안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. 왜 조류는 알을 낳는데 사람은 뱃속에서 새끼를 키우는 것인가요?
안녕하세요. 말씀해주신 것과 같이 조류는 난생의 방식을 택하였고 인간은 태생의 방식을 택하였습니다. 우선 새는 알을 낳아 외부에서 발달시키는 전략을 선택했는데요, 알 속에는 새끼가 성장하는 데 필요한 영양분과 보호막이 들어 있어, 부모가 일정 정도 보살피지만 주로 알 자체가 새끼를 키우는 역할을 합니다. 이와 같은 난생의 경우 알을 낳고 나면 부모는 다른 번식 활동이나 먹이 활동에 집중할 수 있으며, 다만 알이 환경에 노출되기 때문에 포식자에 의한 위험이 있습니다. 반면에 사람을 포함한 대부분 포유류는 자궁 내부에서 태아를 발달시키는 전략을 사용하는데요, 엄마의 몸이 태아에게 영양분과 산소를 공급하고, 배설물도 처리해 주기 때문에 새끼가 비교적 안전하게 성장할 수 있습니다. 이때 외부 환경으로부터 보호받으며 생존율이 높다는 장점이 있지만 단점으로는 엄마의 체력과 자원이 제한되며, 한 번에 낳을 수 있는 새끼 수가 상대적으로 적습니다.또한 조류는 항온 동물이지만, 알이 밖에서 발달할 수 있을 정도로 충분한 난황과 보호를 제공하는데요, 알 속에서도 체온을 유지하려면 부모가 품을 필요가 있지만, 직접 체내에서 발달시키는 것보다는 에너지 비용이 적습니다. 반면에 포유류는 자궁 안에서 태아를 보호하면서 모체 체온을 일정하게 유지하고, 영양과 호르몬 조절까지 제공할 수 있기 때문에 태생이 효율적입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 과연 닭이 먼저일까요? 알이 먼저일까요?
안녕하세요. 생물학적인 관점으로 봤을 때에는 닭보다는 알이 먼저라고 할 수 있습니다. 알은 새가 낳는 알만을 의미한다고 범주를 좁혔을 때 현대의 과학적 진화 이론에 따르면, 닭은 갑자기 자연적으로 생긴 것이 아니라 조류의 조상에서 점진적으로 진화해온 결과로 생긴 종입니다. 즉, 닭의 직계 조상, 쉽게 말하자면 닭과 거의 비슷한 새가 낳은 알 속에서 유전자 돌연변이가 일어나 오늘날의 닭이 태어난 것인데요 이 관점에서는 알이 먼저라고 볼 수 있겠습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 사람은 밤에 잠을 자야 하지만 올빼미와 같은 야행성 동물들은 밤에 깨어있을 수 있는 이유가 무엇인가요?
안녕하세요. 질문해주신 것과 같이 사람이 낮에 활동하고 밤에 잠을 자는 반면, 올빼미와 같은 야행성 동물은 밤에 깨어있을 수 있는 이유는 생체시계와 감각기관의 적응 때문인데요, 모든 동물은 일주기 리듬이라는 24시간 주기의 생체시계를 가지고 있기 때문에 사람은 낮에 활동하고 밤에 수면을 취하도록 진화해 왔습니다. 빛에 민감한 시감각이 이를 조절합니다. 반면에 올빼미와 같은 야행성 동물은 유전적, 생리적으로 밤에 깨어 있도록 생체시계가 조정되어 있는데요, 야행성 동물은 어두울 때 깨어 있도록 멜라토닌 분비가 인간과 달리 조절되며 시각과 활동 신호를 연결하는 뇌 회로가 밤에 활발하도록 진화했습니다. 이와 함께 야행성 동물은 낮 동안 에너지를 아끼고, 밤에 활동하도록 대사율과 호르몬 분비 패턴이 조절되기 때문에 올빼미와 같은 야행성 동물은 밤에 깨어있을 수 있는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 사람은 딱딱한 뼈를 가지고 있는데 문어와 같은 연체동물은 뼈가 없이도 어떻게 이동이 가능한가요?
안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 인간과 같은 척추동물은 딱딱한 뼈와 관절을 이용해 근육과 힘을 전달하고 이동하지만, 문어 같은 연체동물은 뼈 없이도 효율적으로 움직일 수 있습니다. 우선 문어와 오징어 같은 두족류는 근육이 발달한 팔과 몸통을 가지고 있는데요, 이때 몸속에는 체강이라고 불리는 액체로 채워진 공간이 있어, 근육이 수축하면 이 체강 압력이 변하며 팔이나 몸통이 움직입니다. 이를 수압 골격이라고 하는데, 뼈 대신 액체 압력과 근육 수축으로 형태를 유지하고 운동할 수 있습니다. 또한 문어 팔에는 복잡한 근육 배열이 있어, 팔 자체를 길게 늘리거나 구부리거나 회전할 수 있는데요, 이때 흡반을 이용해 바닥을 잡고 미끄러지듯 이동하거나 물을 뿜어내며 추진력을 얻기도 합니다. 즉 연체 동물은 체강의 압력과 근육의 정교한 배열을 활용하여 이동성을 갖는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 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.
생물·생명
Q. 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.
생물·생명
Q. 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.
생물·생명
Q. 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.
생물·생명
Q. 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.
생물·생명
Q. 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.