Science Blog: 2014

2014년 12월 20일 토요일

이온 (ion)

이온은 원자 또는 분자의 특정한 상태를 나타내는 용어로, 전자를 잃거나 얻어 전하를 띠는 원자 또는 분자를 이른다.

원자에서 양전하를 띠는 양성자의 수는 화학 변화에 의해서 변하지 않지만, 음전하를 띠는 전자들은 감소하거나 증가할 수 있다. 원자가 이온이 되는 것을 전리 또는 이온화라 한다. 중성의 원자에서 한개 이상의 전자를 잃으면, 원자는 양전하를 띠고, 한개 이상의 전자를 얻으면 음전하를 띠게 된다. 양전하를 띤 이온을 양이온, 음전하를 띤 이온을 음이온이라 부른다.

전해질은 이온을 통해 설명할 수 있는 물질인데, 이온의 정의없이는 설명할 수 없는 물질이기도하다. 전해질이 물에 녹으면 양이온과 음이온으로 나뉜다. 이 현상을 '이온화'라고 하고, 양이온과 음이온을 용해시키거나 용융시키지 않은 채로 섞어 놓으면, 이온들은 정전기적 인력으로 인해 고체로 뭉치게 되는데, 이를 이온 결합 화합물 이라고 부른다.

이온은 원자,분자의 범위에서 정의되므로 '원자의 경우'와 '분자의 경우'로 나누어 분류하기도한다.단 하나만의 원자를 가지고 있는 이온은 단원자 이온, 수산화 이온이나 시안 이온처럼 둘 이상의 원자가 합쳐져 만든 이온을 다원자 이온이라 한다.

전자를 n만큼 잃으면 원자나 분자기호 뒤에 n+라고 표기하고 얻으면 n- 라고 표기하며, n 값이 1이면 숫자를 표시하지 않아도 된다.

생명과 화학

질량 보존의 법칙은 닫힌 계의 질량은 상태 변화에 상관없이 변하지 않고 계속 같은 값을 유지한다는 법칙이다. 물질은 갑자기 생기거나, 없어지지 않고 그 형태만 변하여 존재한다는 뜻을 담고 있다. 다시 말해, 닫힌계에서의 화학 반응에서, (반응물의 질량) = (결과물의 질량) 이란 수식을 만족한다. 질량 보존의 법칙은 비상대론적인 법칙이며,상대성이론을 고려할 경우 상황은 조금 복잡해진다. 상대론을 고려할 경우에도 에너지 보존의 법칙은 성립한다.

이 법칙은 근대 화학의 아버지 앙투안 라부아지에가 최초로 정식화하였다. 그러나 이전에도 미하일 로모노소프 등이 언급한 바가 있다.

하지만 아인슈타인의 특수상대성이론에 의하면 질량이 에너지로도 변환될 수 있다.

"한 화합물을 구성하는 성분 원소들의 질량비는 항상 일정하다"는 것이 일정 성분비의 법칙이다. 일정 성분비의 법칙은 1799년 프랑스의 화학자 프루스트에 의해 제안되었다. 당시 그의 친구이자 화학자인 베르톨렛은 이러한 프루스트의 주장을 반대하여 화합물의 조성은 일정하지 않다고 주장하였다. 그는 같은 화합물이라도 만드는 방법이나 시료의 분량을 달리해주면 그 조성이 여러 가지로 달라지며 특별한 경우에만 프루스트의 제안이 성립된다고 하였다. 그런데 베르톨렛은 구리의 황화물이나 철의 산화물을 분석하여 그 성분비가 일정하지 않다고 주장했는데 그는 구리의 황화물이나 철의 산화물에는 2종류 이상이 있음을 몰랐던 것이므로 프루스트의 제안이 옳다는 것이 증명되었다. 현재 알려진 바에 의하면 대부분의 화합물은 일정 성분비의 법칙이 잘 성립되나 일부는 질량비가 일정하지 않은 경우가 있다. 대개 결정형 무기 화합물에서 이러한 화합물이 생기는 경우가 있는데 이러한 화합물은 베르톨렛을 기념하여 '베르톨라이드 화합물'이라고 한다.

물질이 순수하다면 한 가지 물질은 천연산이나 인공으로 만든 것이나 일정한 조성비를 가진다. 예를 들어 산소와 수소로 이루어진 물 분자의 질량비는 수소 11.19%, 산소 88.81%의 비율로 일정하다. 이것은 물이 얼음, 수증기로 다른 상태에 있더라도, 그리고 강물, 지하수, 해수 등 어디에 있더라도 일정하다.

또한 사탕수수에서 추출하는 설탕(화학식 C12H22O11) 역시 사탕수수의 종류나 산지가 달라도 설탕을 구성하는 원소의 질량비가 탄소 42.10%, 수소 6.48%, 산소 51.42%로 항상 같다.

화학반응에서 요오드화칼륨과 질산납 용액의 앙금 생성에서 요오드화칼륨 용액과 질산납 용액이 반응하면 화학 변화가 일어나서 요오드화납의 노란색 앙금이 생긴다.

질산납 + 요오드화칼륨 → 요오드화납 + 질산칼륨

Pb(NO3)2 + 2KI → PbI2 + 2KNO3

이 때 일정량의 요오드화칼륨 용액에 질산납 용액을 계속 가하면 생성된 앙금의 양은 처음에는 계속 증가하다가 어느 점에 이르면 더 이상 증가하지 않는다. 이것은 요오드화칼륨 용액이 모두 반응하여 질산납 용액을 계속 가하여도, 더 이상 반응이 일어나지 않기 때문이다. 따라서 반응한 요오드화칼륨과 질산납 및 생성된 요오드화납과 질산칼륨의 질량 사이에는 일정한 비가 성립하며 요오드화납을 이루는 성분 물질 사이에 일정한 질량비가 성립함을 알 수 있다.

돌턴의 원자설

1808년 영국의 돌턴이 처음 제안하였다. 만물을 쪼개면 더 이상 쪼갤 수 없는 가장 작은 알맹이인 '원자'가 남는다는 이론으로, 오늘날의 원자론의 바탕이 된다. 원자론은 그리스시대부터 물질의 불연속적 구조를 주창한 데모크리토스 등에 의해 제창되어, 물질을 분해해가면 더 이상 분해가 불가능한 궁극적인 미립자에 도달한다고 하여 그 입자를 원자라고 명명하였으나, 이 설은 형이상학적인 하나의 사상에 지나지 않았다. 이에 돌턴은 일정성분비의 법칙, 배수비례의 법칙, 상호비례의 법칙 등을 통해 순물질의 질량이나 화합의 능력에 불연속성이 있음을 인정하고, 실험적 근거에 입각한 원자론을 제안하였다.

돌턴의 원자론에 의하면, 물질을 세분화해 가면 더 이상 분해할 수 없는 '원자'라고 하는 미립자에 도달하며, 동일한 원소의 원자는 질량이나 성질이 모두 일정하고, 홑원소물질의 원자는 이를 새로 만들 수도 없고 파괴할 수도 없으며, 화합물에서 그 원자는 일정한 정수개의 성분원소의 원자가 모여서 만들어진 복원자로 이루어져 있다. 이상과 같은 설을 이용하면 화학량론의 여러 법칙을 매우 간단히 설명할 수가 있다.

돌턴의 원자론에 따르면 원자는 더이상 쪼개지지 않아야 하지만, 이후 원자는 더 작은 입자인 양성자, 전자, 중성자로 쪼개질 수 있다는 것이 밝혀졌다. 또 같은 종류의 원자라 하더라도 질량이 다를 수가 있는데, 동위원소가 바로 이러한 경우로 질량수가 12인 탄소가 있는가 하면 질량수가 13인 탄소도 존재하는 것이다. 그 밖에도 기체반응의 법칙을 설명할 수 없는 모순이 있었고, 이 후 화학결합의 단위인 미립자로서의 원자 외에 각 물질의 독자적인 성질을 갖는 최소 입자로서의 원자가 있다는 사실이 인정되어, 후자는 오늘날 분자로 불리게 된다.

이처럼 돌턴의 원자론은 수정되어야 할 부분들이 존ㅅ재한다. 하지만 원자라는 개념을 이해하고 설명하는 데 있어 돌턴의 원자설은 매우 중요하며, 이후 원자에 대한 연구가 활발히 이루어지는 데에도 큰 역할을 하였다.

기체 반응 법칙

프랑스의 게이뤼삭은 기구로 대기의 성분을 조사하다가 대기의 성분 중 수소와 산소가 2:1이라는 간단한 정수비로 결합한다는 사실을 발견하였고, 나아가 같은 압력에서 수소와 산소, 수증기의 부피는 각각 2:1:2의 정수비 결합이라는 사실도 발견하였다. 이러한 발견을 통해 1805년 기체 반응의 법칙을 발표하였다. 기체 반응의 법칙은 기체의 화학 반응의 경우, 반응물질과 생성물질 사이에는 간단한 정수비가 성립함을 밝힌 법칙이다. 게이뤼삭의 발견은 수소 2부피(2H)와 산소 1부피(O)가 만나 물 1부피(H2O)가 형성된다는 당시의 원자 개념에는 모순된 것이다. 그러므로 그는 자신의 발견을 설명하기 위해서 복합 원자인 분자를 가정하였다. 이러한 게이뤼삭의 기체 반응의 법칙과 기존의 돌턴의 원자 이론 사이의 모순은 1811년 이탈리아의 물리학자인 아보가드로의 분자 개념의 도입으로 해결되었다.

아보가드로의 분자설

1811년 이탈리아의 물리학자 아보가드로가 분자 개념을 사용한 분자설을 주장하였다. 아보가드로 이전에 게이뤼삭은 수소와 산소가 결합하여 수증기가 생성되는데 그 부피비는 2:1:2의 간단한 비율이라는 기체 반응의 법칙을 발표하였다. 이 이론은 돌턴이 주장한 원자 이론로는 설명하기 어려운 것으로, 아보가드로가 분자 개념을 도입함으로써 해결되었다.

아보가드로가 주장한 분자는 같은 종류의 두 원자가 결합한 것이다. 그러나 아보가드로의 분자설은 당시에는 빛을 보지 못하였다. 당시 과학자들은 같은 종류의 원자 사이에는 반발력이 작용한다고 믿었기 때문이다. 아보가드로의 분자 개념이 인정된 것은, 1860년 이탈리아의 카니차로가 분자설을 소개하고 명확하게 해석한 이후였다.

2014년 11월 4일 화요일

전통 육종

전통육종은 자연적으로도 교배가 가능한 종이나 속에 속하는 식물들을 인위적으로 교배시킴으로써 보다 우수한 형질을 가진 품종을 만들어내는 것을 말한다. 육종을 하면 후대에서 원하는 형질이 나타나기도 하지만, 원하지 않았던 형질까지 나타나기도 한다. 그러면 후대 중에서 가장 바람직한 형질을 지닌 개체를 선발하여 다시 교배하는 과정을 거치게 된다. 원하는 품종이 육성될 때까지 이러한 교배와 선발과정이 반복된다. 이와 같이 육종 과정에서는 대체적으로 시간과 비용이 많이 소요된다. 유전자변형과 육종은 목표하는 바는 같지만 유전자변형은 자연적으로 교배가 불가능한 생물종의 유전자를 이용한다는 점에서 차이가 있다. 또한 대체적으로 전통육종 방법에 비해 시간과 비용이 적게 든다. 하지만, 유전자변형작물의 경우 안전성을 검증 받아야 한다는 점에서 큰 제약이 있다. 아래 그림은 전통육종에 비해 유전자변형 방법이 좀 더 쉽고 빠르게 우수한 품질을 가진 품종을 생산할 수 있음을 보여준다

비료의 역사

퇴비는 농업이 시작된 때와 거의 동시에 사용되기 시작했는데, 그것은 뼛가루, 재, 건혈, 초석, 구아노, 물고기 등의 사용이 토지나 작물에 미치는 영향을 이해하기 훨씬 전부터였다. 미개간지가 없어지는 한편 비료의 제조기술과 수송능력이 향상됨에 따라 필요한 식량과 섬유를 생산하는 데 있어서 비료의 역할은 더욱 중요해졌다. 비료를 사용하기 위해서는 우선 식물생장에 대한 양분의 기능을 이해해야 한다. 고대 로마인은 이미 BC 200년부터 AD 100년말에 윤작, 산성토양에 대한 석회의 사용, 두엄의 사용, 공기 중의 유리 질소를 고정하는 콩과 식물의 재배 등의 경험을 바탕으로 토양 비옥도에 관한 지식을 쌓아왔다. 화학자들이 식물 양분에 관한 연구를 시작한 것은 약 1750~1800년이다. 1804년 스위스의 테오도르 드 소쉬르가 정량법을 사용하여 몇 가지 중요한 원리를 확립했다. 1834년 프랑스의 장 바티스트 부생고는 처음으로 포장시험을 했다. 1840년 독일의 유스투스 폰 리비히는 식물이 영양분을 부식물로부터 섭취한다고 하는 부식설을 부정하는 몇 가지 새로운 이론을 창안하여 농업의 비옥성 연구에 세인의 관심을 집중시켰다. 1886년 독일의 헤르만 헬리겔과 H. 빌파르트가 어떤 종류의 미생물은 콩과식물의 뿌리에 작은 혹을 형성하여 공기로부터 질소화합물을 만들어낸다는 것(공중질소고정)을 알아냈다. 1880년대 후반부터는 더 나아가서 필수요소의 측정, 시비의 최적시기, 비율, 방법, 비료조성에 관한 연구가 활발해졌다.

질소 고정

천연에서 질소는 빛이나 우주선에 의해 질산으로 고정되지만, 질소고정에 보다 중요한 역할을 하는 것은 토양 속에 있는 미생물이다. 질소고정의 90％ 이상을 이 미생물들이 하고 있다.

질소고정을 하는 것으로는 비공생균과 공생균의 2종류가 있다. 비공생균에는 아나바이나속과 염주말속을 포함하여 아조토박터속, 베이예링키아속, 클로스트리디움속 등이 있다. 공생균에는 콩과식물에 공생하는 근류균, 벼과식물에 공생하는 스피릴룸 리포페룸이 있다. 질소고정을 하는 공생균은 숙주식물의 뿌리털에 침입하여 그곳에서 증식하고 뿌리혹의 생성 및 밀접한 관계에 있는 세균과 식물 세포의 증식을 자극한다. 뿌리혹 속에 들어 있는 세균은 숙주식물이 성장하는 데 이용할 수 있도록 유리질소를 질산염으로 전환시킨다. 콩과식물(예를 들면 알팔파·콩·토끼풀류·완두·대두 등)이 잘 성장하고 혹이 충분히 형성되도록 하기 위하여 상업적으로 재배된 적절한 근류균종을 씨앗에 접종한다. 필요한 세균이 없거나 부족한 토양에는 이 과정이 특히 필요하다.
농업과 그밖의 산업에서 질소화합물에 대한 수요가 증가하면서 천연에서 산출되는 질산염 퇴적물이 점점 부족하게 되었다. 1909년에 독일의 화학자 프리츠 하버는 공기 중의 질소가 특수한 조건하에서 수소와 결합하여, 다양한 질소화합물을 만드는 출발물질인 암모니아를 만든다는 사실을 발견했다. 이 방법은 카를 보슈에 의해 상업적으로 개발되어 하버-보슈법 이라 부르게 되었다.

2014년 10월 26일 일요일

원자가띠와 전도띠

원자가띠 : 온도가 0K인 상태에서 원자 내부의 전자들은 허용된 띠의 에너지가 낮은 부분부터 채워 나가는데, 원자의 제일 바깥쪽에 있는 전자가 차지하는 에너지 띠를 원자가띠라고 한다.
전도띠 : 원자가띠에 있던 전자는 열에너지나 전기장으로부터 에너지를 흡수하면 더 높은 에너지 띠로 이동하여 고체 내부에서 이동할 수 있는데, 이와 같이 원자가띠 위에 있는 에너지 띠를 전도띠라고 한다. 원자가띠와 전도띠 사이의 에너지 간격의 크기에 따라 부도체, 반도체, 도체 3가지로 분류할 수 있다.

비금속 광물 자원

비금속 광물 자원
비금속 광물 자원은 현대 문명에서 차지하는 비중이 점차증가하는 추세이며 사용용도에 따라 화학 공업과 의약품, 비료 산업, 건축 재료, 요업 공업, 보석 광물 등으로 분류된다.
화학 공업과 의약품 : 소금, 붕산, 유황, 리튬, 스트론튬 등이 있으며, 유황은 각종 화학 공업에 필수적인 광석이다.
비료 산업 : 석회석, 돌로마이트, 규회석, 지올라이트, 벤토나이트, 규조토 등이 이용된다.
건축 재료 : 모래, 자갈, 석회석, 석고, 점토 광물 등이 이용된다. 특히 석회석은 시멘트의 원료로 필수적인 광석이다.
요업 공업 : 점토, 장석, 석영 등이 쓰이며, 연마재로는 금강석, 강옥, 석류석, 석영 등이 이용된다.
보석 광물 : 보석 광물의 종류는 20여 종이 취급되고 있다. 보석 광물을 단일 광물에 대한 변종이 다양하게 밝혀지면서 서로 다른 보석 명칭으로 불리기도 한다. 대부분의 보석 광물은 무기질 기원이지만 진주, 산호, 호박 등과 같이 유기질 기원도 있다.
세라믹
비금속 광물에 열을 가해 만든 무기(無機)재료를 말한다.
세라믹의 장점 : 열에 잘 견디는 내열성, 표면이 딱딱한 경질성, 마찰에 잘 닳지 않고 견디는 내마모성, 화학성 침식에 강한 내식성 등이 있다.

2014년 10월 24일 금요일

에너지의 준위와 에너지의 띠

에너지 준위와 에너지 띠
원자의 구조 : 원자는 (+) 전하를 띠는 원자핵과 그 주위를 회전하는 (-)전하를 띤 전자로 구성되어 있으며, 전자를 1개 가지고 있는 수소 원자와 전자를 14개 가지고 있는 실리콘 (Si) 원자에서 전자의 분포는 그림과 같이 나타낼 수 있다.
에너지 준위 : 전자는 아무 곳에나 존재할 수 없으며 특정한 값을 만족하는 궤도에만 띄엄띄엄 존재할 수 있는데, 이와 같이 전자가 특정한 궤도에 있을 때 갖는 에너지를 에너지 준위라고 한다.
에너지 띠 : 그림 (가)[하이탑 P.38]와 같이 원자 1개에 의한 전자의 에너지 준위는 띄엄띄엄하지만, 원자의 수가 많아지면 에너지 준위가 그림 (나)[하이탑 P.38]와 같이 겹쳐진다. 그리고 그림 (다)[하이탑 P.38]와 같이 수많은 원자가 모여 규칙적으로 배열된 고체에서는 전자가 가질 수 있는 에너지의 폭이 넓어지는데, 이것은 에너지 띠라고 한다.

2014년 9월 14일 일요일

140914

원핵 세포와 진핵 세포
모든 생명체를 구성하는 세포에는 원핵 세포와 진핵 세포의 두 가지 형태가 있다. 이것은 DNA가 어디에 존재하는가에 따라 세포를 구분한 것이다. 원핵 세포와 진핵 세포를 핵막의 유무, 막성세포 소기관의 발달, 세포의 크기 등에 따라 비교하면 다음과 같다.
(1) 핵막의 유무
원핵 세포는 유전 물질인 DNA가 막으로 싸여 있지 않으며, 진핵 세포는 DNA가 두 겹의 막으로 싸여 있는 핵 속에 있다.
(2) 막성 세포 소기관의 발달
진핵 세포의 세포질에는 소포체, 골지체, 미토콘드리아, 엽록체 등과 같이 막으로 둘러싸인 다양한 세포 소기관들이 있지만 원핵 세포의 세포질에는 이러한 막성 세포 소기관이 없다. 따라서 진핵 세포는 원핵 세포보다 구조적으로 더 복잡하고, 구분된 공간에서 호율적으로 다양한 기능을 하도록 조직화 되어 있다.

세포의 크기와 모양

세포의 부피가 커지면 필요한 물질과 노폐물의 양이 증가한다.
세포의 표면적에 따라 세포 안팎으로 이동하는 물질과 노폐물의 양이 결정된다.
세포가 크면 단위 부피당 표면적이 작아져 필요한 물질을 얻고 노폐물을 처리하는 데 불리하므로 세포의 크기가 작은 것이다.

▶ 세포의 크기는 왜 작은가?

세 포가 생장함에 따라 외부로부터 받아들여야 할 물질의 양과 노폐물의 생성 속도는 세포의 표면적이 늘어나는 것보다 더 빠르게 증가한다. 그런데 세포가 커지면서 부피가 증가됨에 따라 표면적이 늘어나지만 같은 비율로 커지지는 않는다. 따라서 세포는 높은 표면적 대 부피비를 유지하기 위하여 크기가 작은 것이다.

세포의 모양

세포는 다양한 형태로 표면적의 한계를 극복한다.
신경 세포는 가늘어서 부피당 표면적의 비율이 높고, 적혈구의 납작한 모양이나 소장 상피 세포의 융털 역시 표면적을 넓히는 효과를 나타낸다.

세포의 크기 측정

대물 마이크로미터를 이용해 접안 마이크로미터 한 눈금의 길이를 측정한 후 대물 마이크로미터를 빼고 세포의 크기를 측정한다.

※ 대물 마이크로미터 한 눈금의 길이는1 mm를 100등분한 길이로 10 ㎛이다.

A : 두 마이크로미터의 눈금이 겹쳐진 구간 내의 접안 마이크로미터 눈금 수

B : 두 마이크로미터의 눈금이 겹쳐진 구간 내의 대물 마이크로미터 눈금 수

세포의 크기 = x × 세포가 차지한 접안 마이크로미터 눈금 수

▶ 현미경 마이크로미터

현 미경의 마이크로미터는 광학 현미경에서 시료의 길이를 측정하기 위한 일종의 자로, 접안 마이크로미터와 대물 마이크로미터가 있다. 대물 마이크로미터 한 눈금의 길이는 10 ㎛로 정해져 있지만 접안 마이크로미터는 한 눈금의 길이가 대물렌즈의 배율에 따라 달라지므로 대물 마이크로미터를 이용해 접안 마이크로미터 한 눈금의 길이를 측정해야 한다.

▶ 접안 마이크로미터 1눈금의 길이 측정

접안렌즈 바로 아래에 접안 마이크로미터를 끼우고, 재물대 위에 대물 마이크로미터를 놓는다.
현미경의 배율을 400배로 하고 시야에서 접안 마이크로미터와 대물 마이크로미터의 눈금이 평행이 되도록 접안렌즈를 돌려 맞춘다.
접안 마이크로미터의 눈금과 대물 마이크로미터의 눈금이 일치하는 두 곳을 찾아 그 사이에 있는 눈금 수를 각각 센 다음 접안 마이크로미터 1눈금의 길이를 구한다.

▶ 세포의 크기 측정

① 면봉으로 입 안을 가볍게 문질러 입 안 상피 세포를 받침 유리에 고르게 묻힌다.
② 메틸렌블루 용액을 한 방울 떨어뜨린 다음 덮개 유리를 덮고 거름종이로 여분의 염색액을 제거한다.
③ 현미경으로 입 안 상피 세포를 관찰한 다음 접안 마이크로미터 눈금으로 세포의 크기를 측정한다.
→ 입 안 상피 세포의 크기는 접안 마이크로미터 15눈금에 해당하므로 2.5 ㎛ × 15 = 37.5 ㎛이다.

1809년 프랑스의 라마르크가 용불용설을 주장하였다.

1809년 프랑스의 라마르크(C.Lamarck)는 저서 「동물 철학」에서 용불용설을 주장하였다. 용불용설은 자주 사용하는 기관은 발달하고 사용하지 않는 기관은 퇴화하여 없어지게 된다는 진화에 관한 이론이다. 라마르크는 발달한 기관의 예로는 물새의 물갈퀴와 기린의 목을 들었으며, 퇴화한 기관의 예로는 두더지의 눈 등을 들었다.

라마르크의 용불용설은 환경과 생활 양식 때문에 일어난 변화가 유전 물질에 의해 전달된다고 보는 획득형질의 유전을 기본 가정으로 한 이론이다. 라마르크의 이론이 완전하지는 않았지만 진화 사상을 뚜렷이 체계화시켰다는 점에 의의가 있다.

<용불용설에 의한 기린의 진화 과정>

용불용설

1750년대에 접어 들면서 천지창조에 의해 만들어진 생물들 이외에 자연에 의해 생기거나 변화하는 생물들도 있다는 의견이 제기되기 시작했다. 라마르크는 하나의 종이 다른 종으로 변화할 뿐만 아니라 인간도 다른 어떤 종에서 생겨났다고 생각했다. 그는 하나의 생물은 자신의 생물학적 요구에 따라 새로운 구조나 기관을 생성하게 되고, 이러한 새로운 구조는 자주 사용함으로써 더욱 발달하게 되며, 그러한 획득 형질(개체 변이)은 유전을 통하여 다음 세대로 전달된다고 주장하였다.

기린의 목이 길어지는 과정을 예로 들어 보면, 기린은 높은 곳에 있는 나뭇잎을 따먹기 위해 계속 목을 늘리려는 노력을 할 것이고, 그 결과 목이 길어지며 이 길어진 목이 자손에게 유전된다. 또 자손은 다시 목을 늘리는 노력을 할 것이고 더욱 길어진 목은 다시 다음 자손에게 유전되는 식으로 기린의 목이 계속 길어져서 오늘날에 이르게 되었다는 것이다. 오늘날 라마르크의 이론은 인정되고 있지 않다. 왜냐 하면 획득 형질은 유전되지 않기 때문이다. 그러나 많이 사용하는 기관은 발달하고 사용하지 않는 기관은 퇴화한다는 이론인 라마르크의 용불용설은 생물 진화에 대한 최초의 이론으로서 의미가 있다.

[다윈의 자연 선택설] 생존 경쟁과 진화에 관한 다윈의 학설을 자연 선택설이라고 한다. 그는 이 학설이 생물 진화의 기초가 된다고 하였다. 곧 자연계의 동식물은 자연 도태되어 진화해 간다고 본 것이다. 지구 위의 동식물이 환경에 잘 적응해 나가는 것은 바로 이러한 이유 때문이라는 것이다. 다윈의 자연 선택설은 자연 환경에 적응하는 생물은 살아남고, 적응하지 못하는 생물은 차차 사라져 가는 것을 말한다. 생물은 먹이가 많고 생활하기 좋은 곳을 얻기 위해 끊임없이 생존 경쟁을 하고 있다. 그 경쟁에 이기고 또 외부의 온도나 습도 등에 잘 적응하는 것만이 번성하는 것이다. 자연 선택은 이러한 적자 생존의 결과로 생기는 것이다. 다윈은 이 학설을 1859년 《종의 기원》이라는 책에 발표하였다. 후에 요한센이나 드브리스는 생물의 진화는 자연 선택뿐만이 아니라는 것을 밝혀냈으나, 오늘날에도 이 학설의 근본적인 생각은 인정되고 있다.

[생식질 연속설]

19세기말 독일의 생물학자인 바이스만이 제기한 이론으로 유전물질은 생식질을 통해서 다음 세대로 전달되며 획득형질은 전혀 유전되지 않는다고 주장하였다. 바이스만은 히드로충류에 대한 초기 관찰에서 동물의 생식세포에는 종에 필수적이고 다음 세대로 보존, 전달되는 어떤 것이 있다고 생각하게 되었는데 이 생각은 ' 생식질설'이라는 이론으로 발전했다. 이 이론의 핵심은 모든 생물체가 특수한 유전물질을 가지고 있다는 것이며, 생식질이란 말 대신 염색체, 유전자, DNA라는 용어로 바뀌었을 뿐 현재에도 일반적인 개념으로서 받아들여지고 있다.

[돌연변이설]
1901년 네덜란드의 더 프리스는 (De Vries) 는 돌연변이에 의해 새로운 종이 만들어져 진화가 일어난다고 주장하였다. 돌연변이는 자주 일어나는 것이 아니며, 생식 세포의 유전자에 일어나야 하고, 대부분 생존에 불리한 쪽으로 일어나므로 이것만으로는 진화를 설명하기 어렵지만 진화의 요인으로서 매우 중요하다.

[격리설]
로마네스 (Romanes)와 바그너 (Wagner)는 환경적인 격리가 진화의 요인이 된다는 격리설을 주장하였다. 격리에는 바다, 산맥, 사막 등에 의한 지리적 격리와 생식 기관이나 생식 시기의 변화에 따라 교배가 불가능하게 되는 생식적 격리가 있다.

[교잡설]
로치 (Losty)는 교잡에 의해 만들어진 잡종에 의해 새로운 종이 형성된다는 교잡설을 주장하였다.

2014년 9월 13일 토요일

생명체의 탄생

원시 바다에는 단백질, 핵산, ATP 등 생명체의 출현에 필요한 유기물이 풍부하게 존재하였을 것이다. 과학자들은 생물이 없는 조건에서 원시 생명체가 어떻게 탄생하였는지에 대해 몇 가지 모델을 제시하였다.
코아세르베이트란 여러 유기물이 모인 액체 방울 형태의 무생물을 말한다.유기물들이 물 분자를 붙여 콜로이드 입자 상태로 존재하다가 서로 모여 막이 생기면 코아세르베이트가 생겨난다. 이것은 자연이 아닌 실험실에서 만들어졌으며 오파린이 주장하였다.
마이크로스피어(microsphere)는 크기가 1.4~2.5μm인 구형의 아미노산 중합체(重合體, polymer)로, 지구상에 생명체가 생겨나는데 중요한 역할을 했을 것으로 여겨지는 물질이다.
1959년 폭스(Sidney Fox), 하라다(K. Harada), 켄드릭(J. Kendrick)은 실험실에서 아미노산을 이용해 마이크로스피어를 합성하고, 이 물질에서부터 생명체를 구성하는 기본 단위인 세포가 생겨났을 것이라는 프로테노이드설(proteinoid theory)을 주장하였다.
리포솜(liposoma)은 인지질을 수용액에 넣었을 때 생성되는 인지질 이중층이 속이 빈 방울 같은 구조를 이룬 것을 말한다. 리포솜 내부에 약을 넣어 운반할 수 있다. 막을 통해 주변 환경으로부터 물질을 선택적으로 흡수해 크기가 커질 수 있고, 부피가 커지면 작은 방울이 형성되어 분리된다. 리포솜의 막을 형성하는 인지질이 세포막의 주요 성분인 점에서 리포솜을 세포막의 기원이라 여기며, 초기의 리포솜이 유전물질을 포획해 생명체로 진화한 것으로 추측된다.
원시 생명체로의 진화
마이크로스피어, 리포솜과 같은 것은 그 자체가 하나의 생명체라고 볼 수는 없다. 생명체가 되기 위해서는 유전 물질이 있어서 자기 복제를 할 수 있어야 하며, 생명체가 되기 위해서는 유전 물질이 있어서 자기 복제를 할 수 있어야 하며, 물질대사를 통해 에너지를 획득할 수 있어야 한다.

원핵생물과 독립 영양 생물

최초의 생명체는 세균과 같은 단순한 형태의 단세포 원핵생물이었을 것으로 추정된다.
- 초기의 생명체는 유전 물질과 단백질 합성 기구만을 가지는 원핵 세포 형태의 생명체였다.
- 원핵생물은 막으로 싸인 핵, 미토콘드리아, 엽록체 등의 복잡한 세포 소기관이 없다.
최초의 생명체는 종속 영양 생물로서 물속의 풍부한 유기물을 흡수하여 양분을 얻어 생활 하였다.
원시 지구 대기에는 산소가 거의 없었으므로 초기의 생명체는 획득한 유기물을 산소가 없는 상태에서 분해하는 무산소 호흡을 통해 에너지를 얻었을 것이다.

▶ 원핵 세포의 특징

지구상의 모든 세포는 기본 구조와 기능에 따라 원핵 세포와 진핵 세포로 구분된다.
① 막으로 둘러싸인 핵을 가지지 않는 세포를 원핵 세포라 한다.
② 핵이 없으므로 유전 물질은 세포질 내부에 존재한다.
③ 진핵 세포에 비해 크기가 작다.
④ 단백질 합성 기구 이외에 막으로 이루어진 세포 소기관이 없다.
⑤ 인지질 이중 층과 단백질로 이루어진 세포막을 가지며 세포벽이 있다.

독립 영양 생물의 출현

독립 영양 생물 출현의 배경 - 유기물을 이용하는 종속 영양 생물이 증가하여 물속의 유기물이 점점 감소하게 되자 스스로 양분을 합성하는 독립 영양 생물이 출현하였다.
- 독립 영양 생물은 공기 중의 이산화탄소를 수소와 결합시켜 스스로 유기물을 합성하였다.
- 유기물 합성에 태양의 빛에너지를 사용하는데, 이러한 반응을 광합성이라 한다.
- 초기에 출연한 독립 영양 생물은 이산화탄소를 환원하는 데 필요한 수소를 황화수소(H₂S)로부터 얻었고, 이후 황화수소 대신 물을 이용하는 남세균이 출현하였다.

▶ 남세균 출현

풍부한 물로부터 수소를 얻어 광합성을 하였다. 물을 분해하여 얻은 수소로 이산화탄소를 환원시켜 포도당을 합성하였고, 이때 발생한 산소 기체는 공기 중으로 방출하였다.

→ 남세균이 방출한 산소는 물속에서 포화된 후 지구 대기로 유입되어 이후 생물의 변화에 많은 영향을 미쳤다.

▶ 산소 기체

산소는 반응성이 강해 주변의 물질과 결합하여 이를 산화시킨다.→ 약 20억 년 전에 형성된 퇴적암 속의 붉은 산화철 지층에 그 흔적이 남아 있다.
대기로 유입된 산소가 대기를 구성하고 있던 기체를 산화시킨다.→ 점차 현재와 같은 산소와 질소가 풍부한 대기로 바뀌게 되었고, 오존층이 형성되었다.

질소 기체의 생성：4NH3+ 3O₂ → 2N₂+6H₂O
오존의 생성：3O₂ → 2O₃

대기의 산소 농도 증가 → 산소 호흡 생물의 출현
오존층의 형성 → 해로운 자외선을 막아주어 육상 생물이 출현할 수 있는 환경 제공
산소 호흡 생물 - 대기 중 산소의 증가로 산소를 이용하여 유기물을 분해하여 에너지를 얻는 생물이 출현 → 산소 호흡 생물은 무산소 호흡 생물보다 에너지 효율이 높으므로 산소 호흡 생물이 더욱 빠르게 번성하였다.

2014년 9월 8일 월요일

세포막

1. 세포막

세포를 주위 환경으로부터 분리시켜 세포 내부에서 생명활동이 가능하도록 해주며, 세포막을 경계로 물질의 출입이 일어난다. 세포막을 이루는 주성분에는 인지질과 단백질이 있다.

2. 세포막의 구조

세포막은 인지질 이중 층으로 되어 있으며 여기에 단백질이 박혀 있는 구조이다.
- 인지질：친수성 머리와 소수성 꼬리를 가진다.
- 단백질 : 세포막을 드나드는 영양분과 노폐물 등의 물질 이동 통로로 작용한다.

◇ 인지질

인지질은 수용액 속에서 공 모양의 마이셀 구조를 형성하며, 반지름이 더 커져 내부에도 물이 들어오면 이중 층의 작은 주머니인 리포솜이 된다.
리포솜보다 더 큰 규모의 세포막도 인지질 이중 층이 기본 구조를 이룬다.

◇유동 모자이크 막 모형

막을 구성하는 성분은 약한 상호 작용에 의해 결합되어 있어 특정 위치에 고정되어 움직임이 없는 것이 아니라 유동적으로 움직이는 구조이다.

DNA

유전 형질

형질이란 한 생물체가 갖고 있는 특징을 말하며, 이 중 부모로부터 자손에게로 전달되는 형질을 유전 형질이라고 한다.
유전 형질은DNA로 이루어진 유전자의 작용으로 나타난다.

DNA의 구조

DNA 인산기, 5탄당, 염기로 이루어진 뉴클레오타이드가 길게 연결되어 있는 폴리뉴클레오타이드 가닥이다.
DNA 구조 나란히 놓인 2개의 폴리뉴클레오타이드 가닥이 오른쪽 방향으로 꼬여 있는 이중 나선 구조이다.

▶ DAN의 구조 - DNA가 이중 가닥을 형성할 때, 양 바깥쪽은 인산기와 당이 교대로 연결된 골격이며, 안쪽은 두 가닥의 염기가 서로 마주보고 결합되어 있다.

DNA의 염기 아데닌(A), 구아닌(G), 사이토신(C), 티민(T)의 4종류가 있다.
상보적 염기쌍 DNA가 이중 가닥을 형성할 때, 한 가닥의 염기A는 항상 맞은편 가닥의 염기T와 결합하며, 마찬가지로 염기G는 염기C와 결합한다.

▶ DAN의 염기

① DNA의 염기에는 크기가 큰 퓨린 계열(A, G)과, 크기가 작은 피리미딘 계열(C, T) 이 있다.

②A는T와 2군데에서, G와C는 3군데에서 수소 결합에 의해 상보적 염기쌍을 형성하므로G≡C 결합이AT 결합보다 더 강하다.

③ 퓨린 계열 염기는 피리미딘 계열 염기하고만 염기쌍을 형성하므로DNA의 지름은 일정하다.

DNA 기능

유전 정보의 저장 DNA에는 한 개체의 유전 형질을 나타내게 하는 정보가 저장되어 있다.
유전 정보의 전달 세포 분열 시 DNA는 복제된 후 딸세포에게 전달되며, 자손은 생식 과정을 통해 부모의DNA를 물려받는다.

▶ DNA가 유전 물질이라는 증거

1. 그리피스는 두 종류(R형, S형)의 폐렴쌍구균을 이용한 실험을 통해 형질 전환을 발견함

① 쥐에 살아 있는R형균 주입 → 쥐가 죽지 않음(비병원성)

② 쥐에 살아 있는 S형균 주입 → 쥐가 죽음(병원성)

③ 쥐에 가열 살균한 S형균 주입 → 쥐가 죽지 않음(병원성 소멸)

④ 살아 있는R형균+가열 살균한 S형균 → R형균이 S형균으로 형질 전환 → 쥐가 죽음(병원성 획득)

2. 에이버리는 S형균 추출물에 여러 분해 효소를 처리한 후R형균에 공급해 S형균으로 형질 전환되는지 실험 → DNA 분해 효소를 처리했을 때에만 형질 전환이 일어나지 않음 → R형균을 S형균으로 형질 전환시킨 물질은DNA라는 것을 알아냄

생명 현상의 특성

세포로 구성

1. 세포로 구성

모든 생물은 생명체의 구조적 · 기능적 기본 단위인 세포로 구성되어 있다.

2. 단세포 생물

하나의 세포가 하나의 개체가 되는 생물이다.
예)아메바, 짚신벌레, 반달말, 세균

3. 다세포 생물

많은 세포가 모여 하나의 개체가 되는 생물이다.
예)사람, 코끼리

물질대사

1. 물질대사

생물체 내에서 생명을 유지하기 위해 일어나는 모든 화학 반응
반드시 에너지 출입이 동반되며 효소가 관여한다.

2. 물질대사의 종류

종류	동화 작용	이화 작용
물질의 변화	간단한 물질을 복잡한 물질로 합성하는 과정	복잡한 물질을 간단한 물질로 분해하는 과정
에너지 출입	에너지 흡수(흡열 반응)	에너지 방출(발열 반응)
예	광합성, 단백질 합성	세포 호흡, 소화

◇흡열 반응의 에너지 변화 : 생성물의 에너지가 반응물의 에너지보다 커서 그 차이에 해당하는 에너지가 흡수된다.

◇ 발열 반응의 에너지 변화 : 생성물의 에너지가 반응물의 에너지보다 작아서 그 차이에 해당하는 에너지가 방출된다.

자극에 대한 반응과 항상성 유지

1. 자극에 대한 반응

생물은 빛, 온도, 중력, 소리 등의 자극을 감지하여 적절히 반응한다.
예)몸 쪽으로 물체가 다가오면 피하거나 잡는다. 빛이 강할 때는 손으로 빛을 가린다.

2. 항상성

외부 환경이 변하더라도 체온, 삼투압, 혈당량 등 생물체 내부의 상태를 일정한 범위에서 유지하려는 성질이다.
예)더우면 땀을 흘린다. 짠 음식을 먹으면 물을 많이 마신다.

발생과 생장

1. 발생

수정란이 체세포 분열과 분화를 통해 하나의 완전한 개체가 되는 과정이다.

2. 생장

발생을 통해 생겨난 개체가 세포 수를 늘려 몸의 크기가 커지고 무게가 증가하여 성체가 되는 과정이다.

생식과 유전

1. 생식

생물이 자신과 닮은 개체를 만드는 현상이다.
예)아메바는 이분법으로 번식한다.

2. 유전

생식을 통해 새로 태어나는 개체가 어버이의 형질을 물려받는 현상이다.
예)부모 모두 미맹이면 자손도 미맹이다.

적응과 진화

1. 적응

생물이 환경 변화에 대응하여 형태, 기능, 생활 습성 등을 변화시키는 현상이다.
예)선인장은 잎이 가시로 변해 수분 증발을 막는다. 눈신토끼는 겨울에 털이 갈색에서 흰색으로 변해 천적으로부터 몸을 보호한다.

2. 진화

생물이 오랜 시간에 걸쳐 각기 다른 환경에 적응하면서 유전자가 다양하게 변화되어 여러 형질의 변화가 나타나 새로운 종으로 분화되는 현상이다.

→진화의 결과 오늘날과 같이 다양한 생물종이 나타나게 되었다.

예)살충제에 내성을 가진 슈퍼박테리아가 나타났다.

생물체와 탄소 화합물

▶ 탄소 화합물

탄소 화합물 탄소(C)가 수소(H), 산소(O), 질소(N) 등과 공유 결합하여 이루어진 화합물로 생명체를 이루는 기본 요소가 된다.

▶ 탄소의 구조

탄소는 최외각 전자가 4개이므로, 최대 4개의 공유 결합을 형성할 수 있다.

탄소 원자는 다른 탄소 원자나 그 밖의 다른 원자와 다양한 형태 의 결합을 형성할 수 있어 다양한 탄소 화합물을 생성한다.

생명체는 여러 가지 탄소 화합물에 의해 생명 활동이 이루어지며, 생명 활동에 중요한 탄소 화합물 로는 탄수화물, 지질, 단백질, 핵산 등이 있다.

탄소 화합물의 반응

▶ 탄소 화합물의 반응

탄소 화합물은 여러 개의 작은 탄소 화합물이 서로 결합하여 더 큰 탄소 화합물을 만들거나, 거대한 탄소 화합물이 작은 탄소 화합물로 분해되기도 한다.

탈수 축합 중합 반응 - 물 분자가 빠져나오면서 두 물질이 결합하는 반응으로, 탄소 화합물이 생성될 때 일어난다.
가수 분해 반응 - 물 분자가 첨가되는 반응으로, 거대한 탄소 화합물이 분해될 때 일어난다.

원시 지구와 화학적 진화

▶ 원시 지구의 형성

46억 년 전 형성된 초기의 지구는 미행성체의 충돌로 표면과 내부가 뜨거운 마그마 상태로 추정된다. → 생명이 살 수 없는 환경

미행성체의 충돌로 인해 증발한 수증기와 화산 활동의 결과 나온 수증기들이 대기의 두꺼운 구름층을 형성

→

미행성체의 충돌이 줄어들면서 지구의 표면은 10억 년에 걸쳐 서서히 냉각된 후 많은 비가 내려 넓은 원시 바다와 지각이 형성

→

오존층이 형성되지 않아 강력한 자외선이 지구에 그대로 도달했으며, 번개, 화산 활동으로 인한 다양한 에너지원이 존재

원시 지구의 대기

1. 원시 지구의 대기 - 현재의 대기와 달리 환원성 기체가 대기의 주성분을 이루었을 것으로 추측됨

활발한 화산 활동으로 수증기(H2O), 이산화탄소(CO2), 암모니아(NH3), 메테인(CH4), 수소 (H2) 등이 대기를 이루었다.
원시 지구의 대기에는 산소가 거의 없어서 환원성 기체가 존재할 수 있었고, 이로부터 복잡한 분자가 형성되는 것이 가능했다.
→ 원시 지구 대기 성분으로부터 생물체를 구성하는 유기물이 형성되었을 것으로 생각된다.

2. 환원성 기체

수소, 메테인, 암모니아와 같이 수소 및 수소를 포함한 물질로 이루어진 기체를 환원성 기체라고 한다.

3. 산소

화학적으로 반응성이 큰 기체이므로, 산소가 존재했다면 메테인이나 암모니아와 같이 수소와 결합하여 환원된 물질이 자연적으로 생성되기 어렵다.

생명 탄생의 비밀

1. 자연 발생설

비생물적 요소로부터 저절로 생물이 발생한다는 생각으로 고대부터 여러 학자들이 믿어온 학설이다.

2. 생물 속생설

새로운 생물은 오직 이미 존재하는 생물로부터만 생겨난다는 학설로, 파스퇴르에 의해 입증되었다.
① 파스퇴르의 실험
- 플라스크 안에 고기즙을 넣은 후, 플라스크 목을 S자로 늘여 외부의 공기는 통과하나 이물질은 걸러내도록 장치한다.
- 플라스크를 끓여 고기즙을 멸균한다. → 오랫동안 방치해도 미생물이 발생 하지 않는다.
- 플라스크의 S자형 목을 제거하자 얼마 후 미생물이 활발하게 증식하였다.
② 파스퇴르가 생물 속생설을 확립한 이후 최초의 생명체에 대한 논의가 활발하게 진행되었다.
→ 오파린은 화학 진화설을 발표하였다.

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