영향을 줄 수 있는 요인들에 의해 발생하는 여러 가지 현상들을 관찰할 수 있다. 아래의 두 실례를 통해 나타난 상반된 현상을 반응 속도와 관련하여 논하시오.

실례 1 : 과연 국수의 원료인 밀가루가 폭발한다면 믿겠는가? 그런데 밀가루 공장에서는 폭발 사고가 자주 일어난다.

실례 2 : 우리는 야외 캠프를 할 때 모닥불을 피운다. 모닥불에 입김을 불거나 바람을 일으키면 더 잘 탄다. 그런데 정전된 실내에서 킨 촛불은 약한 바람이 불어도 꺼진다.

[예시답안]
화학 반응에서 반응 속도는 너무나 중요한 부분을 차지하고 반응 속도를 조절함으로써 화학 반응의 결과를 인위적인 방법으로 우리에게 유리한 방향으로 진행시킬 수 있다.

실례 1은 특히 고체 상태에 있어서 표면적이 반응 속도에 미치는 영향인데, 일정 질량에서 입자의 크기를 작게 하면 단위 면적당 입자의 충돌 수가 증가하여 반응 속도가 빨라지며, 그리하여 밀가루 공장에서도 폭발 사고가 일어난다. 약을 복용할 때도 알약보다는 가루약의 흡수가 빠르다.

실례 2는 농도의 영향을 의미하는 것인데, 모닥불에 바람을 불면 공기의 순환에 의해 주위의 공기가 유입되고, 공기 중 산소의 농도가 가장 크다. 그런데 촛불이 꺼지는 이유는 양초에서 연소하는 물질은 고체 상태인 초가 기체상으로 변화하고 그 기체가 연소하는 것이다. 바람이 불면 기체가 확산되어 퍼지면서 탈 물질의 농도가 감소해 불이 꺼지게 된다.

[04] 사람은 체온이 일정하게 유지되는 정온 동물이다. 사람의 정상 체온이 37℃ 정도로 일정하게 유지되는 이유는 무엇인가? 또한 체온이 너무 높거나 너무 낮은 경우 사망하게 되는데 그 이유는 무엇인지 설명하시오.

인간의 뇌는 크게 대뇌, 중뇌, 소뇌 그리고 간뇌, 뇌교로 구성돼 있는데 이중에서 체온 조절을 주로 맡고 있는 부분은 간뇌이며, 간뇌 중에서도 시상 하부라는 곳이 중추적인 역할을 하고 있다. 이 시상 하부는 피부에 있는 온도 수용기로부터 오는 자극에 의해 체온을 올리거나 내려 체온이 일정하게 유지되도록 한다.

인간을 포함한 모든 항온 동물은 세균이 침입하면 자신의 몸의 온도를 올림으로써 침입한 세균에 저항한다. 병원성 세균이 항온 동물의 정상 체온보다 높은 온도에서는 살기 어렵다는 점을 이용한 것이다. 때문에 몸에 이상이 생기면 몸을 지키기 위해서 열이 난다. 열 자체는 병이 아니라 병에 걸렸다는 것을 알려 주는 증상이다. 대개는 감기 등과 같은 사소한 질병 때문에 열이 나지만 열이 간혹 심각한 질병을 알리는 신호일 수도 있다.

체온의 최고 한계는 보통 열병에서는 42℃이며 어떤 질병에서는 44.7℃나 된다는 보고가 있지만 44℃까지도 생명을 어느 정도 유지할 수 있다. 체온이 26.7℃ 이하가 되면 의식이 없어지며, 동공이 수축되고 호흡은 얕고 느려지며 저혈압 상태가 된다. 체온이 25℃ 이하로 내려가면 대부분 사망하게 되지만 아주 희귀하게 9℃에서도 생존한 예가 있다.

- 한국일보 <도움말 = 연세대 의대 생리학 교실 김정훈 교수, 응급의학과 박인철 교수

[예시답안]
물을 제외한 사람의 체구성 물질 중 가장 많은 양을 차지하는 것은 단백질이다. 또한 사람의 체내의 온도는 높지 않기 때문에 반응 속도가 빠르지 않다. 따라서 대부분 단백질로 구성된 생체 촉매인 효소를 이용하여 반응 속도를 증가시킨다. 그런데 몸을 구성하고 대부분 효소의 주성분인 단백질은 고온인 환경에서 변성되어 제 기능을 할 수 없다. 따라서 체온이 정상 체온보다 높아지게 되면 단백질의 변성으로 인한 체내 대사 과정이 일어나기 어렵기 때문에 사망하게 된다. 또한 체온이 너무 낮은 경우에도 반응 속도가 느려지기 때문에 생명 활동에 필요한 에너지 공급이 어렵게 되어 사망하게 된다.