안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
화학
Q. 용액의 총괄성이란 무엇을 의미하나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 '용액의 총괄성'이란 용액의 성질 중에서 그 크기가 용질의 화학적 성질에는 무관하고 오직 입자의 수에만 의존하는 성질을 말하는 것인데요 즉, 용질이 설탕인지, 소금인지, 포도당인지 같은 종류는 중요하지 않고, 용액 속에 들어 있는 입자의 개수가 중요하다는 개념입니다. 이러한 용액의 총괄성은 크게 4가지로 나뉘는데요, 첫번째는 증기압 내림으로 이는 용질이 섞이면 용매 분자의 휘발이 방해되어 증기압이 감소한다는 것입니다. 두번째는 끓는점 오름으로 이는 증기압이 낮아졌으므로 끓기 위해 더 높은 온도가 필요하게 됨을 의미합니다. 세번째는 어는점 내림으로 이는 용질 입자가 섞여 있으면 고체 결정이 형성되기 어려워져 어는점이 낮아진다는 것입니다. 마지막은 삼투압으로 반투막을 사이에 둔 용매 이동 현상에서, 용질 입자가 존재하면 삼투압이 생기는 것입니다. 감사합니다.
화학
Q. 전해질과 비전해질의 끓는 점 오름이나 어는점 내림이 다르게 나타나는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 끓는점 오름과 어는점 내림은 모두 용액의 총괄성의 한 예시라고 할 수 있는데요, 용액 속에 존재하는 입자의 수에만 의존하고, 입자의 종류에는 직접 의존하지 않는 특징을 가지고 있습니다. 설탕, 요소와 같이 비전해질의 경우에는 물에 녹아도 이온으로 분리되지 않는 물질은 분자 그대로 용매에 존재하는데요, 따라서 용액 내 입자 수는 단순히 녹인 분자 수, 즉 몰농도에 비례합니다. 반면에 NaCl, KBr, H₂SO₄와 같이 전해질은 물에 녹을 때 이온으로 해리되는데요, 이때 하나의 분자가 여러 개의 이온으로 쪼개지므로, 동일한 몰 수의 용질을 녹였더라도 용액 속의 입자 수가 더 많아집니다. 즉, 전해질 용액은 같은 농도의 비전해질 용액보다 끓는점은 더 많이 오르고, 어는점은 더 많이 내려갑니다. 감사합니다.
화학
Q. 끓는점 오름과 어는점 내림에 사용되는 상수값은 어떠한 요인에 의해서 변화될 수 있나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 끓는점 오름(ΔTb)과 어는점 내림(ΔTf)을 다룰 때 사용되는 끓는점 오름 상수(Kb)와 어는점 내림 상수(Kf)는 용질의 종류가 아니라 용매의 성질에 의해 결정되는 값인데요, 즉 이는 용매가 무엇인지가 중요합니다. 해당 상수 값에 영향을 주는 요인으로는 증발이나 융해에 필요한 에너지가 클수록, 즉 상변화가 어렵고 안정적일수록 상수값은 작아지는데요, 예를 들자면 물은 융해 엔탈피가 비교적 크기 때문에 어는점 내림 상수(Kf)가 작습니다. 감사합니다.
화학
Q. 실제 용액의 거동을 용해열의 측면에서는 어떻게 설명할 수 있나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 이상 용액은 용질-용매 분자 간 상호작용의 세기가 용질-용질, 용매-용매 간의 상호작용과 동일하다고 가정하고 있는데요, 따라서 혼합 과정에서 추가적인 에너지 변화가 없고, 용해열은 0이 되며, 이 경우 라울의 법칙이 그대로 적용되어, 부분 증기압이 단순히 몰분율에 비례하게 됩니다.반면에 실제 용액에서는 용질-용매 상호작용이 원래의 분자 간 힘과 같지 않기 때문에 용해열은 0이 아닌데요, 양의 편차는 용질-용매 상호작용이 상대적으로 약한 경우이며, 따라서 서로 잘 끌어당기지 못하므로 분자들이 쉽게 기상으로 도망가 증기압이 상승합니다. 이때 혼합 과정에서 기존의 강한 용질-용질, 용매-용매 인력이 끊어지고 약한 상호작용으로 대체되므로 흡열 반응이 됩니다. 반면에 음의 편차는 용질-용매 상호작용이 매우 강하기 때문에 서로 강하게 잡아당기므로 분자가 증발하기 어려워 증기압이 낮아지며 이때 혼합 과정에서 기존의 인력보다 더 강한 인력이 새로 생겨나므로 발열 반응이 됩니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 열대우림의 식물들이 키가 크고 큰 잎을 가지고 있는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 열대우림의 식물들이 키가 크고 큰 잎을 가지게 된 이유는 열대우림이라는 특수한 환경 조건에 적응한 결과라고 할 수 있는데요, 열대우림은 연중 기온이 높고 강수량이 많으며, 다양한 식물이 밀집하여 자라는 환경이기 때문에 빛, 수분, 공간과 같은 자원에 대한 경쟁이 매우 치열합니다. 이러한 환경에서 살아남기 위해 식물들은 큰 키를 가지게 되었는데요, 열대우림의 하층은 나무들이 빽빽하게 들어서 있어 햇빛이 거의 도달하지 못합니다. 따라서 나무가 위로 높이 자라야만 광합성을 수행하기에 충분한 햇빛을 받을 수 있는데요, 실제로 열대우림의 대표적인 교목층 식물들은 40m 이상 자라며, 이는 빛을 독점하려는 생존 전략이라고 보시면 됩니다.또한 큰 잎을 가지는 이유는 제한적인 빛을 최대한 효율적으로 흡수하기 위해서인데요, 특히 하층이나 중층에 위치한 식물들은 위쪽 나무들이 빛을 가려 버리기 때문에 남아 있는 적은 빛이라도 효과적으로 모을 수 있도록 잎의 표면적을 넓게 발달시킨 것입니다. 이와 함께 열대우림의 높은 습도로 인해 수분 손실 위험이 적기 때문에 넓은 잎을 유지하는 것이 가능하다고 보시면 됩니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 건생식물과 수생식물은 각각 어떠한 특징을 가지고 있나요?
안녕하세요. 네, 질문해주신 것과 같이 식물은 서식 환경에 따라 생존 전략이 달라지며, 건생식물과 수생식물은 서로 반대 환경에 적응한 특징을 나타냅니다. 우선 건생식물은 고온 건조한 사막, 암석지대 등 물이 부족한 곳에서 서식하는데요, 잎 면적이 작거나 바늘 모양으로 줄어 증산작용이 감소하며 표면에 두꺼운 큐티클과 털 구조를 형성하여 수분 손실 방지하게 됩니다. 또한 뿌리가 깊거나 넓게 퍼져서 지하수 흡수 극대화되어 있는 형태입니다. 다음으로 수생식물은 호수, 강, 습지 등 물이 풍부한 환경에서 서식하는데요, 잎이 넓고 얇아 광합성 효율이 극대화되며, 기공은 대부분 잎의 표면 윗면에만 존재합니다. 해면조직이 발달되어 있어서 공기 주머니로 물속에서 산소를 공급하며 이때 줄기나 뿌리가 약하고 부유하는 경우도 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 식물의 잎에서 외떡잎식물인지 쌍떡잎식물인지에 따라서 인맥의 구조에 차이가 나타나는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 식물의 잎에서 외떡잎식물과 쌍떡잎식물의 잎맥 구조 차이는 주로 발달 과정과 유전적, 호르몬적 조절 차이에 비롯된 것입니다. 잎맥을 보았을 때 외떡잎 식물은은 잎맥이 평행하게 나열되어 있고, 잎 전체에 일정한 간격으로 뻗으며, 작은 가지로 거의 분지되지 않습니다. 반면에 쌍떡잎 식물은 잎맥이 그물망 형태이며, 주맥에서 여러 측맥이 분지되어 잎 전체에 그물망 모양으로 연결되어 있는 형태입니다. 이때 잎맥은 엽 관다발의 발달 과정에서 결정되는데요, 우선 외떡잎식물은 잎이 길이 방향으로 성장하면서 엽맥이 주로 한 방향으로 배열되어 있으며, 측맥의 분지가 적어 잎맥이 평행하게 나타납니다. 쌍떡잎식물은 주맥에서 여러 측맥이 반복적으로 분지하며 발달해있으며, 분지된 관다발이 서로 연결되어 그물망 형태를 형성하고 있습니다.또한 이 과정에서 호르몬이 영향을 미치는데요, 옥신은 관다발 형성과 잎맥 방향성을 조절하는 화학적 신호이며 외떡잎 식물에서는 옥신의 흐름이 주로 직선적이지만, 쌍떡잎 식물은 옥신이 분기 패턴을 만들어 다양한 방향으로 흐름이 나타납니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 식물의 광호흡은 왜 발생하며 이는 식물에게 어떠한 악영향을 미칠 수 있나요?
안녕하세요. 네, 말씀하신 것처럼 식물은 고온건조한 환경에서 루비스코로 인하여 광호흡을 진행할 수 있는데요,광합성의 탄소 고정 단계에서 중요한 역할을 하는 효소는 루비스코입니다. 루비스코는 CO₂를 기질로 사용하여 3-포스포글리세르산(3-PGA)을 생성하는데, 동시에 산소(O₂)와도 반응할 수 있는 특성이 있는데요, 고온, 건조, CO₂ 농도가 낮은 환경에서는 루비스코가 산소를 기질로 사용할 확률이 높아집니다. 이때 산소와 반응하면 포스포글리콜산이라는 물질이 생성되며, 이를 처리하기 위해 식물은 광호흡 경로를 통해 다시 3-PGA를 재생하기 때문에 광호흡은 루비스코가 CO₂ 대신 O₂와 반응하기 때문에 발생하며, 환경 조건에 따라 빈도가 증가하는 것입니다. 다만 이러한 광호흡이 진행되면 여러 문제가 생길 수 있는데요, 광호흡 과정에서는 ATP와 NADPH가 소모되지만, 최종적으로 고정된 탄소(3-PGA)는 줄어듭니다. 즉, 광합성을 통해 얻을 수 있는 에너지 효율이 감소하며 광호흡 중 일부 탄소가 CO₂ 형태로 방출되는데요, 특히 건조하고 고온인 환경에서 CO₂ 방출이 많아지면, 식물은 효율적으로 탄소를 축적하기 어렵습니다. 게다가 에너지와 탄소가 불필요하게 소모되므로, 광합성에 사용 가능한 자원이 줄어들어 생장 속도가 늦어지고 수확량이 감소할 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. GMO 작물에서 제초제 저항성 형질은 어떠한 원리로 작용할 수 있나요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것처럼 제초제 저항성 작물이 어떻게 작용하는지 이해하려면 먼저 제초제가 식물에 어떤 영향을 주는지를 아는 것이 중요합니다. 우선 제초제란 잡초의 특정 대사 경로나 단백질을 억제하여 생장을 막거나 죽게 만드는 화학물질인데요, GMO 작물에서는 이러한 제초제의 표적 작용을 회피하거나 무력화할 수 있는 유전자를 도입함으로써 저항성을 획득할 수 있습니다.대표적인 사례는 글리포세이트에 대한 저항성인데요, 글리포세이트는 식물의 EPSPS 효소를 억제하여 아로마틱 아미노산에 속하는 페닐알라닌, 타이로신, 트립토판 합성을 막습니다. 하지만 GMO 작물에는 제초제에 결합되지 않는 형태의 EPSPS 유전자를 도입합니다. 따라서 작물은 제초제가 있어도 정상적으로 아미노산을 합성할 수 있고, 제초제에 민감한 잡초만 선택적으로 죽게 됩니다.이와는 또 다른 방식은 제초제가 작용하기 전에 제초제를 분해하거나 불활성화하는 효소를 발현하는 방식이며, 예를 들어 바스타라는 제초제는 글루타민 합성 효소를 억제하여 식물의 대사를 방해합니다. GMO 작물에는 bar 유전자를 넣어 phosphinothricin acetyltransferase라는 효소를 발현하게 되며, 이 효소는 제초제 성분을 아세틸화하여 무해한 물질로 바꾸어 버리므로, 작물은 살아남고 잡초는 피해를 입습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 식물이 광합성을 통해 생성한 포도당은 어떠한 경로를 통해 에너지원으로 전환되나요?
안녕하세요. 네, 식물은 광합성을 통해 스스로 포도당을 합성하지만, 그 자체가 바로 에너지로 사용되는 것은 아니며, 여러 대사 경로를 거쳐 실제 에너지원인 ATP로 전환하게 됩니다. 광합성으로 생성된 포도당은 잎의 엽록체에서 바로 쓰이기도 하지만 대부분은 자당 형태로 전환되어 체관을 통해 뿌리, 줄기, 열매 등으로 운반되는데요, 또 일부는 전분 형태로 잎에 일시적으로 저장되었다가 필요할 때 분해되어 사용됩니다. 포도당은 세포질에서 해당과정을 거쳐 피루브산으로 분해되며, 이 과정에서 소량의 ATP와 NADH가 생성되며 포도당 1분자는 해당과정을 통해 ATP 2분자, NADH 2분자를 얻게 됩니다. 생성된 피루브산은 미토콘드리아로 들어가 아세틸-CoA로 전환되고, 이후 TCA 회로에 들어가는데요, 이 단계에서 다량의 NADH와 FADH₂가 생성되며, 이들은 후속 과정인 전자전달계의 연료가 됩니다. 또한 소량의 ATP도 직접 생성됩니다.다음으로 TCA 회로에서 생성된 NADH와 FADH₂는 전자전달계(ETC)에 전자를 전달하는데요, 전자가 미토콘드리아 내막을 따라 이동하면서 양성자 기울기가 형성되고, ATP 합성효소에 의해 대량의 ATP가 합성되며 포도당 1분자로부터 총 약 30~32 ATP가 얻어집니다. 감사합니다.