세계의 신비

미국 잡지 사이언스 창간 125주년을 맞아 과학자들이 풀리지 않은 미스터리 125개를 정리했는데, 그 중 가장 중요한 25개를 정리했다.

우주, 지구, 그리고 우리 자신에 대해 우리가 발견하기를 기다리는 미스터리가 너무 많습니다. 그러나 풀리지 않은 가장 중요한 미스터리는 무엇이며, 그 답을 찾는 데 얼마나 가까워졌습니까? 올해 7월 1일, 미국 잡지 사이언스 창간 125주년을 기념하여 과학자들은 지금까지 우리가 잘 대답하지 못했던 125가지 질문을 정리했는데, 그 중 가장 중요한 25가지 질문이 있습니다.

-우주:

1. 우주는 무엇으로 이루어져 있나요?

무뚝뚝한 대답은 바로 저 밝은 별들로 구성되어 있다는 것입니다. 그러나 최근 수십 년 동안 과학자들은 이 대답이 틀렸다는 사실을 점점 더 많이 발견했습니다. 천문학자들은 별, 행성, 은하, 그리고 물론 우리를 구성하는 물질, 즉 일반 물질이 우주 전체 질량의 5% 미만을 차지한다고 믿습니다. 그들은 또 다른 25%가 아직 발견되지 않은 입자로 구성된 암흑물질일 수 있다고 추정합니다. 나머지 70%는 어떻게 되나요? 천문학자들은 이것이 암흑에너지, 즉 우주 팽창을 가속화하는 힘일 수 있다고 생각합니다. 암흑물질과 암흑에너지의 본질은 무엇인가? 과학자들은 이러한 질문에 대한 답을 찾기 위해 가속기와 망원경을 사용하고 있으며, 만약 답이 발견된다면 그 의미는 분명 우주적일 것입니다.

2. 우주에는 우리만 존재하는가?

45년 전, 천문학자 프랭크 드레이크(Frank Drake)는 외계 문명의 신호를 수신하기 위해 거대한 안테나(전파 망원경)를 사용하는 외계 문명을 탐험하기 위해 처음으로 오즈마 프로젝트를 시작했습니다. 45년이 지난 지금도 천문학자들의 노력은 계속되고 있습니다. 그러나 현재까지 가장 큰 규모의 피닉스 프로그램조차도 아직까지 외계 문명의 무선 신호를 찾지 못했습니다.

-지구:

3. 지구 내부는 어떻게 작동하나요?

40여년 전, 지구과학에 혁명이 일어났습니다. 판 구조론 이론은 지구 자체에 대한 지식을 업데이트했습니다. 그러나 지구의 내부 구조에 관한 질문은 여전히 ​​혁명 이전의 지식을 따릅니다. 지난 40년 동안 과학자들이 한 일은 알 모델을 지각, 맨틀, 핵으로 더욱 세분화하는 것이었습니다. 점점 더 발전하는 지진파 영상 기술의 도움으로 과학자들은 지구의 거대한 기계의 작동을 연구하고 있습니다. 그러나 또 다른 과학 혁명을 시작하는 데는 반세기가 걸릴 수도 있습니다.

4. 지구온실은 얼마나 더워질까?

금세기 동안 대기 중 이산화탄소 농도는 확실히 계속해서 증가할 것이고 이러한 증가가 확실히 지구 온난화를 가져올지라도 그 온난화의 정도는 아직 확실하지 않습니다. 과학자들은 일반적으로 금세기에 이산화탄소 농도가 두 배로 증가하면 기온이 1.5°C에서 4.5°C로 높아질 것이라고 믿고 있습니다. 그러나 이것은 충분히 정확하지 않습니다. 과학자들은 숫자를 더욱 설득력 있게 만들기 위해 새로운 수학적 모델을 개발하고 있습니다.

- 수학, 물리학, 화학:

5. 물리 법칙은 통일될 수 있나요?

땅에 떨어지는 사과, 하늘을 가로지르는 번개, 에너지를 방출하면서 붕괴하는 원자력 발전소 원자로의 우라늄 원자, 양성자를 분쇄하는 초가속기 등 이러한 현상은 자연에 존재하는 네 가지 기본 힘, 즉 중력, 전자기력, 약력, 강력이다. 우주의 모든 물리적 현상은 이 네 가지 기본 힘으로 설명될 수 있습니다. 그러나 과학자들은 만족하지 않습니다. 이 네 가지 힘을 하나로 통합하는 것이 가능합니까? 1960년대에 물리학자들은 약력과 전자기력이 통합될 수 있다는 사실을 발견했습니다. 이 둘은 동일한 것의 다른 측면이며 총칭하여 전기약력이라고 합니다. 하지만 다른 두 세력이 그것으로 통합될 수 있을까?

6. 양자 불확실성과 비국소성에 더 깊은 원리가 있나요?

양자 이론은 100년 넘게 존재해왔으며 설득력 있는 응용 결과를 가져왔지만 반직관도 가져왔습니다. 양자역학의 불확정성 원리는 물체를 정확하게 얻을 수 없다는 점을 지적합니다. 추진력과 위치를 동시에. 비국소성은 두 양자 얽힌 입자의 얽힌 상태가 아무리 멀리 떨어져 있어도 동시에 붕괴되도록 허용합니다. 아인슈타인은 양자역학이 그에게 깊은 인상을 주었지만 “내면의 목소리가 그것이 아직 현실이 아니라고 말했습니다.

”

7. 화학적 자기조립을 어디까지 추진할 수 있나요?

어떤 의미에서 화학자들은 항상 새로운 분자를 만들고 있기 때문에 가장 창의적인 사람들입니다. 화학자들은 매우 복잡한 화학 구조를 만들 수 있는데, 이 작업을 간단하면서도 복잡하게 만들 수 있습니까? 즉, "원료" 원자가 스스로 복잡한 구조로 "조립"되도록 할 수 있습니까? 세포막과 같은 이중층 막 구조를 만드는 것과 같이 생명체가 보여주는 일종의 자기 조립이지만, 집적 회로의 상향식 제조와 같은 보다 진보된 자기 조립은 여전히 ​​꿈입니다.

8. 전통적인 컴퓨팅의 한계는 무엇입니까?

1940년대에 상호 연결을 통해 걸어다니는 세일즈맨과 같이 간단해 보이지만 해결하기가 매우 복잡한 것들이 있습니다. 정보 이론의 아버지인 섀넌(Shannon)은 비트 형태의 저장과 전송이 뒤따르는 물리적 법칙을 제안했는데, 공학적인 측면에서 컴퓨터가 이 법칙을 능가할 수는 없습니다. 하지만 최근 양자컴퓨터의 등장 등 비전통적인 컴퓨터는 이에 영향을 받지 않을 수도 있다.

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작성자: Hu Chuci 2006-11-10 13:37 이 성명에 답변

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- 생물학:

9. 생물학의 기초는 무엇입니까?

17세기 프랑스 철학자는 “나는 생각한다. 그러므로 존재한다”라는 유명한 말을 남겼는데, 이는 오랫동안 현대과학의 철학적 주제였다는 것을 알 수 있다. 는 의식이 뇌에 있는 수십억 개의 뉴런의 협력에서 나온다고 믿습니다.

그러나 여전히 너무 일반적입니다. 구체적으로, 최근 몇 년 동안 과학자들은 어떻게 의식을 발생시키는가? 이 가장 주관적이고 개인적인 것을 객관적으로 연구할 수 있으며, 뇌 손상 환자의 도움으로 과학자들은 의식의 신비를 엿볼 수 있습니다. 의식이 어떻게 작동하는지 알아내는 것 외에도 과학자들은 더 깊은 질문에 대한 답을 알고 싶어합니다. 지렁이는 왜 존재하며 어떻게 발생합니까?

10. 무엇이 기관 재생을 제어합니까?

일부 생물은 특별한 복구 능력을 가지고 있습니다. 절단된 지렁이는 몸의 절반이 다시 자랄 수 있습니다. 신체와 도롱뇽은 손상된 사지를 재건할 수 있습니다... 그에 비해 인간의 재생 능력은 조금 더 나쁜 것 같습니다. 손가락은 누구도 다시 자랄 수 없으며 뼈의 사용은 끝이 없습니다. 약간의 편안함은 간입니다. 부분적으로 제거된 간은 원래 상태로 복원될 수 있습니다. 과학자들은 장기를 재생할 수 있는 동물이 필요한 경우 배아 발달 중에 유전 프로그래밍을 다시 시작하여 새로운 장기를 성장시킨다는 사실을 발견했습니다. 그렇다면 인간이 유사한 기술을 사용하여 수동 제어 하에서 스스로 부품을 교체할 수 있습니까?

11. 피부세포는 어떻게 신경세포가 될 수 있나요?

지난 세기 중반, 생물학자들은 개구리 체세포의 핵을 핵이 제거된 개구리의 난자에 집어넣었고, 그 결과 올챙이가 복제되었다. 최근에는 인간 배아 줄기세포에 대한 연구가 본격화되고 있으며, 과학자들은 인간의 체세포 핵을 난자 세포에 삽입함으로써 신경 세포, 조골 세포, 심근 세포 등 다양한 인간 체세포를 생성할 것으로 기대하고 있습니다. 과학자들이 어느 정도 성공을 거두었음에도 불구하고, 그들은 여전히 ​​이 체세포 핵 이식 기술이 왜 작동하는지에 대해 거의 알지 못합니다. 실제로, 핵이 제거된 난세포는 이 과정에서 중요한 역할을 합니다. 그러나 구체적인 메커니즘은 무엇입니까?

12. 하나의 체세포가 어떻게 전체 식물이 되나요?

어떤 의미에서는 식물이 동물보다 유연성이 더 뛰어난 것 같아요. 식물체세포는 번거로운 체세포 핵이식 기술 없이도 다시 식물배아세포가 될 수 있다.

과학자들은 오랫동안 식물의 이러한 특성을 활용해 왔습니다. 작은 식물 조직 조각에서 묘목을 실험실에서 재배하여 숲을 지탱할 수 있습니다. 그런데 식물 세포에는 왜 그러한 유연성이 있습니까? 과학자들은 이 과정에서 식물의 옥신이 수행하는 역할과 같은 몇 가지 단서를 발견했습니다.

13. 생명은 어떻게, 어디서 유래되었습니까?

과학자들은 34억년 전의 미생물 화석을 발견했으며, 오래된 암석에서도 생물학적 광합성의 흔적을 찾을 수 있습니다. 그렇다면 생명의 두 기둥인 단백질과 DNA 중 어느 것이 지구에서 먼저 나왔습니까? 아니면 같이 나타나나요? 과학자들은 RNA가 처음 두 가지보다 더 일찍 나타났을 가능성이 더 높다고 믿습니다. 또 다른 질문은 생명이 어떤 환경에서 탄생했느냐는 것입니다. 한 가지 가설은 생명체가 처음에는 해저의 뜨거운 물에서 시작되었다는 것입니다. 오늘날 과학자들은 단순한 유기체에서부터 실험실에서 스스로 번식할 수 있는 유기체까지의 발달 과정을 탐구하고 있습니다. 다른 한편으로는 혜성과 화성을 연구하고 있으며 이는 이 문제에 대한 중요한 깨달음을 가져올 것입니다.

14. 종의 다양성을 결정하는 요인은 무엇입니까?

이곳은 생명이 가득한 행성이지만 모든 구석구석이 똑같이 번영하는 것은 아닙니다. 일부 지역에는 다른 지역보다 더 많은 종의 서식지가 있습니다. 열대 지방은 추운 지역보다 종 다양성이 더 높습니다. 왜 이런 일이 발생합니까? 단순히 열대 ​​지방이 추운 지역보다 더 덥기 때문일까요? 과학자들은 유기체와 환경 사이의 상호 작용이 다양성에 중요한 역할을 한다고 믿습니다. 물론 포식자-피식자 관계처럼 다양성을 변화시키는 다른 힘도 있습니다. 그러나 과학자들이 직면한 첫 번째 문제는 전 지구적 종 다양성, 즉 세상에 존재하는 종의 수에 대한 기본 데이터를 어떻게 얻는가입니다.

15. 협동적 행동은 어떻게 진화하나요?

사회적 동물에게서 이타적인 행동을 쉽게 볼 수 있습니다. 예를 들어 꿀벌은 음식에 대한 정보를 다른 꿀벌에게 전달합니다. 인간과 다른 영장류 사회 역시 협력적인 행동으로 가득 차 있습니다. 진화론의 창시자인 다윈은 협력 현상에 대해 친척 간의 상호 도움과 같은 몇 가지 설명을 제안했는데, 이는 실제로 온 가족의 번식 가능성을 촉진합니다. 오늘날 과학자들은 협력적 행동의 유전적 기초를 찾고 있습니다. 경쟁, 협력 및 게임 규칙에 대한 수학적 이론인 게임 이론은 과학자들이 협력 행동이 어떻게 작동하는지 이해하는 데에도 도움이 될 수 있습니다. 다윈은 협력 현상을 관찰하고 설명했으며, 오늘날의 과학자들은 그 설명을 더 깊게 하고 그것이 어떻게 발생하는지에 대한 답을 찾기를 희망합니다.

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작성자: Hu Chuci 2006-11-10 13:38 이 글에 답글 달기

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16. 추출방법 생물학적 데이터로부터 전체 그림을 얻으시겠습니까?

생명은 너무 복잡해서 거의 모든 생물학자가 좁은 영역만 탐색할 수 있습니다. 각 분야에서 많은 양의 설명 데이터가 생성되지만. 하지만 과학자들은 이러한 엄청난 양의 데이터로부터 생명체가 어떻게 작동하는지와 같은 전반적인 개념을 도출할 수 있습니다. 새롭게 떠오르는 시스템 생물학 분야는 이러한 질문에 답할 수 있는 희망을 제공합니다. 생물학의 다양한 분야를 연결하고 수학, 공학, 컴퓨터 과학의 방법을 사용하여 생물학을 더욱 정량적으로 만들려고 시도합니다. 그러나 이러한 방법을 통해 과학자들이 궁극적으로 생명체의 작동 방식에 대한 전체 그림을 이해할 수 있게 될지는 아직 아무도 모릅니다.

-인간편:

17. 인간은 왜 유전자가 이렇게 적은 걸까요?

2003년, 인간 게놈 프로젝트가 거의 완료되었을 때 생물학자들은 이 성과를 축하하면서 인간 유전자의 수가 원래 추정보다 적다는 사실에 놀랐습니다. 그렇습니다. 인간은 약 2.510개만 가지고 있습니다. 100,000개여야 했지만 원래는 100,000개여야 한다고 생각했습니다

. 이에 비해 매우 단순한 유기체인 선충류는 20,000개의 유전자를 가지고 있습니다. 애기장대 식물은 인간보다 약간 더 많은 유전자를 가지고 있는 반면, 벼는 인간보다 두 배나 많은 유전자를 가지고 있습니다.

과학자들은 게놈이 작동하는 방식이 이전에 생각했던 것보다 더 유연하고 복잡해야 한다고 믿으며 더 적은 수의 유전자를 사용하여 더 많은 일을 하는 분자 메커니즘을 탐구하고 있습니다.

18. 유전적 차이와 개인의 건강은 어느 정도 관련되어 있습니까?

과학자들은 일부 사람들이 특정 약물에 대해 다른 환자들과 다르게 반응한다는 사실을 오랫동안 발견해 왔습니다. 예를 들어, 특정 마취성 근육 이완제는 특정 사람들에게 숨을 쉴 수 없게 만들었고, 결국 과학자들은 그 이유가 특정 유전자를 가지고 있기 때문이라는 것을 발견했습니다. 이는 또한 다음과 같은 질문을 제기합니다. 서로 다른 사람 사이의 유전적 차이를 연구하는 것이 개인의 DNA를 기반으로 한 보다 진보된 치료법, 즉 '맞춤 의학'의 의학적 발전을 촉진할 수 있습니까? 과학자들은 약물과 상호작용하는 수많은 유전자를 확인했습니다. 그러나 '맞춤의학'을 제대로 실현하기에는 아직 이르다.

19. 인간의 수명은 얼마나 연장될 수 있나요?

100세 이상 노인은 여전히 ​​드물지만 지난 수십 년 동안 인간의 평균 수명(특히 선진국에서)이 늘어나고 있습니다. 하지만 이런 추세가 언제까지 지속될 수 있을까? 실험동물에 대한 연구를 통해 과학자들은 칼로리 섭취 제한을 포함한 일부 방법이 수명을 크게 연장할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 하지만 이러한 방법이 인간에게 성공적으로 적용될 수 있으며, 수명을 얼마나 연장할 수 있습니까? 일부 과학자들은 적어도 100세까지 사는 인간이 일반화될 수 있다고 믿습니다. 그러나 그럼에도 불구하고 장수는 사회보험 등 다른 문제를 가져오기 마련이다.

20. 우리를 독특한 인간으로 만드는 유전적 차이는 무엇입니까?

유전자 서열 분석 기술이 발전함에 따라 우리 자신과 침팬지와 같은 여러 영장류 친척을 포함하여 점점 더 많은 종의 완전한 게놈 서열이 과학자들의 데이터베이스에 입력되었습니다. 인간과 침팬지는 쉽게 구분할 수 있지만, 분자 수준에서는 구별이 쉽지 않습니다. 우리의 DNA는 침팬지의 DNA와 약 1.2% 정도 다릅니다. 이는 작은 숫자이지만 절대적으로 보면 이 차이는 3천만 염기쌍 이상의 차이를 나타냅니다. 침팬지에서 분리된 후 우리를 그토록 독특하게 만드는 3천만 가지 차이점 중 어떤 것이 있을까요? 과학자들은 우리를 다른 영장류 종과 구별시키는 유전적 차이뿐만 아니라 문화, 언어, 기술과 같은 유전자 이상의 요소를 찾고 있습니다.

21. 메모리에 어떻게 접근하나요?

좋은 기억, 슬픈 기억, 방정식 풀이 능력의 기억, 영어 단어의 기억, 모두 우리 뇌에 저장되어 있다는 것은 의심의 여지가 없습니다. 하지만 정확히 어디에 위치해 있나요?

1950년대 과학자들은 뇌의 '해마'가 정보를 저장하는 과정에서 중요한 역할을 한다는 사실을 발견했습니다. 해마가 제거되면 이전의 모든 기억도 함께 저장되지 않습니다. 그러면 해마의 신경 세포는 어떻게 정보를 고정합니까? 과학자들은 일부 분자가 기억 형성에 관여한다는 사실을 발견했습니다. 또한 신경세포의 시냅스 형성도 기억과 관련이 있다. 그러나 과학자들은 현재 기억이 어떻게 작동하는지, 즉 우리 자신을 이해하는 데 매우 중요한 메커니즘에 대해 충분히 알지 못합니다.

22. 일부 면역 반응을 선택적으로 끌 수 있나요?

오늘날 장기 이식은 덜 드문 시술이 되었지만 의사와 환자에게 여전히 어느 정도 큰 문제는 존재합니다: 면역 거부. 환자의 면역체계가 이식된 장기를 '비인간'으로 취급하고 공격해 수술이 실패할 수도 있다. 이런 일이 발생하지 않도록 의사는 기증 장기를 신중하게 선택해야 하며, 일부 환자는 평생 면역억제제를 복용해야 하는데 이는 분명히 좋은 생각이 아닙니다. 과학자들은 이식된 장기를 거부하지 않고 면역 체계가 정상적으로 작동할 수 있는 몇 가지 가능한 방법을 찾았지만 임상 적용을 달성하는 데는 오랜 시간이 걸립니다.

23. 효과적인 에이즈 백신이 있나요?

매년 미국 국립보건원(National Institutes of Health)에서만 AIDS 백신 연구 및 개발에 5억 달러를 투자합니다. 그러나 지금까지 어떤 백신도 유용성을 보여주지 못했습니다. 회의론자들은 인간면역결핍바이러스(HIV)의 다양성 때문에 AIDS 백신이 결코 성공하지 못할 것이라고 믿습니다. 지지자들은 이 백신이 유인원 면역결핍 바이러스에 효과적일 수 있으므로 HIV 백신도 성공할 수 있다고 믿습니다.

24. 무엇이 값싼 석유를 대체할 수 있습니까? 그리고 언제?

석유가 결국 고갈될 것이라는 사실을 부정하는 사람은 아무도 없습니다. 더욱이 석유 생산량은 곧 감소하기 시작할 수도 있습니다. 이러한 요인을 고려하지 않더라도 지구 온난화의 위험으로 인해 인류는 가능한 한 빨리 석유를 대체할 에너지원, 즉 태양에너지를 찾게 되었습니다. 풍력 에너지? 원자력? 각각 잠재력이 있는 것 같지만, 아직까지 성숙한 것은 하나도 없습니다.

25. 맬서스는 여전히 틀렸는가?

1798년 맬서스는 그의 유명한 저서 '인구의 원리'를 출판했는데, 여기서 그는 인구 증가는 결코 식량 공급의 증가를 따라갈 수 없으며 오직 재앙만이 성장을 멈출 수 있다고 제안했습니다. 200년이 흘렀고, 지구의 총 인구는 60억 명(맬서스 시대의 6배)으로 늘어났지만, 맬서스가 예언한 재앙은 일어나지 않았다. 과학과 기술은 이러한 재난을 대부분 예방했습니다. 그러나 인류는 여전히 문제에 직면해 있습니다. 미래에 재앙이 발생하지 않도록 어떻게 보장할 수 있을까요?