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사람의 혈액은 빨간색인데 곤충의 피는 투명하거나 초록빛을 띠는 이유가 무엇인가요?
안녕하세요. 질문해주신 것과 같이 사람과 곤충의 혈액 색이 다른 이유는 혈액 속에 산소를 운반하는 물질의 종류와 혈액 세포 구조적 차이 때문인데요, 우선 사람을 포함한 척추동물의 혈액은 헤모글로빈을 가지고 있는데 헤모글로빈은 철(Fe²⁺)을 포함한 헴 그룹을 가지고 있어 산소와 결합합니다. 이때 산소와 결합한 헤모글로빈은 밝은 빨간색을 띠고, 산소가 떨어지면 어두운 빨간색을 띠게 되며 혈액 내 적혈구가 이 헤모글로빈을 가득 담고 있기 때문에 혈액 전체가 빨간색으로 보이는 것입니다. 반면에 곤충은 사람처럼 혈액에서 산소를 운반하지 않는데요 곤충은 트라케아 기관이라는 기체 수송 시스템을 통해 직접 세포로 산소를 공급하기 때문에 따라서 곤충의 혈액은 헤모글로빈이 필요 없어서 대부분 무색 투명입니다. 일부 곤충에서는 헤모시안을 산소 운반 단백질로 쓰는데, 이는 구리(Cu²⁺)를 포함하고 있어서 산소와 결합하면 파란빛을 띠기도 하며 또한 말씀해주신 것처럼 다른 곤충이나 무척추동물에서는 혈액에 색소가 거의 없거나, 기타 대사 물질이나 식물성 색소 때문에 초록빛을 띨 수 있습니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.09.15
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생명의 기원에 관한 과학적 이론은 무엇인가
안녕하세요. 질문해주신 사항에 대해 답변드리자면 생명의 기원에 관한 과학적 이론은 아직 확정된 하나의 답이 있는 것이 아니라, 다양한 가설과 연구들이 함께 제시되고 있는데요, 우선 화학적 진화설, 일명 오파린-홀데인 가설이 있습니다.이는 원시 지구의 대기에 메탄, 암모니아, 수소, 수증기 등과 해양 속에서 번개, 자외선 같은 에너지원이 작용하여 단순한 무기물이 점차 아미노산, 당, 염기와 같은 유기 분자로 합성되었다는 가설인데요, 1953년 밀러-유리 실험에서 실제로 이런 조건에서 아미노산이 합성되면서 큰 지지를 받았습니다.이외에도 심해 열수구 기원설이 있는데요, 태양빛이 닿지 않는 심해 열수구에서 금속 이온과 황화합물이 풍부한 환경이 복잡한 유기분자의 합성과 원시 대사의 시작을 가능하게 했다는 가설이며 이곳에서는 에너지와 원소 공급이 안정적이고, 실제로 지금도 특이한 미생물들이 서식합니다. 하지만 오늘날 과학적으로 생명의 기원은 원시 지구 환경에서 무기물이 유기물로 변환되어 자기 복제 능력을 가진 분자의 등장이 있었고 원시 세포 구조를 형성하여 점진적인 과정을 거쳤다고 보는 것이 주류입니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.09.15
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미토콘드리아 내막의 짝풀림제가 있을 때 유기물에 산화가 더 촉진되는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 미토콘드리아 내막에는 NADH와 FADH₂에서 전자를 받아 산소로 전달하는 전자전달계가 있는데요, 이 과정에서 방출된 에너지는 양성자(H⁺)를 막간 공간으로 펌프질하여 농도 기울기를 만들며 이 농도 구배가 ATP 합성효소를 돌려 ATP를 합성하는 원동력입니다. 원래 양성자 기울기가 충분히 쌓이면 전자전달계의 작동이 점차 억제되는데요, 왜냐하면 이미 기울기가 높으면 추가로 양성자를 펌프질하기 어려워지고, 이는 전자전달 속도를 제한하기 때문입니다. 따라서 ATP 합성 속도가 곧 유기물의 산화 속도와 직결됩니다.반면에 DNP와 같은 짝풀림제는 막간에 축적된 H⁺를 다시 기질 쪽으로 흘려보내는 역할을 하는데요, 그 결과 양성자 기울기가 인위적으로 무너져 ATP 합성효소는 더 이상 효율적으로 ATP를 만들지 못합니다. 이때 ATP 합성은 막혀도, 전자전달계 자체는 여전히 작동할 수 있는데요 짝풀림제로 인해 양성자 기울기가 계속 무너져버리면, 전자전달계는 아직 구배가 충분히 안 쌓였다고 착각하고 더 빠르게 전자를 흘려보내는데 이때 NADH와 FADH₂의 산화가 가속화되고, 결과적으로 TCA 회로가 더 빨리 돌면서 유기물이 더욱 빠르게 산화됩니다. 즉, ATP 합성과 전자 흐름이 분리되었기 때문에, 에너지 생산은 ATP로 귀결되지 않고 대부분 열로 방출됩니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.09.15
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피루브산의 산화 이후 코엔자임A는 어떤 물질이 만들어주는 것인가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 해당과정에서 포도당으로부터 2분자의 피루브산이 생성된 뒤, 산소가 충분히 있는 조건에서는 피루브산이 미토콘드리아 기질로 들어가 피루브산 탈수소효소 복합체에 의해 산화적 탈카복실화 과정을 거치게 됩니다. 이 과정에서 코엔자임 A(CoA)는 새로운 물질로 합성되는 것이 아니라, 세포 내에서 이미 비타민 B5(판토텐산)를 기반으로 합성되어 준비되어 있는 보조 인자인데요, 세포질에서 합성된 CoA는 미토콘드리아 내에서 자유로운 상태로 존재하다가, 피루브산 탈수소효소 복합체가 생성한 아세틸기를 받아들이는 것입니다. 즉 CoA는 아세틸기와 결합하여 아세틸-CoA가 되며 따라서 피루브산의 산화 이후에 코엔자임 A는 새로 만들어지는 것이 아니라, 세포 내에서 기존에 합성되어 준비된 CoA가 아세틸기를 받아들여 아세틸-CoA를 형성하는 역할을 합니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.09.15
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젖산 발효의 생선물로 만들어진 젖산은 어떠한 대사 과정을 거치나요?
안녕하세요. 질문해주신 것과 같이 운동 등으로 인해 근육 세포에 산소가 부족해지면 해당 과정에서 생성된 NADH를 다시 NAD⁺로 재생하기 위해 젖산 발효가 일어나고, 이때 젖산이 부산물로 축적되는데요 세포는 젖산을 그대로 방치하지 않고, 산소가 회복되거나 다른 조직으로 이동시키면서 처리합니다. 이때 혈액 속으로 확산된 젖산은 간으로 운반될 수 있는데요 간 세포에서는 젖산이 다시 피루브산으로 바뀌고, 이어서 포도당신생합성을 통해 포도당으로 전환되며, 이 포도당은 다시 혈액을 통해 근육으로 보내져 에너지원으로 쓰일 수 있습니다. 이와 같은 경로는 코리 회로라고 부릅니다. 이외에도 젖산은 단순한 노폐물이 아니라, 심장 근육 같은 고에너지 요구 조직에서는 즉각적인 연료로 활용되기도 하는데요, 이 경우 젖산은 피루브산으로 전환된 뒤 바로 TCA 회로로 들어가 에너지를 만들기도 합니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.09.15
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발효와 무산소 호흡의 차이는 무엇인가요?
안녕하세요. 질문해주신 것과 같이 발효와 무산소 호흡은 모두 산소가 부족하거나 없는 환경에서 세포가 ATP를 얻기 위해 사용하는 대사 경로인데요, 우선 발효는 전자전달계가 전혀 동원되지 않는 방식입니다. 따라서 해당과정을 통해 생성된 NADH는 세포 내에서 피루브산이나 유도체를 전자 수용체로 사용하여 NAD⁺로 재생되며 최종 산물로는 젖산이나 에탄올과 CO₂등이 만들어집니다. 이때 ATP는 해당과정에서만 2분자 얻어지므로 생산량이 적습니다.다음으로 무산소호흡은 산소 대신 질산염(NO₃⁻), 황산염(SO₄²⁻), 이산화탄소(CO₂) 등 무기 분자를 최종 전자 수용체로 사용하는 전자전달계를 이용하는 방식인데요 즉, 산소가 없지만 여전히 전자전달계와 막을 통한 화학삼투적 ATP 합성이 이루어집니다. 따라서 발효보다 훨씬 많은 ATP를 생산할 수 있으며, 효율은 산소 호흡보다는 떨어집니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.09.15
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닭이 먼저일까 알이 먼저 일까? 과연~
안녕하세요. “닭이 먼저일까, 알이 먼저일까?”에 대해서는 과학계에서도 오래전부터 논의되어 왔던 사항인데요, 우선 닭이 먼저라고 본다면 알은 반드시 닭이 낳는 것이므로, 닭이 있어야 알도 있을 수 있다고 주장할 수 있습니다. 반대로 알이 먼저라고 본다면, 알이라는 생식 방식은 닭 이전의 파충류나 물고기 등에서도 이미 존재했기 때문에, 알 자체는 닭보다 훨씬 먼저 생겨났다고 볼 수 있습니다.진화론적인 관점에서 고려해봤을 때 닭은 약 수천 년 전 야생 붉은 정글새에서 가축화되어 지금의 닭이 된 존재인데요 즉, 닭의 조상 새들이 알을 낳았고, 그 알 속에서 유전적 변이와 자연선택을 거쳐 최초의 ‘닭’으로 불릴 만한 개체가 태어난 것이기 때문에 따라서 ‘닭'이라는 종을 기준으로 보면, 알이 먼저라고 할 수 있습니다. 조상 새가 낳은 알에서 새로운 유전적 조합으로 첫 번째 닭이 태어났기 때문입니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.09.15
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콩팥은 왜 두개인가요 그리고 심장은 왜 하나인가
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 인간은 2개의 콩팥과 1개의 심장을 가지고 있습니다. 우선 콩팥이란 노폐물을 걸러내고 체액을 조절하는 장기인데요, 이 기능은 한쪽만으로도 생존이 가능하지만, 만약 하나가 손상되거나 질병으로 기능을 잃으면 위험해집니다. 그래서 여분으로 두 개가 있어 한쪽이 망가져도 다른 한쪽으로 몸을 유지할 수 있는 안전장치 역할을 하는 것이며 실제로 사람은 신장 하나만 가지고도 살아갈 수 있습니다.다음으로 심장은 온몸에 혈액을 내보내는 펌프 역할을 하는데요, 이 펌프는 끊임없이 일정한 리듬으로 뛰어야 하는데, 만약 심장이 두 개라면 두 펌프의 박동이 어긋날 수 있고 혈류가 불안정해져 생명 유지가 훨씬 더 위험해질 수 있습니다. 따라서 인체는 하나의 강력한 펌프만 두고, 이를 최대한 보호하는 방식으로 진화해온 것입니다. 즉, 말씀해주신 것과 같이 콩팥은 혹시 모를 고장을 대비한 여분이 필요하기 때문에 두 개, 심장은 두 개면 오히려 위험하기 때문에 하나라고 이해하시면 되겠습니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.09.15
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산소가 부족할 때 인간의 근육 세포는 왜 젖산발효를 하나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 인간의 근육 세포가 산소가 부족한 상황에서 젖산발효를 하는 이유는 ATP 생산을 계속 유지하면서도 해당과정이 지속될 수 있도록 NAD⁺를 재생하기 위함입니다. 정상적인 상황에서는 포도당이 해당과정을 거쳐 피루브산으로 분해되며, 이 과정에서 소량의 ATP와 NADH가 생성되는데요, 산소가 충분할 때는 피루브산이 미토콘드리아로 들어가서 TCA 회로와 전자전달계를 통해 NADH가 산화되며 대량의 ATP가 생성됩니다. 이 과정은 산소가 최종 전자 수용체로 작용하기 때문에 가능한 것입니다. 반면에 운동을 할 때 산소 공급이 충분하지 않으면 전자전달계가 원활히 작동하지 못하는데요 이로 인해 NADH가 NAD⁺로 재생되지 못하고 쌓이게 되면, 해당과정이 중단될 위험이 있으며, 해당과정이 멈추면 ATP 생성도 끊기게 되어 근육 세포는 에너지 위기에 빠질 수 있습니다. 따라서 이를 방지하기 위해 근육 세포는 피루브산을 젖산으로 환원시키는 경로를 택하는데요, 이 과정에서 NADH가 산화되어 NAD⁺가 재생되고, 덕분에 해당과정이 계속 진행될 수 있으며 ATP를 소량이라도 지속적으로 생산할 수 있습니다. 따라서 젖산발효는 산소 부족 상태에서 근육 세포가 생존하고 단기적으로 에너지를 유지할 수 있도록 해주는 대체 경로라고 할 수 있겠습니다. 감사합니다.
학문 / 생물·생명
25.09.15
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다른 물질과는 달리 물은 고체 상태에서 더 부피가 증가하는 이유가 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 물은 다른 물질과는 달리 오히려 고체가 되었을 때 부피가 증가하는 물질입니다. 물(H₂O) 분자는 V자 형태로 구부러진 구조를 가지며, 산소 원자와 수소 원자가 104.5° 각도로 결합되어 있는데요 산소는 전기음성도가 높아 부분 음전하를 가지며, 수소는 부분 양전하를 가져 극성 분자가 됩니다.이러한 극성 때문에 수소결합을 형성할 수 있습니다. 물은 액체 상태에서는 분자들이 유동적으로 움직이며 수소결합을 계속 형성하고 깨뜨리기 때문에 분자들이 상대적으로 가까이 모여 있어 부피가 작은데요 즉, 액체 물은 수소결합이 있지만 유동적인 배열 때문에 비교적 밀도가 높습니다. 반면에 얼음에서는 분자들이 고정된 육각형 구조를 형성하는데, 이 구조에서 각 물 분자는 4개의 수소결합을 통해 안정화되며 분자 사이 거리가 액체보다 멀리 떨어지기 때문에 결과적으로 얼음의 분자 배열은 보다 규칙적이지만 덜 촘촘해지면서 부피가 증가하고 밀도는 감소하는 것입니다. 실제로 얼음의 밀도는 약 0.92 g/cm³로, 물(1.00 g/cm³)보다 낮기 때문에 얼음이 물에 뜨게 됩니다. 감사합니다.
학문 / 화학
25.09.15
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