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.

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.

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.

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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

목차

• 세포의 크기
• 세포의 모양
• 세포의 크기 측정

세포의 크기

• 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.