남극의 트웨이츠빙하
국제 과학학술지 ‘네이처’가 2019년에 주목할 과학 이슈 10가지를 선정해 발표했다. 그중에는 인류 역사상 처음 시도되는 과학 프로젝트들도 있다. 새해 다양한 분야에서 이뤄질 대규모 과학기술의 가장 중요한 키워드는 ‘환경’이다. 과연 과학자들은 어떤 기술로 어떤 도전에 나설까.
1. 남극 빙하 붕괴 연구와 150만년 된 얼음 코어 찾기
2019년, 가장 주목해야 할 과학 이슈는 무엇일까. 네이처는 새해 1월 출범하는 미국 국립과학재단과 영국 자연환경연구회의 프로젝트인 ‘기후변화에 따른 남극 빙하의 붕괴 연구’를 1순위로 꼽았다.
이 프로젝트는 남극 대륙의 5대 빙하에 속하는 트웨이츠빙하(Thwaites Glacier)가 실제로 완전히 붕괴하는 데 얼마의 시간이 남았는지를 예측하기 위한 것이다. 남극에서 70여년 만에 이뤄지는 가장 큰 규모의 공동연구다.
트웨이츠빙하의 크기는 한국 면적의 1.5배에 이른다. 이렇게 거대한 빙하가 최근 아래에서부터 빠르게 녹으며 불안정한 상태를 보이고 있다. 공동연구팀은 앞으로 5년 동안 빙하의 녹는 속도를 측정해 언제쯤 트웨이츠빙하가 붕괴될지를 계산해낼 예정이다. 이 작업에는 자율항해가 가능한 무인 잠수정이 동원된다. 잠수정이 수면 아래서 빙하의 움직임을 관측하고, 이마에 센서를 부착한 바다표범도 동원돼 빙하 인근 해양 생태계를 파악한다.
한편 2019년 말쯤에는 남극에서 유럽 과학자들이 150만년 된 ‘얼음 코어’를 찾는 시추 프로젝트를 시작할 예정이다. 남극 대륙의 특정 지점인 ‘리틀돔C’에서 빙하를 뚫어 기다란 막대기를 넣은 뒤 시료를 캐낼 예정이다. 남극의 얼음 속에 고대 지구의 대기환경을 알아낼 열쇠가 있기 때문이다. 바로 얼음이 생성될 당시 포함된 공기다.
남극의 얼음을 물에 넣고 귀를 기울여보면 탄산음료에서처럼 톡톡거리는 소리를 들을 수 있다. 얼음 속에 들어 있는 공기방울이 터지는 소리다. 아주 오래된 얼음에는 전체의 20%보다 적은 공기가 들어 있는 것으로 연구돼 있다. 얼음이 최근에 만들어졌을수록 공기의 양이 많다.
얼음 속 공기는 남극에서 오랫동안 눈이 쌓이고 압축되는 과정에서 뒤섞여 들어간 것이다. 얼음은 해마다 차곡차곡 쌓이므로 아래로 내려갈수록 공기가 더 오래된 것이다. 이 오래된 공기가 어떤 성분으로 이뤄졌는지 연구하면 당시 환경과 기후에 대해 자세히 알 수 있다. 그래서 과학자들은 남극의 얼음에 깊숙한 구멍을 뚫어 얼음을 구하려고 애쓴다. 이렇게 얻은 긴 원통 모양의 얼음 조각이 바로 ‘얼음 코어’다. 과학자들이 차가운 얼음 위에서 칼바람을 맞으며 찾을 ‘오래된 지구’의 모습을 기다려 보자.
2. 지구온난화를 늦춰라…사상 최초 인공 실험
과학기술의 힘으로 지구온난화 문제를 해결하려는 계획도 준비돼 있다. 인류 역사상 처음으로 지구온난화를 인공적으로 늦추는 ‘태양 지구공학’ 프로젝트가 그것. 일명 스코펙스(SCoPEx·Stratospheric Controlled Perturbation Experiment)라는 실험으로, 햇빛을 반사하는 물질을 성층권에 뿌려 지표면으로 들어오는 태양빛을 인공적으로 줄임으로써 지구를 냉각시키려는 방법이다. 영화 ‘지오스톰’(2017) 등에서나 볼 수 있었던 기술이다.
이 실험은 미국 하버드대학 응용물리학과와 대기과학과의 연구진이 맡는다. 연구진에 따르면 열기구를 활용해 햇빛을 잘 반사하는 탄산칼슘 0.1~1㎏을 성층권인 20㎞ 상공에 살포한다. 이후 태양광이 얼마나 감소했고 온도가 어떻게 변했는지 살피고, 탄산칼슘 미세입자가 대기를 구성하는 화학물질에 어떤 영향을 미쳤는지 분석해 지구 냉각이 가능한지를 관측한다. 1991년 필리핀 피나투보 화산이 폭발했을 때 성층권에 2000만t에 달하는 황산염 입자가 생성돼 지구를 섭씨 0.5도 정도 냉각시킨 사건을 인공적으로 재현하는 게 목표다.
하지만 일부 회의론자들은 “분필가루의 일종인 탄산칼슘이 상공에서 예기치 않은 결과를 만들어 온실가스 배출 저감 노력을 수포로 만들 수 있다”며 우려하고 있다.
중국의 구면전파망원경 ‘톈옌’
3. 우주 신호 포착? 세계 최대 전파망원경 가동
2016년 9월 25일부터 시범 운영되어온 중국의 구면전파망원경(FAST) ‘톈옌(天眼·하늘의 눈)’이 올 9월부터 가동돼 본격적으로 세계 과학자들에게 개방된다. 톈옌은 세계 최대 규모의 전파망원경으로, 직경 500m에 축구장 30개 크기인 25만㎡ 면적을 자랑한다.
12억위안(약 1985억원)을 들여 건설된 톈옌은 그동안 시범 운영을 통해 50여개의 새로운 펄서(pulsar·강한 전파를 내는 중성자별)를 관측해왔다. 별의 진화 과정에서 초신성이 폭발하면 별의 중심핵이 수축하면서 초고속으로 자전하는 중성자별이 되는데, 그 단계에서 짧고 규칙적인 펄스 형태의 전파신호를 방출하게 된다. 은하계에는 매우 많은 펄서가 존재하지만 그 신호가 약해 지금까지 2700여개의 펄서가 확인되었을 뿐이다.
세계 과학자들은 톈옌을 이용해 ‘고속전파폭발(FRB·Fast Radio Burst)’과 성간물질에서 나오는 희미한 신호를 관측할 예정이다. 고속전파폭발은 우주로부터 들려오는 ‘꽝’ 하는 굉음으로, 수밀리초(㎳·1㎳는 1000분의 1초) 수준의 짧은 시간 동안만 전파돼 전파망원경을 통해서만 간헐적으로 관측된다. 2007년 처음 감지된 이후 10년간 총 18번의 ‘고속 전파폭발’이 확인됐지만 정확히 어느 지점에서 발생했는지는 알지 못하고 있다. 그 때문에 ‘외계인이 내는 소리’라고 불릴 정도로 천문학계의 미스터리로 남아 있다. 세계 과학자들은 톈옌을 통해 굉음의 모든 비밀을 풀어낼 예정이다.
일본이 추진 중인 국제선형입자충돌기(ILC) 모형도
4. 일본, 국제선형입자충돌기 건설할까
2019년은 힉스입자를 발견한 거대 강입자충돌기(LHC)의 후계자 유치 여부를 결정하는 중요한 해이기도 하다. 바로 ‘국제선형입자충돌기(ILC)’ 건설 계획이다. 2012년 유럽입자물리연구소(CERN)의 LHC를 이용해 힉스입자를 검출한 이후 세계 입자물리학계는 대량의 힉스입자를 만들어 그 속성을 더 자세히 연구할 수 있는 차세대 입자가속기 건설을 거론해왔다.
이에 일본 물리학자들은 2030년 가동을 목표로 자국에 길이 31㎞에 달하는 ILC 건설을 주관하겠다고 발표했다. 일본은 ILC 유치에 관심을 보인 유일한 국가다. 선형 가속기는 긴 직선 구간에서 원자 속 전자와 양전자를 가속해 충돌시키는 장치로 힉스입자를 더욱 정교하게 구현할 수 있다. LHC의 건설이 1980년대부터 논의되기 시작했듯, 일본 물리학자들 또한 차세대 가속기의 계획과 기본 설계안을 내놓으며 10여년 전부터 유치 활동을 벌여왔다.
ILC를 건설하는 데는 약 100억달러(약 10조원)라는 천문학적 비용이 필요하다. 이 막대한 비용을 문제 삼아 일본 정부는 ILC 건설 프로젝트를 뒷받침하지 않았다. 이러한 이유로 일본 물리학자들은 오는 3월 7일 ILC 건설 방침을 유지할지 아니면 철회할지의 공식 입장을 발표할 예정이다. 일본이 어떤 선택의 결과를 내놓을지에 대해 세계 입자물리학계의 관심이 크다.
5. 유전자 편집 논쟁은 계속된다
지난해 11월 말 중국 남방과학기술대 허젠쿠이 교수가 유전자가위(CRISPR–Cas9) 기술로 유전자를 편집한 아기를 탄생시켰다고 밝혀 뜨거운 생명윤리 논쟁을 일으켰다. 인공수정 배아의 유전자를 교정해 에이즈를 일으키는 인간면역결핍바이러스(HIV)에 저항성이 있는 쌍둥이 여아를 태어나게 한 것이다. 에이즈를 사전에 예방시킨, 인류 역사상 최초의 ‘유전자 편집 아기’가 탄생한 셈이다. 당시 과학기술계는 생명연구 윤리를 무시한 행위라며 기존 유전자 편집 연구마저 위축될 수 있다는 우려를 나타냈다.
네이처는 예상치 못하게 열린 이 ‘판도라의 상자’를 둘러싼 논쟁이 새해도 계속 이어질 것으로 전망했다. 세계 대다수 나라가 인간 배아의 유전자 편집을 허용하지 않고 있는 현실에서 허젠쿠이 교수의 연구는 충격적인 사건이었기 때문이다. 세계 유전학자들은 허젠쿠이 교수가 쌍둥이 여아의 DNA를 실제로 편집했는지, 했다면 어떤 방식으로 편집했는지 검증하는 한편 이로 인해 오히려 새로운 바이러스의 감염에 더 취약한 것은 아닌지 등 잠재적 부작용을 평가하는 작업에 착수할 계획이다. 국제사회는 유전자 조작 실험을 통제할 수 있도록 생명과학 연구의 윤리적 기틀을 마련하자는 목소리가 높다.
6. 오픈액세스 형태로 공개하는 ‘플랜 S’의 시행
오픈액세스 운동인 ‘플랜 S(Plan S)’의 시행도 새해 주목되는 과학계 이슈다. 플랜 S는 특별한 사유가 없는 한 2020년부터 학술 연구결과(논문)를 지금과 같은 폐쇄적 저널이 아닌 누구나 접근할 수 있는 무료의 오픈액세스 형태로 공개하려는 프로젝트다. 유럽의 베테랑 과학정책 관료인 로버트-잰 스미츠가 더 많은 과학논문을 누구나 볼 수 있게 개방하자는 뜻에서 처음 ‘플랜 S’를 출범시켰다.
이미 세계적으로 오픈액세스 운동에 대한 관심이 높다. 미국 국립보건원은 국민의 세금으로 지원한 연구결과라면 누구에게나 공개돼야 한다는 사실을 원칙으로 천명했다. MIT나 하버드대학 같은 유수의 미국 대학에서도 자신의 기관에서 연구된 결과는 해당 기관의 웹사이트에서 공개한다는 방침을 발표했다. 다양한 분야의 연구기금을 지원하는 미국의 빌앤멜린다게이츠재단과 영국의 웰컴트러스트도 플랜 S에 동참하기로 했다.
네이처는 “가입해야만 구독이 가능한 세계의 유료 학술지들이 플랜 S를 수용하는 방향으로 비즈니스 모델을 바꿔야 한다”고 밝히고 있다. 아직 자리 잡지 못한 오픈 오픈액세스 운동이 정착돼 지식정보 격차를 해소하고 학술 연구자들의 연구 경쟁력을 강화할 수 있길 바란다.
고대 인류 호미닌 상상도
7. 인류의 기원 밝혀라! 연구가 쏟아진다
고대 인류(호미닌)의 기원을 밝히기 위한 움직임도 눈에 띈다. 2003년 고고학자들은 인도네시아 플로레스섬에서 인간과 흡사한 ‘호빗’종(種)을 발굴했다. 이후 중국에서도 예상보다 많은 고대 인류 화석이 발견되면서 인류 기원에 대한 연구가 급격하게 진행되어왔다.
네이처는 새해 호미닌종의 기원을 밝히는 화석들이 동남아시아의 섬에서 훨씬 많이 발견될 것으로 내다봤다. 특히 필리핀 루손섬에 최초로 거주했던 호미닌의 단서가 많이 나올 것으로 기대했다. 루손섬은 플로레스섬에서 호빗종이 발견된 이후 학계의 주목을 받기 시작한 지역이다. 루손섬에서 다양한 화석이 발굴되면 섬에 최초로 거주했던 인간에 대해 더 많은 사실들이 밝혀질 것이고, 플로레스섬에서 왜 인류 몸집이 초라할 만큼 왜소해졌는지에 대한 비밀도 밝혀질 것이라는 게 네이처의 전망이다.
8. 대마초 비밀 밝혀지나…기초·응용 연구 봇물
대마초 연구도 가시화될 전망이다. 특히 캐나다의 많은 연구자들이 대마초의 재배부터 생장, 인체에 미치는 영향까지를 망라하는 연구에 나선다.
2018년 캐나다 정부가 우루과이에 이어 세계에서 두 번째로 모든 사용자들에게 대마초를 합법화하자 주(州)정부와 연방정부가 서로 뒤지지 않으려고 마리화나 연구에 막대한 규모의 연구비를 지원했기 때문이다.
2019년 말 캐나다 구엘프대학에는 캐나다 최초의 대마초 전문연구센터도 건립된다. 대마초의 유전학에서부터 건강 혜택에 이르기까지 모든 것을 연구할 것으로 예상된다. 과학기술계는 올해 처음으로 대마초에 대한 다양한 연구결과물들을 보게 될 것으로 기대하고 있다.
9. ‘실험실 생물안전 매뉴얼’ 전면 개정
2019년 중반쯤에는 세계보건기구(WHO)가 진행하는 ‘실험실 생물안전 매뉴얼’의 대대적인 개정 작업이 마무리될 계획이다. 이 매뉴얼은 세계적으로 널리 사용되는 지침으로, 에볼라처럼 감염성이 높은 고위험 병원체로부터 인류를 보호하기 위해 병원체를 안전하게 다루는 취급 기준과 비상 대응법이 담겨 있다. 동시에 병원체 취급 기관과 연구자들에게는 전문 참고자료로서의 역할도 해 편의성을 높인다.
‘실험실 생물안전 매뉴얼’은 2004년에 처음 발간되었다. 이후 15년 만에 시행되는 전면적 개정 작업이다. WHO는 실험실에 특화된 안전 평가와 관리 개선방안, 연구자 훈련 등의 강화를 목표로 매뉴얼의 개정을 추진하고 있다.
10. 중국·유럽 과학기술의 질주…R&D 거액 투자
과학기술에 대한 투자는 새해에도 이어질 전망이다. 특히 중국의 무서운 ‘질주’가 예상된다. 2019년 말 세계 각국이 과학기술에 대한 투자 실적을 담은 ‘2018년 회계보고서’를 발표하면 중국은 미국을 밀어내고 ‘세계 최대의 연구개발(R&D) 투자국가’로 떠오를 가능성이 높다.
중국의 과학 투자는 2003년부터 급격히 늘어나고 있다. R&D 규모나 질적인 측면에서도 세계의 주목을 받고 있다. 중국은 새해 초 달 뒷면에 착륙할 창어4호를 지난해 12월 8일 발사했는가 하면, 핵융합로 건설에 꼭 필요한 플라스마 온도를 1억도 높이는 데도 성공했다.
유럽 또한 새해 R&D에 1100억달러(123조7000억원)라는 거액을 투자한다. 유럽연합은 2021년부터 2027년까지 진행되는 연구 기금 지원 프로그램 ‘호라이즌 유럽(Horizon Europe)’에 필요한 재원 마련을 위한 방법을 논의하고 있다. 이를 통해 일자리 창출 방안도 제시한다. 2013년 이후 유럽 집행위원회가 제안하고 있는 유럽연합 예산에는 단돈 1원이라도 유럽 국민에게 최고의 이익을 돌려줄 수 있도록 유럽의 미래에 투자하겠다는 담대한 의지가 담겨 있다.
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What to expect in 2019: science in the new year
Gene-editing, open access and a biosafety rethink are set to shape research.
Elephant seals carrying sensors will help researchers to gather ocean data as part of a massive mission to study Antarctica’s Thwaites glacier.Credit: Design Pics/NGC
Polar projects
In January, US and UK researchers will descend on Antarctica to begin their largest joint mission to the continent in more than 70 years. The aim of the five-year project is to understand whether the remote and seemingly unstable Thwaites Glacier will start to collapse in the next few decades. It includes efforts to study ocean conditions near the Florida-sized glacier using autonomous underwater vehicles and sensors affixed to seals. Later in 2019, European scientists plan to start drilling into the ice sheet on Antarctica’s Little Dome C in a quest to recover a 1.5-million-year-old ice core. If they’re successful, the core will yield the oldest pristine record of climate and atmospheric conditions.
Big bucks
China could emerge as the world’s biggest spender on research and development, after adjusting for the purchasing power of its currency, once countries publish their 2018 spending data in late 2019. Outlays on science in China have accelerated since 2003, although the country still trails behind the United States on measures of research quality. Over in Europe, officials will try to agree on how to disburse a proposed €100 billion (US$110 billion) through the European Union’s next research-funding programme, Horizon Europe, which begins in 2021. It’s unclear how fully UK researchers will be able to participate, as uncertainty over Brexit continues to plague the country.
Human origins
More fossils illuminating the origins of ancient hominin species could emerge from islands in southeast Asia — a region of intense interest since archaeologists discovered a human-like ‘hobbit’ species on the Indonesian island of Flores in 2003. Ongoing digs could reveal more about the first human inhabitants of the Philippine island of Luzon, including whether their isolation led to a diminutive stature, similar to what seems to have occurred on Flores.
Collider crunch
It could be a make-or-break year for plans to build a successor to the Large Hadron Collider (LHC). Physicists in Japan proposed hosting the roughly US$7-billion International Linear Collider (ILC) in 2012, after scientists at the LHC in Geneva, Switzerland, announced the discovery of the Higgs boson. The ILC would study the Higgs in detail. But a 2018 report commissioned by the Japanese government failed to support the project, citing its cost. Japan is the only country that has shown interest in hosting the ILC, and the government is expected to issue a statement on whether it will do so by 7 March.
Gene-editing fallout
Geneticists will continue to deal with the repercussions of 2018’s claim by He Jiankui to have helped produce the world’s first gene-edited babies. Researchers hope to confirm whether He, a genome-editing researcher at the Southern University of Science and Technology in Shenzhen, China, modified the genes of two embryos that produced twin girls. Following an international outcry, scientists will attempt to uncover any potential side effects of the process, and create a framework to ensure that any future efforts to edit heritable human DNA — such as that in eggs, sperm or embryos — happen in a responsible and regulated way.
Planning for Plan S
Subscription journals could shift their business models to accommodate Plan S, the effort to flip scholarly publications to a fully open-access model. Publishers have a year before the scheme’s backers will require the researchers they fund to immediately archive papers accepted for publication in free-to-access repositories — a practice that many journals currently forbid. The drive for open science also underpins a 2019 effort by funders and research organizations in the Netherlands that seeks to move away from using citations and impact factors to assess researchers.
Biosafety bible
The World Health Organization expects to finish a major revision of its Laboratory Biosafety Manual in mid-2019. The widely used guidelines outline best practices for the safe handling of pathogens such as Ebola. This is the manual’s first overhaul since 2004. The revisions will increase the focus on creating site- and experiment-specific risk assessments, and on improving the management, practices and training of lab personnel. The rethink aims to discourage labs from approaching biosafety by rote, and encourage the creation of more flexible and effective procedures.
Climate tinkering
As carbon emissions continue to rise, 2019 could see the first experiments that are explicitly aimed at understanding how to artificially cool the planet using a practice called solar geoengineering. Scientists behind the Stratospheric Controlled Perturbation Experiment (SCoPEx) hope to spray 100-gram plumes of chalk-like particles into the stratosphere to observe how they disperse. Such particles could eventually cool the planet by reflecting some of the Sun’s rays back into space. Geoengineering sceptics worry that the practice could have unintended consequences and distract from efforts to reduce greenhouse-gas emissions. The US-led SCoPEx team is awaiting the go-ahead from an independent advisory committee.
Canada is set to harvest the results of a boom in marijuana research.Credit: Carlos Osorio/Reuters
High hopes
Researchers in Canada should start to see the first results from a flurry of studies into the cultivation and basic biology of cannabis. In October 2018, the country legalized the plant for all uses — the second nation in the world, after Uruguay, to do so — leading to funding windfalls for marijuana research from provincial and federal governments. By the end of 2019, researchers at the University of Guelph hope to launch Canada’s first dedicated academic centre for cannabis research, which will study everything from the plant’s genetics to its health benefits.
Cosmic signals
The world’s largest radio telescope — China’s Five-hundred-meter Aperture Spherical Radio Telescope — should be fully operational and available to researchers from September. Since the start of its commissioning phase in 2016, the 1.2-billion-yuan (US$170-million) mega-telescope has spotted more than 50 new pulsars: dense, rapidly spinning dead stars. It will soon hunt for the faint signals that emerge from phenomena such as fast radio bursts and clouds of cosmic gas. Meanwhile, astronomers will decide whether to press ahead with building the Thirty Meter Telescope on the Hawaiian mountain Mauna Kea. In 2018, the plans cleared the last of a long series of legal challenges lodged by locals.
Nature 565, 13-14 (2018)
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