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재미있는 과학 이야기
"화학이 들려주는 상식여행: 프로야구 왜? 나무 방망이를 쓰나" [동아일보 출판국 1998] 진정일 저.

1. 물은 45억년전 화산활동으로부터 탄생되었다?

냉장고에서 꺼내 마시는 시원한 생수 한잔은 아침 기분을 특히 상쾌하게 해 준다．아침 약수터에서 갓 받아온 생수는 먼 수원지로부터 끌어와 수도국에서 처리를 거친 후 수도관을 통해 집까지 오르느라고 많은 시간을 소비한 늙은 수돗물에 비해 얼마나 젊고 싱싱한가!
우리들이 마시는 물에는 젊은 물이 있고 늙은 물이 있을까? 남극 빙하의 얼음과 물은 몇 살이나 되었을까? 이에 대한 답은 의외로 간단하다. 우리가 마시는 물은 어리지도 않고 젊지도 않다. 젊기는 커녕 나이를 먹어도 너무 먹었다. 약수터의 생수나 독속에서 묵은 빗물 등 지상의 모든 물과 얼음은 지금으로부터 약45억년 전쯤에 화산 활동으로 내부에 있던 뜨거운 기체가 분출되면서…(생략)

2. 밤에는 모든 것이 흑백으로 보이는 까닭.

3. 식은 밥은 왜 맛이 없지?

4. 지구의 옷 - 오존

5. 지방과 기름의 차이

6. 프로야구! 왜 나무방망이를 쓰나?

며 그 속을 흐르는 피의 대부분(70～80%)도 물이 차지하고 있다.우리는 몸에 갖고 있는 물의 2%만 잃어도 갈증을 크게 느끼게되며 갑자기 7%정도를 잃으면 혈액순환이 멎고 죽게된다.
우리 모두 45억년 된 장수의 물을 매일 열심히 마시면 45억년의 생명력이 우리들로 하여금 장수를 누릴 수 있게 하지 않을까?




2. 밤에는 모든 것이 흑백으로 보이는 까닭.

어두운 밤에 천연색을 볼 수 있을까．깜깜한 밤중에 본 가로수 잎은 녹색이었을까 아니면 까만 색이었을까．담위로 뽐내며 활짝 핀 장미꽃은 정말 빨간 색으로 보였을까．답은 간단하다．
어둠속에서는 우리 눈이 색깔을 식별하는 능력을 잃어버리고 나뭇잎 이든 장미꽃이든 그저 오래된 흑백 ＴＶ로 본 어두운 회색으로 느끼기 때문이다．왜 그럴까．
우리 망막은 원추형인 추체와 막대형인 간상체에서 빛을 받아들인다． 추체는 천연색에 민감하지만 약한 빛에는 무력한 반면 간상체는 색깔은 구별할 줄 모르지만 매우 약한 빛도 볼 수 있다．따라서 해가 지고 어두워지면 추체는 색깔 감지능력을 잃게 되고 간상체가 야간시력을 맡는다．
우리가 정말 야간에 색깔을 구별할 수 있는지 실험해 보기는 그리 쉬운 일이 아니다．우리가 머릿속에 기억하고 있는 색깔을 마치 보고 있는 물체에서 실제로 느끼고 있는 것처럼 착각하기 때문이다．야간물체는 흑백으로 보이는데도…．
야간시력에 대해 믿지 못할 이야기가 더 있다． 우리가 어둠 속에서 어느 대상을 될 수 있는 대로 자세히 보려고 할 때는 우리도 모르게 약간 눈동자를 옆으로 돌려 쳐다본다는 사실이다．왜 그럴까．이는 약한 빛에 민감한 간상체가 우리 망막의 가운데보다는 약간 옆쪽에 많기 때문이다．
간상체에는 로돕신이란 적자색 색소가 들어 있으며 이 색소는 상상을 초월할 정도로 빛에 민감하다．일반 회중전등이 １초에 약 ２×（１０억의 １０억배）개의 광자를 발산하는데 우리 망막 간상체는 １백개 광자만 있어도 빛을 식별할수 있으니 그 감도에 그저 놀랄 뿐이다．
로돕신을 이루고 있는 시스―레티날이라는 화학구조가 빛을 받으면 트란스―레티날로 변하는 이성질체화가 일어나면서 신경자극을 만들고 이 신경자극은 곧 우리 뇌에 전달되어 시력이 느껴지게 된다． 현재 추체보다는 간상체에 관해 더 많이 알고 있으나 아직도 어떻게 신경자극이 생기는지 등에 관해서는 모르는 점이 많다． 우리 몸이 시스―레티날을 만들 때 비타민Ａ를 사용하기 때문에 비타민 Ａ는 우리에게 필수적인 영양소이며 비타민Ａ의 결핍은 야맹증을 유발한다． 흔히 당근을 먹으면 눈에 좋다고 한다．
이는 당근에 들어있는 주황색 베타카로틴이 우리 몸속에서 비타민Ａ로 변하기 때문이다．녹색 노란색 야채와 함께 주황색 야채도 꼭 섭취하는 것이 영양학적으로 좋다고 하는 까닭은 바로 우리 모두의 시력을 보호하기 위함이다． 초롱초롱한 눈망울은 누구나 갖고 싶은 매력이 아닌가．




3. 식은 밥은 왜 맛이 없지?

밥을 짓기 위해서는 쌀에 물을 붓고 알맞게 끓여야 한다．그러면 무슨 변화가 일어나 밥의 맛을 내는 것일까．
우선 쌀에 들어 있는 녹말 성분을 살펴 보자． 쌀은 주로 아밀로 오스와 아밀로펙틴 분자로 이루어져 있다．이들을 합쳐 녹말 또는 전분이라고 부른다．아밀로오스에서는 글루코오스（포도당）가 ２백개 이상 결합한 것으로 선형이다．이에 비해 아밀로펙틴은 글루코오스가 １천개 이상이 가지를 친 구조를 만들고 있다．
우리나라 쌀 녹말에는 아밀로오스가 약 ２０％ 들어있고 나머지는 아밀로펙틴이다．찹쌀에는 주로 아밀로펙틴만 들어 있다．
쌀속에 들어 있는 녹말은 베타 녹말 상태며 이것은 긴 아밀로오스와 아밀로펙틴 사슬이 규칙적으로 밀집해 있는 결정구조를 가진다．여기에 물을 붓고 끓이면 물분자가 녹말 사슬 사이로 파고 들어가 밀집 구조를 파괴하여 불규칙하고 느슨한 구조가 된다．
따라서 밥을 지으면 부피가 대략 ２배로 늘어난다．이처럼 물분자가 녹말 사이에 들어가 있는 상태를 알파 녹말이라고 부른다．따라서 알파 녹말（밥）은 베타 녹말보다 부드러우며 씹기도 쉽고 우리 혀가 맛있다고 느낀다．이처럼 느슨한 구조가 되면 소화액이 스며들기 쉬워 소화도 잘 된다．
찹쌀의 녹말은 주로 가지 친 분자 구조를 지니는 아밀로펙틴으로만 되어 있기 때문에 밥을 지으면 이 가지 구조가 훨씬 더 엉키게 되고 이른바 찰기를 띠게 된다．
그러면 왜 식은 밥은 갓 지은 밥에 비해 맛이 떨어질까．알파 녹말 상태의 밥이 물을 잃어버리면서 점차로 베타 녹말로 변하기 때문이다．이 변화를 우리는 밥의 노화현상이라 부른다．섭씨 ０도 근처에서 물의 함량이 ３０～６０％일 때 이 변화가 가장 빠르게 일어난다．
물분자가 달아나면서 녹말 분자가 다시 결합하도록 도와주므로 이를 방지해야 밥의 노화를 막을 수 있다．밥속에 있는 물이 증발하지 않도록 밀폐된 용기 속에서 따뜻하게 보관하면 밥의 맛을 비교적 오랫동안 유지할 수 있다．보온밥통이 그래서 만들어진 것이다．


4. 지구의 옷 - 오존

오존 기체는 공기중에 １ＰＰＭ만 포함되어 있어도 목이 아프고 호흡기를 자극해 기침이 나며 피로감을 줄 정도로 독성이 크다．농도가 더 높아지면 사람의 목숨도 빼앗을 수 있다．
그런데 요즘은 남극 상공의 오존층에 구멍이 생겼고 그 구멍이 점점 커지고 있다고 세계가 떠들썩하다．무엇 때문에 성층권에 있는 이같은 해로운 오존층의 감소를 전세계가 걱정하고 있을까．
지상 약 １０～５０㎞ 거리에 지구를 에워싸고 있는 대기층을 성층권이라 부르며 이 성층권은 오존을 평균적으로 약 １０ＰＰＭ정도 포함하고 있다．이 오존층은 놀랍게도 태양으로부터 오는 강렬한 자외선을 ９９％ 정도나 흡수하여 지구상의 인간 동물 및 식물의 생명을 보호하는 경이로운 보호막 노릇을 하고 있다．이 오존층이 없다면 태양으로부터 강력한 자외선이 직접 지표로까지 와 우리 피부에 닿음으로써 피부암을 부르고 자연 생태계에 중대한 영향을 미친다．
그러면 이 오존층은 어떻게 생겨나며 또 어떻게 강한 자외선으로부터 우리들을 보호할까．
오존은 성층권보다 더 먼 상층권에 있는 산소분자들이 태양으로부터 오는 강한 자외선 에너지를 흡수해 산소원자로 분해된 뒤 성층권으로 내려와 그곳에 있는 산소분자와 결합해 만들어진다고 알려져 있다．
이렇게 만들어진 오존분자는 자외선을 매우 잘 흡수하며，다시 산소 분자와 산소원자를 만든다．
다행히 이 과정은 계속 되풀이되는 가역반응이다．매일 성층권에서는 ３억ｔ의 오존이 생성되며 동시에 같은 양의 오존이 자외선으로 인해 파괴된다．
그러나 문제는 １９７０년 이후 오존층의 오존함량이 계속 감소하고 있다는 점이다． 한 예로 북위 ４５도 상공 성층권의 오존양이 １０년에 약 ２～３％씩 줄고 있다．
오존의 감소는 우리가 냉동제 분무제 발포제로 써온 클로로플루오르탄소（ＣＦＣ）류와 이와 비슷한 할론이 원흉으로 지목되고 있다．흔히 프레온가스라고 알려져 있는 ＣＦＣ분자들은 지상에서는 분해되지 않고 오존층에까지 침투한다．그곳에서 강한 자외선을 받아 분해되어 염소원자를 만들어낸다．
이렇게 해서 생긴 염소원자는 오존과 쉽게 연쇄반응을 한다． 연구 결과에 따르면 성층권에서 생긴 염소원자가 대기권으로 다시 돌아오기 전에 오존분자 １０만개를 분해할 수 있다고 한다．
지금과 같은 속도로 오존층이 계속 파괴된다면 ２０７５년에는 인류의 １５％ 이상이 태양으로부터 오는 강한 자외선을 쬐게돼 피부암을 앓게 될 것이라고 미국환경보호청이 경고하고 있을 정도다．
선진국에서는 이미 ２０００년 이후에는 ＣＦＣ의 사용을 일절 금지 하기로 결정했다．이제 우리 모두 「보이지 않는 보호막」 오존층의 고마움을 깨우쳐야겠다．


5. 지방과 기름의 차이

우리는 종종 동물성 지방은 나쁘고 식물성 기름은 괜찮다는 말을 듣는다．또 한편에서는 동물성 지방은 포화지방산 유도체인데 반하여 식물성 기름은 불포화지방산 유도체라고도 한다．
그러나 지방과 기름은 화학적 구조에 따라서 구분하는 것이 아니라 실온에서 고체상태로 있는지 혹은 액체상태로 있는지에 따라서 지방과 기름으로 분류한다．
지방과 기름은 다함께 지방산과 글리세롤의 에스테르（트리글리세리드）이며 지방산의 구조에 따라 성질이 변한다．지방산에 있는 탄소­탄소결합이 단일결합으로 되어있을 때는 포화지방산이라고 한다． 탄소­탄소결합이 이중결합（또는 불포화결합）으로 된 부분이 있을때는 불포화 지방산이라 부른다．
동물성 지방의 대표격인 우지는 포화지방산과 불포화지방산을 대략 ５０대５０으로 포함하고 있으며 가장 좋은 식물성 기름으로 알고 있는 옥수수기름도 포화지방산을 １５％정도나 포함하고 있다．정어리 기름은 불포화지방산을 ６０％이상 함유하고 있다．따라서 동물성 지방은 포화지방산 유도체이고 식물성 기름은 불포화 지방산 유도체라고 생각하는 것은 크게 잘못된 것이다．
그러면 지방은 우리몸에 어떠한 영향을 미칠까．그 답은 그리 간 단하지 않다． 우선 두가지 점을 고려해야 한다． 첫째，동물성 지방에는 콜레스테롤이 함께 들어있다． 둘째， 우리 체내의 콜레스테롤은 우리 몸이 주로 만든 것이며 음식물로부터 흡수된 것은 일부에 지나지 않는다．인체의 거의 모든 조직이 콜레스테롤을 합성한다．주로 간이 섭취한 포화 지방산을 이용하여 콜레스테롤을 제조한다． 따라서 동물성 지방이 많이 들어있는 음식물을 섭취하면 이래저래 핏속의 콜레스테롤 수치를 높이는 결과를 가져온다．그러므로 동물성 지방을 과다하게 섭취하면 동맥경화를 부른다．
그러면 지방은 우리에게 해롭기만 한 것일까．
그렇지 않다．인체는 섭취한 영양분을 탄수화물과 단백질에 비해 에너지 밀도가 훨씬 큰 지방으로 저장한다．그렇기 때문에 한끼를 거르거나 긴 잠을 자고 나서도 기운이 남아있으며 맥박도 뛰는 것이다．
또한 지방에는 여러 물질들이 녹아있어 음식물을 맛있게 느끼게 한다．음식물로부터 섭취한 비타민 Ａ，Ｄ，Ｅ 및 Ｋ는 지방에 실려 우리몸 조직에 운반된다． 우리 몸은 또한 섭취한 지방산을 이용하여 프로스타글란딘을 합성한다．프로스타글란딘은 △아픈 감각의 전달 △발열 △염증에 따른 종기 발생에 관여하는 물질이다． 따라서 지방과 기름은 우리의 생명 건강 및 안녕에 매우 중요하다．그러나 너무 많이 섭취하면 위에서 말한대로 부작용을 일으킬 수 있다．지방은 섭취하는 전체 칼로리의 ３０％ 이상을 넘지 않는게 좋다.


6. 프로야구! 왜 나무방망이를 쓰나?

야구에서 타자가 시속１백５０㎞ 이상의 빠른 속도로 달려오는 야구 공을 정확히 때려 그려내는 포물선은 기분을 호쾌하게 한다． 타자가 들고 있는 이 야구 방망이는 무엇으로 만들까．알고 보면 야구방망이에도 여러 이야기가 얽혀 있다．
현재 프로선수들이 사용하는 방망이는 지난 １백１０여년간 사용해온 서양 물푸레나무（북미산）와 백목（일본 북해도산）으로 주로 만든다．요즘 연습용과 아마추어용으로는 알루미늄 방망이가 널리 쓰이고 있다． 그러나 프로야구계에서는 지금까지 세워진 역대 기록과 새로운 기록을 공평하게 평가한다는 명목 아래 예전부터 사용해온 목재 방망이만 사용하고 있다．그 이면에는 무시못할 까닭이 있다． 알루미늄 방망이는 가볍고 부러지지 않아 아마추어 선수들이 사용하기 편하지만 프로선수가 사용하면 가볍기 때문에 스윙 속도가 빨라 타격된 공이 너무 빠르게 날아가게 된다．그러면 투수가 피하거나 글러브로 막을 시간이 충분치 않아 생명을 위협할 수 있다．또 프로선수가 알루미늄 방망이로 라이너성 파울볼을 치면 스탠드에 있는 관객까지도 매우 위험하게 된다．
야구방망이 재료는 나무나 알루미늄외에도 많다．아마추어 야구선수나 소프트볼 선수는 복합재료로 만든 방망이를 많이 사용한다．이 복합재료는 원래 고성능 비행기 날개를 만들기 위해 개발한 것이다．이 재료는 플라스틱을 섬유로 강화시킨 ＦＲＰ에 해당한다．이 복합재료 방망이는 나무보다 가볍지만 강하며 나무방망이로 칠 때와 비슷한 소리가 난다．이 방망이는 평생 사용할 수 있는 대신 방망이 하나가 ４０만～５０만원이나 되어 비싼 게 흠이다．
이 ＦＲＰ 방망이는 １９７０년대에 등장한 후 １９８４년부터 일본에서는 소프트볼용으로 인정하기 시작했다．미국에서는 고등학교 야구 경기 등에 사용하고 있다．
밀도가 낮은 나무로 야구 방망이를 만들 때는 플라스틱을 녹여 나무속에 주입해 나무를 강화하기도 한다．이 방망이는 탄력이 너무 좋기 때문에 ９０년이후 프로야구 경기에서는 사용이 금지됐다．
야구방망이로 공을 때릴 때 １천분의 １초 머무르는 야구공을 어느 방향으로 얼마만큼 멀리 날아가게 할지 컨트롤하기 위하여，또 될 수 있는 대로 더 멀리 공을 치기 위하여 사람들은 끊임없이 야구방망이의 재료를 바꾸어 왔다．하지만 프로 경기에서는 별수 없이 １백년 이상을 사용해온 나무방망이를 지금도 고집하고 있다．