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주기율표는 누가 만들었을까? (원소의 나열)

원소의 나열

원소 주기율표라고도 불리는 주기율표는 118개의 화학 원소를 체계적으로 배열한 것입니다. 화학 원소는 일반적으로 원자 번호가 증가하는 순서, 즉 원자 질량이 증가하는 원자핵의 양성자 수에 따라 왼쪽에서 오른쪽으로, 위에서 아래로 배열됩니다. 주기율표의 가로줄은 주기라고 합니다. 각 주기 번호는 해당 행에 있는 원소의 궤도 수를 나타냅니다. 원자는 핵에 양성자와 중성자를 가지고 있으며, 그 주위에는 전자가 궤도에 배열되어 있습니다. 여기서 원자 궤도는 전자의 위치와 파동과 같은 동작을 설명하는 용어입니다. 예를 들어 주기 1에는 전자가 회전하는 하나의 원자 궤도를 가지는 요소가 포함됩니다. 2주기에는 2개의 원자 궤도가 있고, 3주기에는 3개가 있으며, 이것은 7주기까지 계속됩니다. 주기율표의 열 또는 그룹은 동일한 수의 원자가 전자를 가지는 원자 원소나 가장 바깥쪽 궤도 껍질에 있는 전자를 나타냅니다. 8A 족(VIIIA)의 원소는 모두 최고 에너지 궤도에 8개의 전자로 구성된 전체 세트를 가지고 있습니다. 주기율표에서 동일한 열을 차지하는 원소를 족이라고 하는데 이는 동일한 원자가 전자 구성을 가지며, 화학적으로 유사하게 동작합니다. 18족 원소는 모두 불활성 기체이므로 다른 원소와 반응하지 않습니다.

주기율표를 만든 사람

러시아의 화학자이자 발명가인 드미트리 멘델레예프는 주기율표의 아버지로 간주됩니다. 지난 1860년대에 멘델레예프는 러시아 상트페테르부르크의 한 대학에서 인기 있는 강사였습니다. 당시에는 러시아어로 된 현대 유기화학 교과서가 없었기 때문에 멘델레예프는 '화학의 원리'라는 책을 집필하기로 결정했고 이를 통해 무질서한 원소의 문제도 동시에 다루었습니다. 어떠한 종류의 순서로 요소를 배치하는 것은 매우 어려울 것입니다. 당시 알려진 화학 원소는 63개였으며, 각 원소의 원자량은 동일한 온도와 압력에서 동일한 부피의 기체가 동일한 수의 분자를 보유한다는 아보가드로의 가설이 계산에 사용됐습니다. 이러한 원소를 분류하기 위해 당시에는 두 가지 전략만 존재했습니다. 금속과 비금속으로 분리하거나 원소의 원자를 전자 또는 가장 바깥 껍질에 있는 전자 개수에 따라 그룹화하는 것입니다. 멘델레예프의 책 첫 번째 섹션에서는 알려진 원소 중 8가지, 즉 탄소, 수소, 산소, 질소, 염소, 불소, 브롬, 요오드만을 다루었습니다. 마이클 D. 고딘의 저서 '잘 정돈된 것 : 드미트리 멘델레예프와 주기율표의 그림자'에 따르면 이 두 가지 전략은 특정 원소에 효과가 있었습니다. 그러나 이것은 당시 알려져 있던 55가지 추가 화학 원소를 유용하게 분류하기에는 충분하지 않았습니다.

여전한 수수께끼

그래서 멘델레예프는 각 원소의 성질을 카드에 기록한 다음 원자량을 늘려서 주문하기 시작했습니다. 멘델레예프는 이 과정을 통해 특정 유형의 원소가 정기적으로 나타나는 것과 원자량과 화학적 특성 사이의 상관관계를 발견했습니다. 멘델레예프가 완전한 주기율표를 생성하는 정렬 전략을 세우게 된 계기는 여전히 베일에 싸여 있습니다. 고딘은 "멘델레예프가 원소의 원자량 측면에서 주기율표를 구성하게 된 과정을 재구성하는 것은 극히 어렵다"라고 말했습니다. 고딘은 "역사가의 관점에서 볼 때 문제는 멘델레예프가 자신이 유명해질 것이라고 믿었던 이후 손에 쥔 거의 모든 문서와 초안을 보관했지만, 주기율을 공식화하기 전에는 그렇게 하지 않았다는 것"이라고 짚었습니다. 좋은 분류 도구로서 원자량의 중요성을 인식한 멘델레예프가 주기율표의 초안으로 이동할 수 있었던 데에는 두 가지 기본 방식이 있습니다. 멘델레예프는 주기적인 반복을 발견했거나 할로겐 및 알칼리 금속과 같은 원소의 여러 자연 그룹을 모아서 무게가 증가하는 패턴을 발견했습니다. 해당 방법과 관련하여 멘델레예프가 남긴 유일한 진술은 지난 1869년 4월에 나왔습니다. 고딘은 자신의 저서에 "원자량이 가장 낮은 물체를 모아서 원자량이 증가하는 순서대로 배치했다"라고 적었습니다. 사고 과정이 무엇이든, 멘델레예프는 궁극적으로 원자량과 원자가 전자에 따라 원소를 배열했습니다. 멘델레예프는 아직 발견되지 않은 원소를 위한 공간을 남겨두었을 뿐만 아니라 이들 원소 중 5개와 그 화합물의 특성을 예측했으며 1869년 3월에는 이 연구 결과를 러시아 화학 학회에 발표했습니다.

대륙 이동에 관한 진화된 획기적인 이론 (대륙이동설)

대륙은 모두 하나였다

대륙이동설은 지구 표면에서 대륙의 위치가 이동한다는 것을 설명하는 혁명적인 이론으로, 대륙이 이동한다는 개념을 도입했습니다. 이 이론은 1912년 지구물리학자이자 기상학자인 알프레드 베게너에 의해 제안되었지만, 당시 주류 과학에서는 거부됐습니다. 수십 년 후 과학자들은 베게너의 주장 중 일부를 확인했습니다. 이는 현재 널리 받아들여지는 판구조론의 일부입니다. 베게너의 이론은 대륙이동설을 지구과학에 도입했습니다. 베게너는 "지구가 분열돼 여러 개의 다른 대륙을 형성하기 이전에는 한때 단일 초대륙이었음이 틀림없다"라고 보고했습니다. 이 이론은 유사한 암석층과 식물, 동물의 화석이 어떻게 분리된 대륙에 존재할 수 있는지를 설명했습니다. 현대 과학에서는 판게아라고 불리는 이 고대 초대륙이 베게너가 이론화한 대로 약 2억 년 전, 부서지기 이전에 존재했다는 것을 받아들였습니다.

베게너의 대륙이동설이 거절당한 이유

베게너가 1915년 '대륙과 해양의 기원'이라는 책에서 자세한 내용을 발표하자 많은 지질학자들은 그의 대륙 이동 이론을 강력히 비난했습니다. 반대의 일부 이유는 베게너가 대륙이 어떻게 움직이는지를 설명할 수 있는 좋은 모델을 갖고 있지 않았기 때문이었습니다. 과학자들은 나중이 되어서야 판 구조론이라는 설명을 꺼낼 수 있었습니다. 판 구조론은 지구의 지각이 암석으로 이루어진 내부층 위로 이동하는 판으로 부서진다는 이론입니다. 미주리대학교 명예교수 헨리 프랭클은 "대륙 표류에 대한 주요 반대 의견은 메커니즘이 없다는 점인데, 판구조론은 메커니즘 없이 받아들여졌다는 아이러니가 있다"라고 지적했습니다. 화석과 암석에 대한 베게너의 관찰은 대부분 정확했지만, 몇 가지 핵심 사항에서는 이상한 오차도 나왔습니다. 한 예로 베게너는 대륙이 쇄빙선이 얼음을 부수는 것처럼 바다 지각을 뚫고 지나갔을 것이라고 생각했습니다.

진화하는 이론

베게너가 대륙 이동을 제안했을 때 많은 지질학자들은 수축론자였습니다. 그들은 지구의 놀라운 산들이 지구가 형성될 때부터 냉각되고 줄어들었기 때문에 만들어진 것이라 생각했습니다. 그리고 과학자들은 남아메리카와 아프리카 같은 대륙에서 발견된 동일한 화석을 설명하기 위해 지금은 바다 밑으로 사라진 고대 육교를 언급했습니다. 연구원들은 판 구조론 이론이 개발되기 이전인 1950년대부터 1970년대까지 육교에 대해 논쟁을 벌였습니다. 지구물리학자들은 대륙 암석이 너무 가벼워 해저로 가라앉지 않는다는 사실을 깨닫기 시작했습니다. 프랭클은 "저명한 고생물학자들은 화석 간의 유사성이 과대평가 되었다고 잘못 제안했다"라고 말했습니다. 판 구조론은 대륙 이동에 대한 현대적인 업데이트와 같습니다. 1960년대 과학자들은 해저 자기 조사와 핵실험을 모니터링하기 위해 구축된 지진 청취 네트워크를 통해 판 가장자리를 발견했습니다. 해저에 나타나는 자기 이상 현상의 교대 패턴은 해저 확장을 의미하며 이곳에서 새로운 판 물질이 탄생합니다. 대륙의 고대 암석에 배열된 자성 광물 역시 대륙이 서로 상대적으로 이동했음을 시사했습니다.

대륙 이동의 증거

대륙 지도는 지구의 지질학적 역사를 설명하려는 베게너의 탐구에 영감을 주었습니다. 아프리카와 남미 해안선이 서로 맞물려 있다는 사실에 흥미를 느낀 베게너는 지구의 대륙이 한때 하나의 초대륙으로 연결되어 있었음을 보여주기 위해 엄청난 양의 대륙 이동 증거를 수집했습니다. 베게너는 페름기 동안 남아메리카와 아프리카에서만 발견되었던 담수 파충류 메소사우루스를 비롯해 일부 화석 식물과 동물이 많은 대륙에서 발견될 수 있다는 것을 알고 있었습니다. 베게너는 퍼즐 조각처럼 대서양 양쪽의 암석층을 일치시켰고, 여기에는 미국의 애팔래치아산맥과 스코틀랜드의 칼레도니아 산맥, 남아프리카의 카루 지층과 브라질의 산타카타리나 암석이 포함됩니다. 과학자들은 "판이 함께 움직이면서 세계에서 가장 높은 산인 히말라야가 만들어졌고, 지금도 판이 서로 밀고 있기 때문에 산은 여전히 자라고 있다"라고 분석했습니다. 대륙 이동의 놀라운 증거에도 불구하고 베게너는 그의 이론이 더 널리 받아들여지는 것을 보지 못한 채 눈을 감았습니다. 베게너는 그린란드에서 과학 탐험을 하던 중, 생일 이틀 뒤인 1930년 50세의 나이로 사망했습니다.

사람의 DNA 사본은 37조 2천억 개에 달하는 세포 전체의 핵에 숨겨져 있습니다. 이론적으로 이 세포들은 모두 동일한 청사진을 갖고 있기 때문에 동일한 기능을 가집니다. 이러한 내용을 바탕으로 과학자들은 각 세포가 같은 청사진을 가졌다면 무엇이 그들을 구별하는지, DNA가 혈액 세포 및 후각 세포에 있는 걸 어떻게 알 수 있는지, 어떠한 유전자를 활성화시켜야 하는지, 세포가 자신의 기능을 어떻게 알고 수행하는지 등 여러 가지 의문에 대한 연구를 진행했습니다.

DNA와 관련된 모든 것과 마찬가지로, 이것은 다인자적이고 고도로 규제되는 과정입니다. 인간과 핵으로 둘러싸인 진핵 세포를 가진 다른 유기체에서 중심 교리로 알려진 개념은 DNA가 어떻게 지침 매뉴얼 역할을 하는지 설명합니다. 단백질 생산을 위해 DNA는 메신저 리보핵산에 정보를 제공하고 로드맵으로 사용됩니다. 올바른 DNA 조각을 메신저 리보핵산으로 전사하는 것은 세포가 필요한 모든 단백질을 갖도록 보장하는 첫 번째 단계일 뿐입니다. 존스 홉킨스 의과대학의 생화학 조교수인 카렌 레디는 "전사 인자라고 불리는 특별한 단백질이 유전자를 활성화시킨다"라고 설명했습니다. 전사 인자는 DNA에 결합해 특정 유전자의 발현을 증가시키거나 감소시킵니다. 그러나 이는 "전사 인자는 어디에서 오는가"라는 의문을 이끌어냅니다.

많은 전사 인자는 세포에서 세포로 재사용되고 하나의 전사 인자는 다양한 세포 유형에서 다양한 유전자를 활성화할 수 있습니다. 이것은 마치 동일한 부품이 다른 자동차에 사용될 수 있는 것과 같습니다. 예를 들어 Olf-1이라는 후각 세포에 사용되는 전사 인자는 B 세포를 지정하는 데 사용되는 Ebf-1과 동일합니다. 전사 인자는 DNA가 다른 세포 유형에서 다르게 구성되고 포장되어 있기 때문에 이러한 세포에서 다른 유전자를 활성화하는 것을 알고 있습니다. 이는 다른 염색질 지형을 갖는 것으로도 알려져 있습니다.

핵에서는 DNA, 단백질, 리보핵산의 복합체가 함께 기능해 긴 DNA 가닥을 포장합니다. 이 복합체를 염색질이라고 하며 DNA가 히스톤이라는 단백질 복합체를 감싸는 방식과 이러한 히스톤의 화학적 변형을 염색질 구조라고 합니다. 이는 어느 유전자가 어느 정도 노출되는지에 영향을 미칩니다. 특정 세포 유형에서 일부 유전자는 염색질 구조에 노출됨으로써 전사 인자에 의해 활성화될 준비가 되어 있습니다. 다른 것들은 염색질 환경에 의해 억압되거나 숨겨져 있습니다. 이것들은 여전히 활성화될 수 있지만 염색질 구조를 변경하고 이를 드러낼 수 있는 충분한 전사 인자와 염색질 변형자가 먼저 필요합니다.

레디는 "염색질 환경과 전사 인자 우주 사이에는 혼선이 있다. 이 두 가지 요소를 모두 포함하는 것이 세포핵의 3D 구조 또는 핵에서 염색질이 접히고 조직되는 방식"이라고 말했습니다. 이러한 접힘은 발현이 필요한 유전자와 발현을 증가시키는 요소 사이의 상호 작용을 촉진합니다. 특정 세포 유형에서 DNA의 활성 부분 또는 필요한 부분이 중앙 근처에 그룹화되어 있는 반면, 비활성 부분은 핵 외부에 가깝습니다. 유전자를 켜거나 끌 수 있는 프로모터와 같이 유전자 발현 방식을 제어하는 일부 요소는 유전자 바로 근처에 있습니다. 그러나 유전자 발현을 증가시키는 조직 특이적 인핸서와 같은 다른 요소는 세포를 위해 강화하는 데 필요한 유전자와 훨씬 더 멀리 떨어져 있을 수 있습니다. 접힘 또는 3D 구조는 인핸서를 관심 유전자에 근접하게 만듭니다.

마지막으로, DNA 자체에 더 오래 지속되는 변화를 일으키는 과정이 있습니다. DNA 메틸화는 뉴클레오티드에 메틸 그룹을 추가하는 것과 관련되며 일반적으로 유전자의 억제와 관련이 있습니다. DNA 메틸화는 세대에서 세대로 전달될 수 있으며, 특정 유형의 세포에서 어떤 유전자가 활성화 또는 비활성화되는지에 영향을 미치고 특정 유전자가 과도하게 발현되는 것을 방지하여 신경 장애 및 심혈관과 같은 질환을 유발할 수 있습니다. 레디는 "DNA 메틸화, 염색질 지형, 접힘 및 전사 인자와 같은 이러한 모든 수준은 필수 유전자를 적시에 적절한 장소에서 발현하기 위한 중요한 규제 단계"라고 짚었습니다. 이어 그는 "암과 같은 질병에서는 이러한 통제 수준이 교란된다"라고 덧붙였습니다. 좋은 소식은 이러한 규제 요소가 서로를 뒷받침한다는 것입니다. 레디는 "무언가 잘못될 수 있지만 이러한 프로세스가 서로를 강화하기 때문에 세포로서 문제가 없을 것"이라고 강조했습니다.