강 아래 강 Rio Abajo Rio

으앙~ 으앙~
주사 맞고 나오는 아이의 울음소리가 소아과를 가득 채웠다. 과학이는 벌써 도망가고 싶은 마음이다.

“엄마, 저 아프지도 않은데 주사 안 맞으면 안 되나요?”
“과학이, 오늘은 독감 예방 주사를 맞으러 왔지? 예방주사는 아프기 전에 맞아야 효과가 있는 거야.”
“엄마, 저번에 열났을 때처럼 엉덩이에 주사 맞아요?”
“독감 예방주사는 팔에 맞을 거야. 엉덩이에 맞고 싶니?”
“어휴, 아니에요. 엉덩이는 창피해요. 간호사 누나 앞에서 바지도 내려야 하고… 엉덩이 주사는 진짜 맞기 싫어요.”
“과학아, 왜 어떤 주사는 엉덩이에 맞고, 어떤 주사는 팔에 맞는지 아니?”
“네? 아플 때는 엉덩이에 맞고, 안 아플 때는 팔에 맞는 건가???”

과학이는 호기심 때문에 주사 맞을 생각을 잊고 골똘하고 있다. 왜 어떤 주사는 엉덩이에, 어떤 주사는 팔에 맞는 걸까? 엄마는 주사에 대해서 과학이의 궁금증이 풀릴 때까지 자세히 설명해 주었다.

약을 먹을 경우 몸에 들어가서 흡수가 되어야만 효과가 나타난다. 약이 장으로 가서 흡수되고 혈관에 들어가 피에 섞이면 그 피가 몸속 구석구석까지 운반된 뒤에야 약의 효과가 나타난다. 시간이 오래 걸리는 것. 따라서 약효를 빠르게 내야 할 때나 약을 먹기 어려운 상황일 때는 주사를 맞는다.

주사를 맞는 부위는 크게 피부, 근육, 혈관으로 나눌 수 있다. 혈관에 놓는 주사가 약이 몸에 흡수되는 속도가 가장 빠르고, 다음으로 근육, 피부의 순이다. 흡수가 빠를수록 약의 강도가 세거나 몸에 맞지 않을 경우 부작용이 나타날 수 있기 때문에 주사의 사용은 주의를 기울여야 한다. 빨리 효과가 나타난다고 무조건 좋은 것은 아니다. 주사는 약의 종류나 신체 상황에 따라 다른 부위에 맞게 된다.

맞는 부위에 따라 주사의 종류를 나누면 피부의 표피와 진피 사이에 소량의 약물을 주사하는 피내주사, 진피 아래의 피하지방에 놓는 피하주사, 근육에 놓는 근육주사, 혈관에 직접 바늘을 꽂는 동맥주사와 정맥주사가 있다.

손등이나 팔목, 팔꿈치 안쪽의 핏줄에 주삿바늘을 꽂는 것은 정맥주사다. 정맥주사는 약효가 신속하고 반응이 확실하다. 하지만 앞서 언급한 것과 같이 약이 갑자기 몸속에 들어가기 때문에 주사액이 너무 강하거나 몸에 맞지 않으면 몸 상태가 안 좋아질 수 있고 극단적인 경우에는 목숨을 잃을 수도 있다. 혈관 주사로는 정맥주사가 일반적이지만 동맥주사도 사용된다. 동맥주사는 동맥에 직접 약을 주입하는 것으로, 악성종양 치료와 같은 특별한 경우에 이용된다.

흔히 맞는 엉덩이주사는 근육주사다. 근육에는 혈관이 풍부하기 때문에 근육에 주사를 맞으면 흡수가 빠르다. 보통 엉덩이 근육에 맞는 경우가 많지만 팔의 바깥 위쪽에도 근육주사를 맞을 수 있다. 하지만 같은 주사라도 팔보다는 엉덩이에 맞는 것이 더 빠른 효과를 기대할 수 있다. 주사를 맞은 뒤 눌러주면 흡수가 더 잘 된다.

단, 12개월 미만의 영아들에게는 엉덩이에 주사를 놓지 않는다. 아기들은 엉덩이 부근의 근육과 신경이 덜 발달되어 있기 때문에 자칫하면 엉덩이뼈에 손상을 주거나 신경을 건드려 마비를 일으킬 수 있기 때문이다. 첫돌 전에는 허벅지 정면과 측면의 중간 부분인 대퇴부 외측광근에 주사를 놓는다. 엉덩이 주사는 걷기 시작한 지 12개월이 지난 뒤부터 맞는 것이 일반적이다. 엉덩이의 볼록 튀어나온 부분은 좌골 신경이 있기 때문에 성인도 이 부분에 주사를 맞으면 마비가 올 수 있다.

피부에 놓는 주사는 피부에 퍼진 가느다란 혈관으로 약이 스며들어서 굵은 혈관으로 흘러들어가기 때문에 효과는 느리지만 다른 주사보다 부작용이 일어날 위험은 적다. 흡수가 천천히 되어야 하는 경우에 사용된다. 따라서 주사를 맞은 뒤에 누르거나 문지르지 않는다. 팔의 바깥 위쪽이나 복부, 견갑골 등에 맞는다. 항생제 반응 검사나 결핵반응검사(투베르쿨린 검사)를 할 때도 피하주사가 사용된다.

당뇨병 환자들의 치료약인 인슐린도 먹을 경우 위에서 소화되어 없어지기 때문에 주사로 투여하는 것이 일반적이다. 이때에도 피하주사를 이용한다. 먹는 것보다 흡수가 빠르면서 소화액의 방해를 받지 않고 간장에 해독의 부담도 주지 않기 때문에 일부 지혈제, 비타민제, 강심제 등도 주사로 투여한다. 긴급상황이나 환자의 상황이 약을 먹기 어렵다면 피하 주사를 통해 진통제를 투여하기도 한다.

그렇다면 같은 자리에 계속해서 주사를 맞아도 괜찮을까? 당뇨병 치료를 위한 인슐린 주사처럼 매일 반복해서 맞는 주사는 같은 자리에 맞으면 곤란하다. 오랜 기간 같은 자리에 반복하여 주사를 놓으면 그 부위에 지방이 축적되어 피부가 울퉁불퉁하고 두꺼워질 수 있기 때문이다. 이렇게 되면 인슐린 흡수율이 저하되고 늦어지기 때문에 치료 효과를 낼 수 없다. 따라서 당뇨병 환자들에게는 주사 위치를 여러 개 정하고 순서대로 바꿔가며 주사를 놓으라고 권한다.

피하지방은 몸 전체에 퍼져 있지만 인슐린은 큰 혈관이나 신경이 너무 가까운 곳에 주사하지 않도록 해야 한다. 적정한 장소는 복부, 팔의 바깥 위쪽, 허벅지 바깥쪽 순이다. 복부에서는 배꼽으로부터 5cm가량 떨어진 곳에 주사해야 하고 허벅지 안쪽에는 혈관과 신경이 많은 곳이므로 주사하면 안 된다.

드디어 과학이가 주사를 맞을 차례다. 독감예방주사 역시 근육주사인데 왜 팔에 맞을까? 엉덩이에 맞으면 효과가 더 빠를 텐데. 학교나 보건소에서 하는 예방접종은 대부분 팔에 맞는다. 많은 사람에게 빠르게 접종하기 위한 편의적인 조치이다.

“팔 걷고 힘 빼세요.”
‘아하, 근육이 뭉치면 바늘이 잘 들어가지 않으니까 힘을 빼라는 것이군.’
순식간에 주삿바늘이 꽂혔다.
“으아악.”
아파서 저절로 비명을 나왔다. 눈물까지 찔끔 흘렸다.
‘주사에 대해 아는 것이 많아져도 아픈 건 똑같구나.’

글 : 이소영 과학칼럼니스트

불교에서는 세상에서 가장 청정한 것을 비유할 때 연꽃을 든다. 진흙층이 쌓인 연못에 뿌리를 내리고 있지만 결코 그 더러움에 더럽혀지는 일이 없기 때문이다. 연꽃잎을 자세히 관찰해보면 잎에 떨어진 빗방울이나 아침 이슬은 잎을 적시지 못하고 동그랗게 뭉쳐서 주르륵 미끄러져 떨어지는 것을 볼 수 있다. 이때 표면에 있던 오염물이 물방울과 함께 씻겨나가기 때문에 연잎은 항상 깨끗한 상태를 유지한다.

어떻게 이런 일이 가능할까? 육안으로 보면 연꽃잎은 다른 잎들보다 훨씬 매끄럽게 보인다. 단순히 표면이 매끈매끈하기 때문만은 아니다. 현미경으로 나노 크기를 볼 수 있을 만큼 확대해서 들여다보면 육안으로 보이는 것과는 확연하게 다르기 때문이다. 사실 연꽃잎 표면은 3~10㎛ 크기의 수많은 혹(bump, 융기)들로 덮여 있고, 이 혹들은 나노크기의 발수성(water-repellent) 코팅제로 코팅되어 있다.

이러한 울퉁불퉁한 독특한 구조 덕택에 연잎 위에 떨어진 물방울은 잎 속으로 스며들지 못하고 흘러내리게 된다. 즉 연꽃잎 위의 물방울은 돌기 위에 떠 있기 때문에 표면에 접촉하는 면적이 크게 줄어들어 표면장력이 커진다. 실제로 연꽃잎과 물방울의 접촉 면적은 덮고 있는 표면의 2-3%밖에 되지 않는다. 물방울이 공기 위에 떠있는 모양이라고 보면 된다. 이렇게 불안한 상황이다 보니 물방울이 모이고 합쳐져서 무거워질 때 땅으로 미끄러져 떨어지게 된다. 이때 잎에 앉은 먼지들도 물에 씻겨서 덩달아 떨어지면서 스스로 깨끗하게 씻어내는 것이다.

이런 특징을 학술적으로 ‘연꽃잎 효과(lotus effect)’라 한다. 이를 처음으로 명쾌하게 설명한 사람은 독일의 본대학교의 식물학자 빌헬름 바르트로트(Wilhelm Barthlott) 교수였다. 그는 현미경을 통해 연꽃잎을 관찰하고 나노규모에서는 거친 표면이 매끄러운 표면보다 더 강한 초소수성(疏水性 : 물과 친하지 않는 성질)을 나타낸다고 밝혔다. 울퉁불퉁한 표면 덕택에 연꽃잎에서는 물방울이 떨어지면 방울 형태를 그대로 유지할 수 있고, 표면이 조금이라도 기울어져 있으면 미끄러져 내린다는 것이다. 덕분에 아무리 심한 소나기가 내리는 동안에도 연꽃잎이 늘 마른 상태를 유지할 뿐만 아니라 먼지들은 물방울에 쓸려 내려가도록 해 연의 잎은 자정작용을 하게 된다.

반면 연꽃잎은 물방울의 상태에 따라 친수성 역할을 하기도 한다. 밀리미터 크기의 물방울에 대해서는 방수 역할을 하는 연꽃잎이지만, 응축된 수증기에 대해서는 전혀 다른 성질을 보인다. 예를 들어 연잎을 수증기가 나오는 위치에 두면, 수 분 후 물은 연잎 상에서 작은 물방울들이 모인다. 아주 가는 입자가 합쳐져서 물방울로 되는 것이다. 이러한 현상은 수증기의 작은 물방울이 연잎에 존재하는 나노크기 실타래 같은 것 사이에 갇히기 때문에 가능하다.

이런 연꽃잎의 자정 능력은 어디에 사용될 수 있을까? 독일 본대학교 연구팀은 이런 원리를 이용한 꿀 숟가락을 개발하기도 했다. 일반적으로 아무리 표면이 매끈매끈한 숟가락이라도 꿀이 넓게 퍼져서 잘 떨어지지 않지만, 연꽃잎 효과를 응용하면 달라진다. 연구팀은 꿀 숟가락은 표면에 수μm(마이크로미터·1μm는 100만분의 1m) 크기의 특수 실리콘 돌기를 붙였다. 이 돌기 덕택에 꿀은 숟가락에서는 이 표면에 묻은 꿀은 퍼지지 않고 구슬 모양으로 뭉치게 된다.

비만 내리면 저절로 깨끗해지는 유리창, 물만 한번 내리면 깔끔해지는 변기, 비 한번 맞으면 청소가 자동으로 되는 자동차 등의 개발이 가능하다. 실제로 청소를 하지 않아도 깨끗한 상태를 유지하는 유리창, 하얀 면바지에 콜라를 흘려도 손으로 툭툭 털어 내면 깨끗한 원상태를 유지할 수 있는 면 섬유, 가죽·나무·섬유 등에 뿌리면 물과 오염을 방지해주는 스프레이 등이 속속 등장하고 있다. 또한 화학 및 바이오센서 등의 마이크로 소자와 액정표시장치(LCD), 플라스마디스플레이패널(PDP) 등 차세대 대형 디스플레이의 표면 코팅에서도 연꽃잎 효과를 이용한 코팅 기술이 사용될 것으로 기대되고 있다.

한편 ‘초친수(超親水)’ 현상에 대한 연구도 활발하게 진행되고 있다. 표면에 물방울이 묻으면 얇게 펼쳐지는 초친수 현상은 일본에서 가장 먼저 연구됐다. 도쿄대 연구팀이 이산화티타늄을 이용해, 초친수성을 구현해 낸 것이다. 이후 미국 벨연구소 톰 크루펜킨 박사팀은 초발수성을 띠게 만든 실리콘 기판에 전기를 걸면 표면이 초친수성으로 바뀐다는 사실을 밝혀냈고, 우리나라에서도 포스텍 화학공학과 조길원 교수팀은 2006년 물질 표면 일부만의 특성을 변화시키는 기술을 개발했다.

초친수 성질과 연꽃잎 효과를 함께 구현할 수 있는 기술이 있다면, 활용범위가 훨씬 넓어진다. 가장 대표적인 것이 잉크젯 프린터다. 잉크를 뿌려주는 노즐에 초소수성질을 응용하면 잉크 노즐에서는 잉크를 방울방울 떨어지게 만들 수 있고, 초친수성을 이용하면 종이에는 잉크를 얇게 퍼지게 뿌려줄 수 있다. 이렇게 노즐의 성질을 원하는 대로 변화시켜 적은 수의 노즐로도 다양한 인쇄가 가능해진다.

또한 약이 몸속에서 효과적으로 작용하는데도 이 기술을 활용할 수 있다. 즉 당뇨병 환자가 정기적으로 맞아야 할 인슐린의 경우, 환자의 몸속에 뭉쳐진 형태의 약을 주입한 다음, 필요할 때 얇게 퍼지게 한다면 약효를 오랫동안 지속하게 할 수 있는 것이다.

이처럼 나노단위에서는 표면에 따라 다양한 성질을 나타내기 때문에, 이를 구현하기 위한 연구가 국내외에서 활발하게 진행되고 있다. 진흙 속에서도 결코 자신을 아름답게 지키는 연꽃잎에 대한 연구는 나노기술의 발전과 함께 이제 우리의 삶을 보다 편리하게 바꿔 놓을 것이다.

글 : 유상연 과학칼럼니스트

최근 미 항공우주국(NASA)에 따르면 화성 극지 탐사선 피닉스호가 화성의 구름에서 눈이 내려오는 모습을 목격했다고 한다. 올해 5월 피닉스호가 화성 북위 68도 지점에 착륙한 뒤 7월에 얼음 상태의 물을 발견하고, 잇따라 과염소산염을 발견하는 등 여러 가지 주목할 만한 성과를 이뤄내고 있다. 화성에 물의 흔적이 있다는 것은 화성 생명체의 존재 가설을 뒷받침해주는 결과다. 또한 지난달 말 화성을 촬영한 사진 속에서 오팔로 보이는 보석을 발견하여 약 20억 년 전 주변에 강이나 작은 연못이 있었을 가능성을 보였다고 하니, 앞으로 계속될 발견이 기대되는 상황이다. 어쩌면 SF영화에서나 봤음 직한 화성 외계인이 오팔 보석을 주렁주렁 몸에 달고 탐사선 앞에 나타날지도 모른다.

우주에서 들려오는 많은 소식 중에서도 화성 극지 탐사선 피닉스호가 화성에서 물을 발견했다는 소식은 우주 탐사에 관한 관심을 더욱 고취시키고 있다. 또한 행성과학자들은 액체의 흔적이 발견된 유로파(목성의 위성)나 타이탄(토성의 위성)에서도 생존하는 생명체를 찾을 확률이 높을 것으로 생각하고 있다.

유로파의 경우 보이저호나 갈릴레이호의 탐사를 통해 운석과의 충돌로 크레이터투성인 우리의 달과 달리 수많은 줄무늬를 가진 유리 거울처럼 매끈한 얼음 표면을 가지고 있음이 밝혀졌다. 무엇보다 과학자들은 영하 160도에 이르는 얼음표면과 달리 그 아래에는 거대한 모행성인 목성과의 조석력에 의해 생기는 열에너지 때문에 물로 이루어진 바다가 있을 것으로 예상하고 있다. 설사 물의 바다가 있다고 해도 태양에너지가 미약한 이곳에 생명체가 살고 있을까?

가능성은 있다. 원래 과학자들은 모든 생명체의 생존 에너지는 태양에서만 오는 것으로 알고 있었다. 하지만 1977년 미국의 심해 잠수정 앨빈호가 태양빛이 전혀 들어오지 않는 갈라파고스 군도의 심해 온천 주위에서 열수에 들어 있는 황을 산화해서 화학적으로 에너지를 끄집어내어 살아가는 세균과 이들 세균과 공생하는 다른 생물을 발견함으로써 우주 생명체에 대한 관점을 바꿔 놓는 발견이 있었다. 이렇게 되면 더 이상 생명체 존재에 있어 태양과의 거리나 태양 에너지의 양은 중요한 요소가 되지 않는 것이 된다. 따라서 유로파 내부에 지구의 열수 분출공과 같은 에너지 제공원이 있다면 지금도 외계 생명체가 심해를 헤엄치고 있을지 모른다.

토성의 위성 타이탄은 유로파보다 더 오래전부터 관심을 받아온 위성이다. 대기를 가진 행성처럼 뿌연 구름으로 덮여 있는 타이탄은 마치 지구의 원시상태모습과도 비견되고 있다. 보이저호나 카시니-호이겐스호의 탐사를 통해 타이탄은 78%의 질소를 가진 지구보다도 더욱 풍부한 98%의 질소를 가진 대기에 메탄으로 된 호수가 있는 것으로 밝혀졌다. 태양계에서 지구 외에 액체 표면이 발견된 것은 타이탄이 최초다.

그럼 이곳에 생명체가 있을까? 아직은 비관적이다. 200~800km나 되는 두께를 가진 타이탄의 대기층은 금성의 대기와 달리 이산화탄소가 없어 온실효과는커녕 태양빛을 차단하고 있어 표면의 온도는 영하 179도에 이른다. 따라서 타이탄에는 생명 발생 이전의 상태가 보존되어 있을 것으로 생각하고 있다. 2005년 유럽우주국의 호이겐스가 타이탄에 착륙하며 대기조사와 바람 소리, 표면 사진을 보내왔으나 생명 조사에 적합한 관측 장비는 싣고 있지 않아 아쉬움이 있었다.

이에 미 항공우주국(NASA)과 유럽우주국(ESA)의 과학자들은 외태양계 행성 평가 그룹(Outer Planets Assessment Group)회의를 열고 2017년까지 발사할 외태양계 행성 탐사선의 행선지로 유로파와 타이탄에 대해 탐사 시나리오를 검토하기 시작했다. 유로파-목성 탐사 시나리오에는 목성 주변의 혹독한 방사선 속에서도 살아남아 활동하도록 제작되는 궤도 탐사선이 투입되며 이 계획에는 러시아가 유로파 착륙선을 제공하겠다고 제의하는 등 큰 관심을 보이고 있다.

타이탄-토성 탐사 시나리오에는 궤도를 선회할 모선과 타이탄 표면 탐사용 보조 우주선이 투입되는데 보조 우주선에는 착륙선과 대기권 탐사용 열기구가 포함돼 있다. 타이탄의 짙은 대기를 이용한 열기구 탐사선은 기존의 몽골피에 열기구와 같은 원리로 프로판 가스로 기구속의 공기를 데우는 것에 비해 핵전지의 에너지를 이용하는 것이 큰 차이이다. 타이탄에서는 적은 열기로도 높은 부양 능력을 만들 수 있어 2kw의 핵에너지에 12m 직경을 가진 열기구라면 곤돌라에 200kg 정도의 과학 장비를 운반할 수 있을 것으로 예상하고 있다. 고도 10km에서 타이탄 전체를 이동할 수 있도록 고도계로 측정한 데이터를 바탕으로 열기구의 꼭대기에 설치된 밸브를 이용, 내부 열기의 양을 조절함으로써 고도를 유지하도록 한다.

NASA는 약 7억 달러가 넘지 않는 중간 예산으로 고도로 집중된 우주임무를 수행할 탐사선을 개발하는 새로운 행성 탐사 계획, 이른바 뉴 프론티어 프로그램을 진행 중이다. 지난 2006년에 처음으로 발사된 명왕성과 카이퍼 벨트 탐사선인 뉴호라즌호에 이어 다음 10년 동안에 진행될 뉴 프론티어 프로그램의 탐사 우선순위를 정하기 위해 지난 2004년에 설립된 OPAG는 새로운 외태양계 행성 탐사 사업을 위해 1~5개의 우주선을 선정할 예정이다. 이 사업에는 미국을 중심으로 유럽과 일본, 러시아가 동참할 것으로 예상되며 카시니-호이겐스호에서처럼 국제적인 미션으로 진행될 전망이다.

물은 생명체의 근원이다. 그렇기 때문에 우주 탐사에 있어서 물과 물의 흔적을 발견하는 것은 큰 의미를 갖는다. 비록 우주의 행성이나 위성에서 물이나 물의 흔적이 발견되었다고 해도 생명체가 있다고 단정 짓기는 어려우며 이와 함께 다른 실험과 탐사가 동반되어야 하지만, 우리는 인류의 도전 정신으로 아직 밝혀지지 않은 미지의 우주를 끊임없이 탐험할 것이다.

글: 정홍철 스페이스스쿨 대표