나뭇잎 교과서

가설과 연역적 탐구

고깃국물을 그냥 두면 미생물이 생깁니다. 생명이 저절로 생긴 걸까요, 공기 속 무언가가 들어간 걸까요? 파스퇴르는 가설에서 예측을 끌어내고, 그 예측이 틀릴 수 있는 실험을 설계했습니다.

먼저 알면 좋은 것 가설과 대조 실험
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가설과 연역적 탐구

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끓인 고깃국물을 며칠 두면 뿌옇게 흐려지고 미생물이 가득해진다. 19세기까지 많은 사람은 생명이 생명이 아닌 것에서 저절로 생긴다고 믿었다(자연 발생설). 반대로 공기 속에 떠다니던 미생물이 들어간 것이라는 주장도 있었다. 두 주장 가운데 어느 것이 옳은지 어떻게 가릴 수 있을까? 1861년 파스퇴르는 목을 백조처럼 구부린 플라스크 하나로 이 논쟁을 끝냈다.

그림 1. 끓인 국물을 담은 플라스크의 미생물 증식(모식). 목이 곧은 플라스크(빨강)는 곧 미생물이 자라고, 백조목 플라스크(파랑)는 목을 부러뜨리기 전까지 깨끗하다.
먼저 알아야 할 것가설과 대조 실험(통합과학), 귀납적 탐구(관찰과 귀납적 탐구), 미생물.

2.2.1연역적 탐구

연역적 탐구는 문제에 대한 잠정적인 답, 곧 가설을 세우고, 가설이 옳다면 어떤 결과가 나와야 하는지 예측을 끌어낸 뒤, 실험으로 예측을 확인하는 방법이다. 예측대로 결과가 나오면 가설이 지지되고, 예측과 다르면 가설을 버리거나 고친다. 좋은 가설은 틀릴 수 있는 분명한 예측을 낸다. '어쩌면 생길 수도 있다'처럼 어떤 결과가 나와도 맞는다고 할 수 있는 주장은 실험으로 시험할 수 없다.

정리 2.2.1 파스퇴르 실험의 논리

가설은 '미생물은 공기 속 먼지에 실려 들어온다'이다. 이 가설이 옳다면, 공기는 통하지만 먼지는 들어오지 못하는 플라스크에서는 미생물이 생기지 않아야 하고, 먼지가 들어갈 길을 열면 곧 생겨야 한다.

자연 발생설을 믿는 사람들은 '공기에 생명을 만드는 힘이 있는데, 플라스크를 막으면 그 힘이 들어가지 못해서 미생물이 안 생긴다'고 반박했다. 그래서 파스퇴르는 플라스크를 막지 않고, 목을 S자로 길게 구부려 공기는 드나들되 먼지는 굽은 곳의 물기에 걸리게 했다. 그림 1에서 목을 부러뜨린 날을 바꾸어 보자. 공기는 처음부터 통했지만, 미생물은 먼지가 들어갈 수 있게 된 뒤에야 자란다.1

2.2.2대조 실험과 변인

이 실험에서 바꾼 것(조작 변인)은 먼지가 들어갈 수 있는지이고, 국물의 종류, 끓인 시간, 온도, 공기의 출입은 똑같이 두었다(통제 변인). 그리고 미생물의 증식을 결과(종속 변인)로 보았다. 목이 곧은 플라스크는 먼지가 들어가는 대조군 역할을 한다. 같은 국물이 대조군에서는 썩고 실험군에서는 썩지 않으므로, 차이를 만든 것은 먼지라고 결론 내릴 수 있다. 만약 대조군이 없었다면 국물을 끓인 방법이 달라서 생긴 차이인지 가릴 수 없었을 것이다.

문제 가설 예측 실험 결론
그림 2. 연역적 탐구는 가설에서 예측을 끌어내고 실험으로 확인한다.

2.2.3예제 풀이

예제 2.2.2

백조목 플라스크 10개를 끓여 두었더니 몇 주 동안 모두 깨끗했다. 그 가운데 5개를 기울여 국물이 목의 굽은 곳에 닿았다가 다시 돌아오게 했더니, 이틀 뒤 그 5개에서만 미생물이 자랐다. 이 결과는 어느 가설을 지지하며, 기울이지 않은 5개는 어떤 역할을 하는가?

목의 굽은 곳에는 공기에서 걸러진 먼지가 쌓여 있다. 국물이 그곳에 닿으면 먼지 속 미생물이 국물로 옮겨진다. 국물이 닿은 플라스크에서만 미생물이 자랐으므로, 미생물이 먼지에서 왔다는 가설이 지지된다.

기울이지 않은 5개는 같은 조건에서 국물만 먼지에 닿지 않은 대조군이다. 이것이 없으면 '이틀이 지나서 저절로 생긴 것'이라는 설명을 배제할 수 없다. 즉 연역적 탐구에서는 가설이 틀렸다면 나왔을 결과와 비교할 수 있도록 실험을 설계하는 것이 중요하다.

아래 탐구 카드에서 가설을 검증하는 방법과, 고깃국물 속 미생물이 저절로 생기는지 직접 따져 보자.

  1. 파스퇴르가 만든 백조목 플라스크 가운데 일부는 지금도 파리의 파스퇴르 연구소에 남아 있고, 150년이 지나도록 국물이 깨끗하다고 한다.
마무리

연역적 탐구는 가설을 세우고 그로부터 틀릴 수 있는 예측을 끌어내어 실험으로 확인하는 방법이며, 대조군과 변인 통제가 결론을 믿을 만하게 한다. 파스퇴르는 공기는 통하되 먼지는 막는 백조목 플라스크로 이를 보여 주었다. 그래서 처음 질문의 답은 '아니다'이다. 고깃국물 속 미생물은 저절로 생기지 않고 공기 속 먼지에 실려 들어온다.

탐구 1

가설은 어떻게 검증할까?

대조 실험 · 변인 통제 · 모식 시뮬레이션

가설은 “비료 A를 주면 강낭콩이 더 잘 자랄 것이다”이다.

모둠 A

모둠 B

A 평균 키
—
B 평균 키
—
차이 (A − B)
—

모식 시뮬레이션이다. 비료 효과 +2.5 cm, 개체 사이 흩어짐(표준 편차) 3 cm로 정해 둔 가상의 강낭콩이다.

  1. 질문“비료 A를 주면 강낭콩이 더 잘 자란다.” 이 가설이 맞는지 확인하려면 실험을 어떻게 짜야 할까?
  2. 복원가설은 검증할 수 있는 잠정적인 답이다. 그리고 연역적 탐구에서는 가설을 세우고, 그 가설이 맞다면 나타나야 할 결과를 실험으로 확인한다.
  3. 설명일부러 바꾸는 조건이 조작 변인, 그 결과로 재는 값이 종속 변인, 똑같이 맞춰 두는 나머지가 통제 변인이다. 또 조작 변인을 바꾼 쪽이 실험군, 바꾸지 않은 쪽이 대조군이다.
  4. 연결그런데 처음 설정은 비료뿐 아니라 온도와 빛도 다르다. 이러면 A가 더 컸을 때 무엇 때문인지 가를 수 없다. 또 같은 조건의 콩도 한 포기씩 키가 달라서, 개체 수가 적으면 우연한 차이를 효과로 착각하기 쉽다.
  5. 적용비료만 다르게 남기고 온도와 빛을 맞춰 보자. 개체 수 3에서 ‘새로 심어 다시 실험하기’를 여러 번 눌러 차이가 얼마나 흔들리는지 보고, 개체 수를 20으로 올려 다시 해 본 뒤, 두 모둠 조건을 모두 같게 하면 무엇이 보이는지도 확인해 보자.
  6. 판단결과가 가설과 맞아도 가설이 ‘증명’된 것은 아니다. 이번 조건에서 가설을 지지하는 증거가 하나 생긴 것일 뿐이다. 반대로 차이가 작게 나왔다고 효과가 없다고 단정할 수도 없는데, 개체 수가 부족했을 수 있기 때문이다.

확인조건이 달라지면

한 학생이 비료를 준 콩은 햇빛 잘 드는 창가에, 주지 않은 콩은 교실 안쪽에 두었다. 비료를 준 콩이 더 컸다면?

탐구 2

고깃국물 속 미생물은 저절로 생길까?

실험 · 연역적 탐구 · 백조목 플라스크
자연발생설의 예측
—
생물속생설의 예측
—
실제 결과
—

두 가설 모두 “공기는 플라스크 안으로 들어간다”는 점은 같다. 백조목 플라스크도 입구가 열려 있어 공기는 드나들지만, 먼지는 굽은 목의 물방울에 걸린다.

  1. 탐구 문제오래전 사람들은 썩은 고기에서 구더기가, 국물에서 미생물이 저절로 생긴다고 믿었다(자연발생설). 미생물은 정말 무생물에서 생길까, 아니면 이미 있던 미생물에서만 생길까(생물속생설)?
  2. 복원연역적 탐구는 가설을 먼저 세우고, “가설이 옳다면 이런 결과가 나와야 한다”는 예측을 끌어낸 뒤 실험으로 예측을 확인한다. 따라서 두 가설이 서로 다른 예측을 하는 실험이어야 둘을 가를 수 있다.
  3. 설계자연발생설 지지자들은 “공기 속 생명력이 막히면 생명이 안 생긴다”고 반박했다. 그래서 파스퇴르(1861)는 공기는 통하되 먼지만 못 들어가는 백조목 플라스크를 만들었다. 조작 변인은 먼지가 들어가는지 여부이고, 통제 변인은 국물, 끓이기, 공기이다.
  4. 분석열린 플라스크에서는 두 가설 모두 “탁해진다”고 예측하므로 아무것도 가를 수 없다. 예측이 갈리는 것은 백조목 플라스크뿐인데, 자연발생설은 탁해진다고, 생물속생설은 맑게 남는다고 예측한다. 그리고 목을 자르거나 국물이 목의 먼지에 닿게 하면 곧 탁해지는데, 이것은 원인이 먼지 속 미생물이라는 추가 증거이다.
  5. 측정네 장치를 차례로 지켜보며 두 가설의 예측과 실제 결과를 비교해 보자. 끓이지 않으면 백조목 플라스크도 탁해지는데, 이 결과가 어느 가설을 지지하는지도 따져 보자.
  6. 오차·안전실험이 예측과 맞아도 가설이 “증명”된 것은 아니고, 반증되지 않고 살아남았을 뿐이다. 실제로 틴들은 마른 풀 국물에서 끓여도 살아남는 세균이 있음을 보여, 한 번 끓이는 것으로는 부족하다는 것을 밝혔다(그 정체인 내생 포자는 같은 무렵 콘이 발견했다). 미생물 배양 실험은 뚜껑을 연 채 오래 두지 말고, 끝나면 소독한 뒤 버린다.

확인조건이 달라지면

끓이지 않은 국물을 백조목 플라스크에 넣었더니 이틀 만에 탁해졌다. 이 결과에 대한 해석으로 알맞은 것은?

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