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

목차

• 원핵생물의 탄생
• 독립 영양 생물의 출현

원핵생물의 탄생

• 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.

세포막

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.

지구 자기장

지구 표면에서 지구 자기장은 주로 쌍극자의 성질(남극과 북극의 2개의 극을 가짐)을 보인다. 지표에서 멀어지면 쌍극자의 성질이 변화되어 나타난다. 1830년대에 독일의 수학자이자 천문학자인 가우스는 지구의 자기장에 대한 연구를 하여 주요 쌍극자 성분의 근원이 지구 외부가 아닌 지구 내부에 기인한다고 결론을 내렸다. 그가 쌍극자 성분이 지구 반지름의 제곱에 반비례하는 것을 보이자, 다른 과학자들은 지구 자기장을 발생시키는 지구 내부의 원인에 대해서 연구하게 되었다. 이러한 이론들로는 지구가 거대한 막대자석이라는 강자성이론, 여러 가지의 회전이론, 다양한 다이나모 이론 (발전기이론) 등이 있다. 강자성이론과 회전이론은 일반적으로 인정되고 있지 않는데 그 이유는, 강자성이론의 경우 지구 내부 20㎞ 정도의 온도가 퀴리 온도(강자성이 사라지는 온도)에 도달하기 때문이고, 회전이론의 경우 운동하는 물질과 자기장은 근본적으로 관련이 없기 때문이다. 대부분의 지구자기학자는 여러 가지의 다이나모 이론에 관심을 가지고 지구핵에 있는 어떤 에너지원에 의해 자기장이 지속된다고 생각하고 있다. 다이너모 이론에 따르면 지구 핵의 유체 운동에 의해서 전도성 물질이 자기장을 가로질러서 운동하게 되어 전류가 생성 된다. 지구자기 발전기가 발생하는 자기장이 없이는 다른 발생원이 존재할 수 없기 때문에 이 발전기는 중요한 발생원이다.

지구 자기장의 다른 발생원으로는 지각의 자화(지각을 구성하는 고체물질이 지구 자기에 의해 자화되는 것), 이온층 발전기(태양에 의한 이온층의 가열 때문에 자기력선을 가로질러 운동하는 하전 입자), 고리 전류(지표에서 높은 위치에서 하전 입자의 이동에 의해서 발생하는 전류), 자기권계면 전류(지구의 자기장과 태양풍의 경계면을 형성하는 하전입자의 흐름), 꼬리전류(tail current：자기권계면 전류와 유사한 전류), 자기장 방향의 전류(자력선의 회전에 의해서 생기는), 오로라 일렉트로제트(auroral electrojet：북극·남극의 오로라에서 흐르는 넓은 전류층) 등이 있다.