초미시 세계 관찰하는 기술로 물질 만드는 근본 힘 측정한다

2021.01.27 14:13

강입자의 일종인 하이퍼론 중 가장 희귀한 오메가 입자(왼쪽)와 양성자(오른쪽)와의 상호작용을 나타낸 그림. CERN 제공

국내 연구팀이 나노미터(㎚·10억분의 1m) 크기의 100만분의 1에 불과한 입자까지 관찰하는 기술로 우주를 지배하는 기본적인 힘 중 하나인 ‘강력’을 정밀하게 측정하는데 성공했다.

초기 우주의 비밀을 밝히는 대형이온충돌실험(ALICE·앨리스)을 수행하는 국내 7개 연구팀이 1펨토미터(1펨토미터는 1000조 분의 1m) 규모의 초미시 세계를 관찰하는 ‘펨토스코피’ 기술로 강입자인 오메가 입자와 양성자 사이의 강력을 정밀하게 측정했다고 26일 밝혔다.

앨리스는 유럽핵입자물리연구소(CERN)의 거대강입자가속기로 입자들을 빛의 속도로 충돌시켜 빅뱅 직후의 원시우주를 재현하는 국제 공동프로젝트다. 양성자와 중성자보다 작은 쿼크와 글루온이 어떻게 상호작용하는지 관찰해 우주 초기 물질의 생성과정과 우주의 진화 과정을 예측하는 것이 목표다. 전 세계 39개 국가의 1900여명이 참여하고 있으며 국내에서는 강릉원주대, 부산대, 세종대, 인하대, 연세대, 전북대, 충남대, 한국과학기술정보연구원 등 8개 연구기관에서 40명의 연구원이 참여하고 있다. 이번 연구에는 이 가운데 7개팀이 참여했다.  

거대강입자가속기에서는 쿼크와 글루온 사이에 강력이 발생해 양성자나 중성자 같은 강입자가 만들어진다. 강력은 중력, 전자기력, 약력과 함께 자연계에 존재하는 4가지 기본 힘 중 하나로 현재까지 강력이 발생하는 이유는 밝혀지지 않았고 실험을 통해 정밀하게 측정하기도 어려웠다.

연구팀은 거대강입자가속기에서 만들어지는 입자들의 운동량 차이를 측정하는 펨토스코피 기술을 이용해 강입자의 한 종류인 하이퍼론 중 가장 희귀한 오메가 입자와 양성자 사이에 발생하는 강력을 정밀하게 측정했다. 펨토스코피는 펨토 크기의 초미시 세계를 관찰하는 기술을 일컫는데, 연구팀은 양성자끼리 충돌해 만들어지는 오메가 입자와 양성자의 운동량을 비교해 충돌 전 작용하는 강력을 역으로 추적하는 방법을 이용했다. 즉 입자들의 운동량을 이용해 초미시 세계에서 나타나는 정보를 알 수 있는 셈이다.

연구팀은 이 기술로 오메가 입자와 양성자 사이의 강력을 측정한 결과 두 입자 사이에 작용하는 강력을 이론적으로 계산한 값과 일치한다는 사실을 확인했다. 

윤진희 인하대 물리학과 교수는 “하이퍼론처럼 불안정한 입자에 작용하는 강력은 정밀하게 측정할 수 없었다”며 “여러 입자를 생성하고 운동량을 정밀하게 측정할 수 있는 거대강입자가속기를 이용해 초미시 세계를 관찰할 수 있었다”고 말했다.

이 연구는 국제학술지 ‘네이처’ 인터넷판 2020년 12월 9일자에 실렸다.

지구에서 가까운 ‘트라피스트-1’ 지구형 행성 7개 “밀도 놀랍도록 비슷해”

2021.01.27 17:20

지구에서 약 40광년 떨어진 ‘트라피스트-1’ 주위를 도는 지구형 행성 7개의 밀도가 거의 같다는 사실이 처음 확인됐다. NASA/JPL 제공

지구에서 약 40광년 떨어진 왜성인 ‘트라피스트-1’ 주위를 도는 지구형 행성 7개를 분석한 결과 이들의 밀도가 놀랍도록 비슷하다는 연구결과가 나왔다. 연구에 따르면 이들의 밀도 차이는 최대 3% 수준에 불과했다. 또 지구 조성비와 비교하면 철(Fe)을 제외한 나머지 성분 조성비도 매우 유사할 것으로 예상됐다. 이는 지금까지 나온 트라피스트-1 행성 7개에 대한 가장 자세한 분석이다.

에릭 아골 미국 워싱턴대 천문학부 교수가 이끄는 국제 공동 연구팀은 이 같은 내용의 논문을 미국천문학회가 발행하는 국제학술지 ‘행성과학저널’ 22일자에 발표했다. 

트라피스트-1 주변을 도는 7개 행성은 2017년 처음 발견됐다. 트라피스트-1은 질량과 반지름이 태양의 10분의 1 수준으로 작고, 표면 온도도 태양의 절반 미만으로 낮다. 연구진은 2016년 트라피스트-1 주변을 도는 행성 3개를 처음 발견했고, 이듬해 미국항공우주국(NASA)의 스피처 우주 망원경을 동원해 나머지 행성 4개를 추가로 발견했다. 

당시 이들 7개 행성은 반지름이 지구의 0.7~1.1배, 밀도가 지구의 0.6~1.2배로 지구형 행성이며 표면 온도가 0~100도로 추정돼 액체 상태의 물이 존재할 가능성이 제기되면서 천문학계의 주목을 받았다. 

연구진은 7개 행성이 지구처럼 암석 위주로 이뤄졌는지에 대해 당시에는 단정할 수 없다고 밝혔지만, 이번 연구를 통해 철, 산소, 마그네슘, 규소 등 행성 7개를 구성하는 물질의 조성비가 구체적으로 제시됐다. 

무엇보다 연구진은 7개 행성의 물질 조성비에서 철을 제외한 나머지 원소의 조성비가 지구와 비슷하다는 사실을 확인했다. 지구에서 철 성분은 32%를 차지하고 있지만, 7개 행성에서는 철이 21%를 구성하는 것으로 계산됐다. 

연구진이 철 성분에 주목한 이유는 철과 산소가 결합한 산화철의 존재가 생명체 존재 가능성을 결정하기 때문이다. 태양계에서 지구 외에 생명체 존재 가능성이 제기되는 화성 표면도 붉은 산화철로 뒤덮여 있다. 

이번 연구에는 지금은 퇴역한 케플러 우주 망원경의 관측도 한몫 담당했으며, 허블 우주 망원경도 관측에 기여했다. 또 올해 10월 발사가 예정된 제임스웹우주망원경도 트라피스트-1 주변 7개 행성을 관측한다. 연구진은 제임스웹우주망원경이 7개 행성을 관측해 행성에 대기층이 존재하는지 확인하기를 기대하고 있다. 

연구에 참여한 캐롤라인 돈 스위스 취리히대 컴퓨터과학연구소 박사는 26일(현지 시간) CNN에 “인류가 우주에 가득 찬 행성의 수수께끼를 풀기 시작한 지 30년이 채 되지 않았다”며 “트라피스트-1 행성계는 하나의 항성을 중심으로 도는 행성계의 다양성을 확인할 수 있다는 점에서 매력적”이라고 말했다. 

김승리 한국천문연구원 책임연구원은 “그간 트라피스트-1 행성계의 7개 행성은 질량을 정확히 구하기 어려웠다”며 “정밀한 관측 자료로 질량을 매우 정확히 결정하고, 이를 통해 행성의 밀도까지 추론해냈다는 점에서 의미가 있다”고 설명했다. 

[랩큐멘터리]구글·인텔도 뛰어든 양자컴퓨터 세계로 ‘퀀텀점프’

2021.01.28 14:00

물질이 나노미터(nm·10억분의 1m) 크기로 줄어들었을 때 나타나는 현상을 설명하는 양자역학은 실생활에서는 결코 느끼기 힘든 연구 분야다. 인간의 직관으로 설명하기 어려운 다양한 현상을 설명하는 최신 물리학이지만 여전히 밝혀지지 않은 분야가 많다. 하지만 초전도체나 양자컴퓨터처럼 인류의 생활을 한 번에 바꿀 잠재력을 가진 분야기도 하다.

이길호 포스텍 물리학과 교수가 이끄는 양자소자연구실은 양자역학을 실생활에 더 가까이 가져다 놓는 실험물리 연구를 진행하고 있다. 탄소 원자가 육각형으로 2차원 구조를 이루는 물질인 그래핀에 초전도체를 합쳐 나타나는 양자역학적 성질을 이용해 전자소자를 만드는 연구가 대표적이다.

이길호 포스텍 물리학과 교수.

연구실은 지난해 9월 그래핀 조셉슨 접합을 이용해 마이크로파 세기를 이론적 한계인 1초 측정기준 1아토와트(100경분의 1와트) 수준으로 검출하는 초고감도 검출기를 개발해 국제학술지 ‘네이처’에 게재했다. 전자레인지부터 5세대(5G) 이동통신 주파수 등 실생활 곳곳에 쓰이는 마이크로파는 최근 양자컴퓨터 등 양자정보기술에도 활용 가능성이 열리고 있다. 연구팀이 개발한 기술이 소자화된다면 양자컴퓨터 측정방식을 바꿔 양자컴퓨터 개발 분야의 판도를 뒤엎을 것이란 기대다.

수학에서 주로 다루던 위상의 개념이 양자역학으로 확장된 위상양자역학 연구도 진행중이다. 위상학은 연결성이나 연속성과 같은 기하학 성질을 다룬 수학 분야다. 위상물질로 제작한 소자는 양자역학적 특성을 보여 양자역학의 이론을 넓힐 뿐 아니라 응용에도 활용되는 분야로 기대받고 있다. 연구실은 지난해 7월 초전도 소자로 고차원 위상물질 존재를 실험으로 검증해 ‘네이처 머티리얼스’에 발표하면서 위상초전도 현상을 확인할 수 있는 길을 열었다.

연구실은 양자역학을 자유자재로 갖고 노는 양자소자 연구를 통해 기초물리 영역에 있던 양자역학을 응용연구 영역으로 끌어내는 데 집중하고 있다.

양자역학은 양자컴퓨터와 같은 파괴적 기술로 과학기술의 차세대 대표 연구로 꼽히며 구글과 인텔 등 다양한 기업이 너도나도 뛰어들고 있다. 양자소자연구실은 그중에서도 새로운 형태의 양자역학 연구를 추구하고 있다. 양자역학을 자유자재로 갖고 노는 양자소자 연구를 통해 기초물리 영역에 있던 양자역학을 응용연구 영역으로 끌어내는 가교역할을 하겠다는 목표다.

포스텍 양자나노소자 연구실 보러가기 https://youtu.be/3apLaQJi-_g

※대학 연구실은 인류의 미래에 어떤 일들이 펼쳐질지 엿볼 수 있는 창문입니다. 인류 지식의 지평을 넓히는 연구부터 실제 인간의 삶을 편하게 하는 기술 개발까지 다양한 모험과 도전이 펼쳐지고 있습니다.  오늘도 연구실마다 교수와 연구원, 학생들이 머리를 맞대고 열정을 펼치고 있습니다.  연구자 한 명 한 명은 모두 하나하나의 학문입니다.  동아사이언스는 210개에 이르는 연구실을 보유한 포스텍과 함께 누구나 쉽게 연구를 이해할 수 있도록 2분 분량의 연구실 다큐멘터리, 랩큐멘터리를 매주 화요일과 목요일 소개합니다. 

[강석기의 과학카페] 세포고기는 동물고기를 대신할 수 있을까

2021.01.05 17:19

기후변화를 막기 위해선 지구촌 음식 시스템을 바꿔야 한다는 연구결과가 나오고 있지만 동물에게서 나온 육류를 대체하는 것은 쉽지 않다는 지적이다. 언스플래쉬 제공

문제의 원인을 해결하는 대신 우리는 그 문제를 상쇄하기 위해 뭔가를 발명한다.
– 제니 클리먼, ‘AI 시대, 본능의 미래’에서 

최근 수년 사이 지구촌에서 각종 자연재해의 규모와 빈도가 갈수록 커지자 기후변화를 막기 위한 좀 더 적극적인 행동을 촉구하는 목소리가 높아지고 있다. 지구 평균기온을 산업화 이전보다 1.5~2도 상승하는 수준에서 유지하기 위해 여러 나라들이 속속 탄소 중립 로드맵을 제시하고 있고 우리나라도 2050년을 목표로 삼았다. 탄소 중립이란 이산화탄소를 배출한 만큼 흡수해 ‘순 배출량’을 0이 되게 한다는 뜻이다. 

지난해 11월 학술지 ‘사이언스’에는 이 목표를 달성하려면 지구촌의 음식 시스템을 바꿔야 한다는 연구결과가 실렸다. 현재 전체 온실가스 배출량의 무려 30%가 음식과 관련된 활동에서 나오기 때문이다. 음식 관련 온실가스 배출량을 줄이지 못하면 이 목표는 물 건너간 얘기라는 말이다.

영국 옥스퍼드대와 미국 미네소타대 공동 연구자들은 음식을 뺀 나머지 영역에서 2020년부터 온실가스 배출량이 일정하게 줄어 2050년 탄소 중립이 된다는 조건 아래 음식 관련 온실가스 배출량이 미치는 영향을 여러 시나리오에 따라 분석했다. 

이 가운데 식단을 식물성 식재료 위주로 바꾸는 전략이 효과가 가장 큰 것으로 나타났다. 즉 육류섭취량을 현재(하루 122g)의 3분의 1 수준인 하루 43g으로 줄인 식단을 지구촌 사람들 모두가 실천한다면 음식 관련 온실가스 배출량이 절반으로 줄어든다. 이래도 1.5도 이내 목표는 어렵지만 2도 이내는 가능하다. 육식을 줄이는 효과가 얼마나 큰지 알 수 있다.

문제는 이 시나리오가 실현 가능성이 전혀 없어 보인다는 점이다. 현재 육류섭취량이 가파른 증가세에 있기 때문이다. 지난 2018년 발표된 한 논문은 2050년 세계 육류소비량이 지금보다 적게는 62%, 많게는 144% 늘어날 것으로 예측했다. 

지난 12월 2일 싱가포르는 세계 최초로 미국 회사 잇저스트가 만든 배양육 닭고기의 판매를 승인했다. 조만간 싱가포르의 몇몇 고급 레스토랑에서 배양육 요리를 맛볼 수 있을 것이다. 잇저스트 홈페이지 캡처

그런데 최근 육식의 즐거움을 포기하지 않으면서도 2050 탄소 중립을 실현할 수 있는 길을 찾았다는 목소리가 들리고 있다. 배양육(cultured meat)이 우리 식탁에 오를 날이 머지않았다는 것이다. 지난 12월 2일 싱가포르는 세계 최초로 미국 회사 잇저스트(Eat Just)가 만든 배양육 닭고기의 판매를 승인했다. 아마도 올해는 배양육 상용화의 원년이 될 것 같다. 

그래서인지 최근 각종 매체에서 배양육의 장밋빛 미래를 그리는 기사를 내보내고 있다. 고기를 얻기 위해 가축을 키울 필요가 없으므로 환경과 윤리 문제에서 자유롭고 병원체 감염과 항생제 남용도 걱정할 필요가 없다는 것이다. 심지어 배양육을 ‘깨끗한 고기(clean meat)’라고 부르기도 한다. 아직은 가격 경쟁력에서 한참 밀리지만 기술이 좀 더 발전하고 대량생산체계가 갖춰지면 수년 내에 본격적으로 기존 고기를 대체하기 시작할 것이라고 한다.

최근 필자의 옛 직장동료가 “번역한 책이 나왔다”며 한 권 보내줬다. ‘AI 시대, 본능의 미래’라는 제목으로 영국 기자인 제니 클리먼이 현장 취재를 통해 섹스로봇과 배양육, 인공자궁, 자살기계 등 흥미로운 미래기술의 현주소를 생생하게 들려주고 있다. 마침 잘 됐다 싶어 배양육을 다룬 2부 ‘식량의 미래’부터 읽어봤는데, 결론부터 말하면 배양육에 대한 환상을 깨는 내용이었다.

지난 12월 출간된 ‘AI 시대, 본능의 미래’에서는 배양육의 현주소를 비판적인 관점에서 서술하고 있다. 자본 유치를 위해 아직 미성숙한 기술을 성급하게 상용화하려고 한다는 것이다. 교보문고 제공

지난 2013년 네덜란드에서 배양육 패티가 들어있는 햄버거 시식 행사가 화제가 된 이래 배양육에 대해 늘 호의적인 시선을 보내며 상용화를 기다리고 있던 필자로서는 다도 뜻밖이었다. 조만간 싱가포르의 고급 레스토랑에서 배양육 메뉴가 선보일 걸 생각하면 더 그렇다. 원서도 작년에 나온 거라 배양육 기술의 현주소를 반영하지 못했다고 보기도 어렵다. 

책 6장 ‘고기를 사랑하는 채식주의자’에서 저자는 잇저스트를 방문해 연구실을 둘러본 뒤 배양육으로 만든 ‘치킨 너겟’을 맛본 경험을 이렇게 묘사했다.

“계속 씹다 보니 서서히 맛이 역겹다는 게 느껴졌다. 처음에는 익숙한 고기 맛이었다. 촉촉함이 있고, 이에서 동물의 살을 씹는 끈적한 맛이 분명히 느껴졌다. 하지만 내가 상상 가능한 가장 저질 가공식품의 질감이었다.”

더 놀라운 사실은 치킨 너겟의 이런 식감조차 배양육만으로 낼 수는 없다는 것이다. 다음은 잇저스트의 고객서비스책임자와의 대화다.

“너겟에 또 뭐가 들어있나요?”
“저희는 몇 가지 식물성 식품을 혼합하고, 거기에 세포를 추가해요. 세포 외에는 완전히 식물성 너겟이에요.”
“그중에 실제 고기가 얼마나 되죠?”

“어…, 그건 모르겠어요.”

이 방문은 2019년 11월에 이뤄진 것으로 보이는데 1년이 지난 지금은 품질이 많이 나아졌을 것이다. 그럼에도 핵심은 여전하다. 지난달 학술지 ‘네이처’에 실린 기사에 따르면 잇저스트의 닭고기는 배양한 닭 세포 70%에 식물 단백질 30%가 섞인 ‘가공육’이다. 식물 단백질의 역할은 고기에 구조(씹는 맛)와 풍미를 부여하는 것이라고 한다. 

그럼에도 아직은 생산비가 꽤 비싸 접시에 작은 너겟 서너 조각이 담긴 요리가 고급 스테이크 값이 될 것으로 보인다. 동물을 죽이지 않고 얻은 고기를 먹어본다는 ‘경험’의 값이다. 저자는 책에서 “출시는 최초라는 명성을 얻어 더 많은 벤처 자본을 끌어들이기 위한 홍보 활동의 일환”이라며 “깨끗한 고기는 아직 개념을 입증하는 단계”라고 촌평했다.

필자는 얼마 전 한 국내 업체가 출시한 식물고기 패티가 들어간 햄버거(왼쪽)를 먹어봤다. 겉보기도 그럴싸해 무심코 먹으면 식물고기를 쓴 줄 모르겠지만 맛과 향이 너무 강해 먹을수록 물리는 느낌이었고 무엇보다도 가격이 비쌌다. 강석기 제공

마침 지난달 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’에 배양육 관련 리뷰논문이 실려 읽어봤는데, 클리먼처럼 부정적인 입장은 아니지만 “아직 갈 길이 멀다”는 꽤 냉정한 평가가 담겨있었다. 배양육 연구의 권위자인 미국 터프츠대 데이비드 카플란 교수와 동료들은 논문에서 ‘식물고기(plant-based meat)’과 ‘세포고기(cell-based meat)’ 개발의 현주소를 보여주고 있다. 참고로 최근에는 배양육보다 세포고기라는 용어를 선호한다. 이에 따르면 기존 진짜 고기는 ‘동물고기(animal-based meat)’다.

콩과 밀을 기반으로 한 식물고기는 100년 전 상용화됐지만, 수년 전 화제가 된 ‘임파서블 버거’의 패티에 쓰인 2세대 식물고기가 주목을 받고 있다. 즉 1세대가 맛보다는 영양에 초점을 맞췄다면 2세대는 맛까지도 진짜 고기와 구분하기 어렵게 만드는 걸 목표로 하고 있다. 

필자도 최근 국내 한 업체에서 출시한 식물고기 패티를 쓴 햄버거를 먹어봤는데 맛이 꽤 그럴듯했다. 만일 모르고 먹었다면 가짜 고기로 만든 패티일 것이라고는 생각하지 못했을 것이다. 다만 풍미가 꽤 강하고 소스도 너무 달았다. 어쩌면 식물고기 패티의 잡냄새와 잡맛을 가리기 위함인지도 모르겠다. 그럼에도 가격은 동물고기 패티를 쓴 햄버거의 1.5배라 또 사 먹을 일은 없을 것 같다. 

식물고기는 동물고기는 물론 세포고기보다도 친환경적이지만 고기 맛을 재현하는 데 한계가 있다. 그리고 진짜 고기에 가까이 가려고 할수록 더 많은 식품첨가물을 넣어야 하고 가공과정도 복잡해져 건강과 환경 영향평가에서 점수가 떨어지게 된다는 구조적인 문제가 있다. 세포고기로 눈을 돌리는 이유다.

현재 세포고기가 진정으로 상용화되는데 걸림돌은 크게 두 가지다. 먼저 생산비로 특히 배양액이 아직은 너무 비싸다. 원래 세포 배양에는 소태아혈청을 쓰는데, 자체가 비쌀 뿐 아니라 동물에서 얻어야 하므로 세포고기의 ‘철학’과 맞지 않는다. 따라서 잇저스트를 비롯한 회사들은 식물에 기반한 배양액을 개발하고 있지만 역시 너무 비싸 아직은 갈 길이 멀다. 또 세포 분열과 분화를 지시하는 성장인자는 동물의 유전자를 미생물에 넣어 생산하게 한 뒤 추출해 섞어줘야 하므로 문제가 될 수도 있다.

다음으로 진짜 고기 같은 질감을 갖게 만드는 과제다. 아직은 치긴 너겟이나 햄버거 패티처럼 ‘질감의 상당 부분이 파괴된’ 간 고기의 ‘질감’을 어설프게 재현할 수 있을 뿐이다. 즉 배양으로 증식한 근육세포들이 합쳐져 근섬유를 만들고 이게 다시 서로 합쳐져 근육을 형성하고 이 사이사이에 지방조직이 결합해야 ‘마블링’이 근사한 꽃등심이 나오는데 아직은 먼 얘기다.

그래도 질감 연구가 최근 꽤 발전하고 있다. 지난해 4월 학술지 ‘네이처 음식’에 실린 논문에서 세포고기 질감 연구의 최전선을 엿볼 수 있다. 이스라엘 테크니온공대 슐라미트 레벤버그 교수팀은 조직콩단백질을 틀로 이용해 세포고기를 배양하면 질감을 크게 개선할 수 있음을 발견했다. 

1960년대 개발된 조직콩단백질(textured soy protein)은 콩기름을 짜고 남은 찌꺼기(단백질 함량이 50%가 넘는다)를 가공해 만든 다공성 식재료로 1세대 식물고기의 재료로 널리 쓰이고 있다. 우리나라가 가난했던 필자의 어린 시절 몇 번 먹어봤던 ‘콩고기’가 바로 조직콩단백질로 만든 것이다.

연구자들은 조직콩단백질의 내부 공간에 소의 근육위성세포(근육줄기세포)를 단독 배양하는 것보다 평활근세포와 함께 배양할 때 세포들이 합쳐져 근관세포(myotube)로 바뀌는 비율이 더 높고 세포 사이를 연결해주는 물질도 더 많이 분비된다는 사실을 알아냈다. 그 결과 세포고기의 기계적 강도는 진짜 근육과 비슷했다. 이렇게 얻은 세포고기를 구운 미니 스테이크는 동물고기의 풍미와 식감이 느껴져 틀만 구운 콩고기 스테이크와 차이가 뚜렷했다.

지난해 이스라엘 테크니온공대 연구자들은 다공성인 조직콩단백질(콩고기) 틀(왼쪽)에 소의 근육줄기세포와 평활근세포를 배양하면 질감이 진짜 근육과 비슷한 세포고기를 얻을 수 있음을 발견했다(오른쪽). 이를 기반으로 한 세포고기 스테이크가 조만간 선보이지 않을까. ‘네이처 음식’ 제공

영양의 관점에서도 세포고기는 동물고기와 같지 않다. 예를 들어 세포고기만 먹는다면 완전 채식주의자와 마찬가지로 비타민B12를 보충제로 섭취해야 한다. 비타민B12는 동물의 장에 거주하는 미생물이 만들기 때문에 세포고기에는 존재하지 않기 때문이다.

한편 세포고기는 처음 주장한 것만큼 친환경적인 방법은 아닌 것으로 드러났다. 대규모 생산이 이뤄지더라도 배양기 등 각종 설비를 가동하는 데 들어가는 에너지가 같은 양의 소고기를 얻을 때보다도 더 많은 것으로 분석됐다. 온실가스 배출량도 소고기보다는 적지만 돼지고기나 닭고기보다는 많다. 

사실 육식이 일으키는 환경 문제의 90%는 소고기에서 비롯되므로 환경 때문에 육식이 꺼려진다면 소고기를 자제하면 된다. 결국 세포고기의 가장 큰 존재 이유는 동물을 밀집사육으로 괴롭히지 않거나 도축으로 죽이지 않아도 된다는 도덕적인 측면에 있다는 말이다. 

고기의 유형별 환경 영향을 비교한 그래프다. 에너지 소비, 온실가스 배출, 하천 부영양화, 토지 이용 등 네 항목에서 소고기를 1로 했을 때 상대적인 영향을 평가했다. 환경의 측면서 보면 소고기만 식물고기나 세포고기가 뚜렷한 존재 이유가 있다. 아래 왼쪽부터 소고기, 돼지고기, 닭고기, 식물고기, 버섯고기, 세포고기다. ‘네이처 커뮤니케이션스’ 제공

이런 난관을 극복하고 세포고기가 경쟁력을 갖게 된다면 과연 동물고기를 대체할 수 있을까. 예를 들어 미국의 컨설팅 회사 커니는 2040년 세포고기의 비율이 35%에 이를 것이라고 예측했다. 필자도 막연히 그럴 거라 여겼지만 ‘AI 시대, 본능의 미래’를 읽고 나서 곰곰이 생각해보니 그럴 가능성이 희박할 것 같다.

아무리 기술이 발달하더라도 식물고기는 가짜이고 세포고기도 진짜라고 보기 어렵다. 불교도처럼 종교적 부담감이 있거나 동물이 희생되는데 죄책감을 느끼지 않는 한 같은 값에 진짜 대신 가짜를 택할 사람이 얼마나 될까. 처음에야 호기심이나 희소성에 몇 번 먹어보겠지만 다시 동물고기를 찾게 될 것이다.

아마도 극심한 기후변화나 동물복지농장 의무화로 생산비가 급등하거나 엄청난 탄소세가 붙어(특히 소고기의 경우) 동물고기 가격이 가계에 부담스러울 정도로 비싼 경우에만 차선책으로 세포고기나 식물고기를 먹지 않을까. 필자가 어렸을 때 서민들은 명절이나 생일 같은 특별한 날에만 소고기를 먹었다. 2050년 서민들 역시 1년에 몇 번만 진짜 소고기를 맛볼 수 있지 않을까. 물론 선조들과는 달리 평소에는 저렴한 가짜 소고기를 즐겨 먹겠지만.

흥미롭게도 리뷰 논문에서 저자들 역시 비슷한 관점을 보였다. 식물고기와 세포고기가 성공하더라도 동물고기 생산에 영향을 줄 수 있을 뿐 대신할 수는 없다는 것이다. 저자들은 “식물고기와 세포고기는 밀집사육되는 동물고기가 차지하고 있는 저가 시장에 들어갈 것이고 고급 육류 수요는 소규모 동물복지농장에서 생산된 동물고기가 맡게 될 것”이라고 전망했다.
 
궁극적으로 식물고기나 세포고기는 육류를 좋아하지만 밀집사육되는 가축의 고통에 민감한 미래의 서민을 위한 착한 기술이 될 거라는 말이다.

세포고기는 처음 한동안은 고급 레스토랑에서만 맛볼 수 있는 별미겠지만 결국은 동물복지에 민감한 사람들이나 서민들을 위한 차선책이 될 것이다. 다만 축산업에 구조조정을 불러와 밀집사육은 줄고 동물복지농장 비율이 늘어난 것이다. 고급 육류 시장은 여전히 동물고기의 몫이 될 거라는 말이다. 국내 동물복지농장의 모습이다. 전남도 제공

※필자소개

강석기 LG생활건강연구소에서 연구원으로 일했다. 2000년부터 2012년까지 동아사이언스에서 기자로 일했다. 2012년 9월부터 프리랜서 작가로 활동하고 있다. 직접 쓴 책으로 《강석기의 과학카페(1~9권)》,《생명과학의 기원을 찾아서》가 있다. 번역서로는 《반물질》, 《가슴이야기》, 《프루프: 술의 과학》을 썼다.

[표지로 읽는 과학] 머신러닝, 원자의 속살을 드러내다

2021.01.09 06:00

네이처 제공

하늘을 밝히는 무수히 많은 별일까. 아니면 가을 산을 물들인 낙엽일까. 사실 비정질(amorphous) 실리콘의 원자다. 비정질 실리콘은 원자 배치가 불규칙하게 배열된 상태의 실리콘을 말한다. 일반적으로 고체 상태에서는 원자 배열이 규칙적인 결정 구조를 갖지만, 비정질 실리콘은 정해진 형태가 없이 원자가 무질서하게 연결돼 있다. 

비정질 실리콘은 디스플레이용 박막트랜지스터(TFT)로 액정표시장치(LCD)에 많이 쓰이고 있다. 비정질 실리콘으로 박막트랜지스터를 만들면 공정이 단순하고 수율도 높아서다. 

그런데 한 가지 단점이 있다. 비정질 실리콘은 실리콘 원자가 무질서하게 배열돼 전자 이동 속도를 높이는 데 한계가 있다. 전자 이동 속도가 느리면 신호의 전송 속도가 낮아지고, 결국 LCD의 해상도가 떨어진다. 

과학자들은 온도와 압력에 따라 실리콘 원자 구조가 어떻게 변하는지 알기 위해 많은 연구를 진행해왔다. 실리콘 원자 구조에 따라 반도체 품질이 결정되기 때문이다. 비정질 실리콘에 온도나 압력을 가해 원자 구조를 정돈해 재결정화 시켜 해상도를 끌어올리는 등 그간 다양한 기술이 고안됐다.

지난해 독일 연구팀은 베를린에 있는 방사광가속기(BESSY II)에서 X선과 중성자 산란법을 이용해 비정질 실리콘의 원자 구조를 0.8nm(나노미터·1nm는 10억 분의 1m) 해상도로 촬영하는 데 성공했다. 하지만 원자의 상태를 촬영할 수는 있었지만 원자의 구조가 변하는 과정을 관측하기에는 한계가 있었다. 

최근에는 양자컴퓨터의 뛰어난 연산 능력을 이용해 비정질 실리콘이 어떤 상태 변화를 거치는지 확인하려는 시도가 이어지고 있다. 다만 현재 기술 수준에서는 연산해야 할 원자 개수가 많아지면 연산 시간이 오래 걸리고, 연산 시간을 짧게 하면 원자 개수가 줄어 정확도가 떨어지는 단점이 있다.    

보커 데링어 영국 옥스퍼드대 무기화학연구실 교수가 이끄는 연구팀은 새로운 기법을 고안했다. 인공지능(AI)의 하나인 기계학습 모델을 도입해 압력에 따라 실리콘 원자 구조가 어떻게 변하는지 컴퓨터로 시뮬레이션한 것이다. 

연구팀은 이 방법으로 절대온도(K) 500도인 원자 10만 개로 이뤄진 비정질 실리콘에 13.5기가파스칼(GPa)부터 20GPa까지 서서히 압력을 높일 때 원자 구조가 어떻게 바뀌는지 확인하는 데 처음으로 성공했다. 비정질 실리콘 원자 512개와 4096개에 기계학습 모델을 적용한 파일럿 테스트에서 정확도가 확인되자 이번에 10만 개로 원자 개수를 대폭 늘렸다. 

시뮬레이션 결과 비정질 실리콘은 세 단계에 걸쳐 원자 구조에서 변화를 일으켰다. 특히 20GPa까지 압력이 증가하면 비정질 실리콘에 결정화가 일어나 원래 부피의 25% 수준으로 줄어들었다. 이는 실험 결과와도 일치했다. 연구팀은 이 같은 비정질 실리콘의 상태 변화를 피코초(ps·1ps는 1조 분의 1초) 단위로 확인했다. 

연구팀은 이 결과를 활용하면 비정질 실리콘을 도핑(불순물을 소량 첨가해 물성을 바꾸는 공정)할 때 금속이나 반도체 물질을 넣을 나노 구조를 효율적으로 설계해 데이터 처리 속도를 높일 수 있을 것으로 기대했다.

특히 지금까지 실험에서 확인되지 않았던 새로운 원자 구조를 미리 예측하고 발견할 수 있을 것으로 전망했다. 연구팀은 논문에서 “이 기법은 양자 수준의 구조와 안정성, 물성을 밝혀낼 뿐만 아니라 아직 확인되지 않은 현상을 보여줄 것”이라고 기대했다. 

연구 결과는 ‘네이처’ 1월 6일자 표지논문으로 실렸다. 

[박진영의 사회심리학] 새해 목표를 이루기 위한 ‘바람직한 습관’

2021.01.09 06:00

목표달성에 필요한 어떤 행동이 자동적으로 튀어나오게 만드려면 많은 시간을 들여 여러번 반복하는 것이 중요하다. 게티이미지뱅크 제공

학자들은 우리가 하는 행동들의 대다수가 사고 과정을 거치지 않은 ‘자동적’ 과정이라고 본다. 예컨대 아침에 일어나서 세수를하고 이빨을 닦고 옷을 입고 집을 나서는 일련의 과정은 굳이 뇌를 사용하지 않더라도, 반쯤 자고 있는 상태에서도 해낼 수 있다. 매일 아침마다 ‘세수는 어떻게 하는 걸까’ ‘이빨은 어떻게 닦는걸까’ 같은 생각을 하는 사람은 없을 것이다. 

이렇게 상당기간 ‘반복적’인 행동을 통해 생각 없이 자동적으로 일어나는 행동을 ‘습관’이라고 한다. 아침마다 커피를 마신지 수년 째, 지하철에서 책을 봐 버릇한지 수년 째, 집에 오면 바로 TV부터 켜는 습관 등 너무 자주 한 나머지 몸에 배어 특별한 이유가 없다면 자동적으로 하게 되는 행동들을 말한다. 

새해 목표를 달성하지 못하는 데에는 다양한 이유가 있다. 우선, 새해의 나는 작년의 나와 단절된 새로운 존재일 거라는 생각에 그동안 이루지 못했던 어려운 목표를 설정한다는 것이 문제다. 또한 어려운 만큼 새해 목표를 지키는 데에는 많은 자기통제력 또는 의지력이 필요하다는 것도 실패 가능성을 높인다. 자기통제력이나 의지력은 마치 게임으로 치면 자원 소모가 매우 큰 필살기 같은 존재여서 그 사용 횟수가 제한되어 있기 때문이다. 즉 아무 때나 펑펑 쓸 수 있는 게 아니라는 것이다. 

이런 이유로 많은 학자들이 ‘바람직한 습관’의 힘에 주목한다. 오랜 기간 동안 반복을 통해 원하는 행동을 습관으로 만들어 두면 힘들게 자신과 싸우지 않아도, 즉 피곤하게 뇌와 정신적 에너지를 사용하지 않아도 자동적으로 행동이 튀어나오기 때문이다. 목표 달성이라는 지난한 과정을 자동화 함으로써 가급적 ‘덜 힘들게’ 만들어 달성 가능성을 높이는 것이 핵심이다. 바람직한 습관, 어떻게 하면 만들 수 있을까? 
 
시간과 반복

다들 알고있겠지만, 우선 어떤 행동이 자동적으로 튀어나오게 만드려면 많은 시간을 들여 여러번 반복하는 것이 중요하다. 식후 산책하는 습관 들이기, 매일 신선한 과일과 야채를 먹는 습관 들이기 같이 비교적 간단한 행동들은 약 2~3달 동안 매일 반복하면 습관이 되는 것으로 알려져 있다. 

하지만 이보다 복잡한 행동들, 예컨대 아침에 일찍 일어나서 조깅하기 같은 것들이 습관이 되려면 더 오랜 시간과 더 많은 반복이 필요하다. 하지만 다행히도 서던 캘리포니아 대학의 심리학자 웬디 우드에 의하면 습관이란 ‘기억 시스템’이다. 즉 어떤 습관의 회로가 생기는 데에는 많은 시간이 걸리지만 그만큼 한 번 자리잡으면 잘 없어지지도 않는다. 새로운 습관을 들이려고 노력하는 초반은 매우 힘들지만 조금씩 익숙해지고 나면 언제그랬냐는 듯 편해진다는 얘기다. 

의지보다 보상

이렇게 난이도가 높은 습관을 들이려고 할 때, 많은 사람들이 이 목표를 달성해야 하는 이유, 목표의 중요성 등을 되새기거나 ‘나는 할 수 있다!’ 같은 다짐을 하곤 한다. 하지만 안타깝게도 목표의 중요성을 되새기거나 의지를 다지는 행동은 크게 도움이 되지 않는 편이다. 목표 달성의 중요성을 ‘몰라서’ 못 하는 것이 아니라, 해야 한다는 것을 알지만 하기 싫고 힘들어서 안 하는 경우가 훨씬 더 많기 때문이다. 

따라서 우드에 의하면 정신적 무장보다는 무거운 몸을 움직이게끔 만드는 유인 또는 ‘보상’을 통해 행동을 조금이나마 즐겁게 만드는 것이 더 효과적이다. 예컨대 조깅의 경우 아무데서나 대충 달리기보다 좋아하는 음악을 들으면서 좋아하는 장소에서 달린다든가, 목표치에 도달하면 특별히 맛있는 음식을 먹으러가는 등의 보상을 마련할 수 있겠다. 즐거운 게임의 형태를 통해 학습 또는 운동을 하는 것도 좋은 방법이다. 조금이나마 어떤 행동을 하고싶게 만드는 것이 핵심이다. 

장애물 제거

또한 바람직한 행동을 하기까지의 과정에서 만나게 되는 장애물 또는 마찰을 줄이는 것도 중요하다. 예컨대 한 연구에 의하면 헬스장에 등록한 사람들의 경우 헬스장의 위치가 가까울수록 더 방문 빈도가 잦았고 위치가 멀수록 방문 빈도가 급격히 줄어드는 경향을 보인다고 한다. 특히 헬스장이 8km 이상 거리에 있으면 일주일에 한 번 갈까말까 하는 경향이 나타났다고 한다. 

이 외에도 건강한 식습관을 들이고 싶다면 불량식품은 손이 잘 닿지 않는 곳에 넣어 두는 대신 과일이나 야채를 눈에 잘 띄는 곳에 두거나, 손질이 귀찮아서 과일과 채소를 먹지 않는 것이라면 이미 어느 정도 손질된 것들을 사는 것도 한 가지 방법이다. 요는 행동을 방해하는 ‘장애물’을 가급적 없애야 한다는 것이다. 

나의 경우 오래 앉아있으면 허리와 어깨가 아프다는 점이 집중해서 일하는 행동을 방해해서 무엇보다 가장 편안한 자세로 일할 수 있는 환경을 만드는 것에 많은 노력을 기울이고 있다. 다양한 의자와 올바른 자세를 잡아주는 쿠션이나 지지대 등을 시험 중이다. 몸이 불편해진다는 장애물을 제거해서 한 번 앉으면 적어도 몇 시간은 집중해서 일하는 습관을 들이는 것이 목표다. 

의외로 많은 학자들이 사람들에게 목표를 정말 달성하고 싶다면 의지력의 신화에 기대기보다 “당신의 의지력을 믿지 말라”고 조언한다. 자신과 싸우서 이기는 게 한 두 번이라면 가능하지만 이런 초인적인 능력을 매일매일 발휘하기란 불가능하기 때문이다. 지나치게 자신과 싸우려 들다 보면 금방 지쳐 목표고 뭐고 다 포기하기 십상이다. 꼭 달성하고 싶은 목표가 있다면 그 과정을 가급적 쉽고(뇌를 사용하지 않아도 되게끔 자동화 시키기) 재미있게(활동 자체를 즐겁게 만들거나 충분한 보상 곁들이기) 만들어야 한다는 점 기억해보자. 

※참고자료
-Ouellette, J. A., & Wood, W. (1998). Habit and intention in everyday life: The multiple processes by which past behavior predicts future behavior. Psychological Bulletin, 124, 54–74.
-Wood, W., Tam, L., & Witt, M. G. (2005). Changing circumstances, disrupting habits. Journal of Personality and Social Psychology, 88, 918–933.

※필자소개

박진영 《나, 지금 이대로 괜찮은 사람》, 《나를 사랑하지 않는 나에게》를 썼다. 삶에 도움이 되는 심리학 연구를 알기 쉽고 공감 가게 풀어낸 책을 통해 독자들과 꾸준히 소통하고 있다. 온라인에서 지뇽뇽이라는 필명으로 활동하고 있다. 현재는 미국 노스캐롤라이나대에서 자기 자신에게 친절해지는 법과 겸손, 마음 챙김에 대한 연구를 하고 있다.