안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. 미토콘드리아와 엽록체는 세포 분열 시기의 어느 시점에 복제가 이루어 지나요?
말씀하신 대로 미토콘드리아와 엽록체는 이중막 구조, 고유의 환형의 이중나선 DNA, 70S 리보솜, 그리고 독자적인 단백질 합성 시스템을 갖추고 있어 세포 내에서 일정 수준의 자율성을 지니는데요, 원래 핵 DNA는 세포주기에서 S기 동안 일괄적으로 복제됩니다. 그러나 미토콘드리아와 엽록체의 DNA는 핵과 달리 세포 주기의 특정 단계에만 제한되지 않고, 세포가 살아 있는 동안 연속적으로 복제될 수 있습니다. 또한 세포가 분열기에 진입하기 전에는 미토콘드리아와 엽록체의 복제가 활발해져, 새로 분열할 두 딸세포에 충분히 분배될 수 있도록 수를 늘리는데요 하지만 이 복제는 핵 DNA처럼 한 번만 일어나는 것이 아니라, 세포의 대사 상태, 에너지 수요, 환경 조건에 따라 수시로 조절됩니다.마지막으로 세포분열이 진행되는 과정에서는 새로 형성된 미토콘드리아와 엽록체가 능동적으로 방추사에 의해 나뉘는 것이 아니라, 세포질 분열 과정에서 무작위적, 확률적으로 분배됩니다. 따라서 분열 전에 복제가 충분히 이루어져 있어야 양쪽 딸세포가 정상적인 기능을 유지할 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 위상차 현미경의 원리는 무엇인가요?
일반적인 광학 현미경에서 살아 있는 세포를 그대로 관찰하면 대부분 무색 투명하기 때문에, 빛이 거의 흡수되지 않고 단순히 굴절률의 차이만 존재하는데요, 이 경우 망막에는 명암 대비가 거의 생기지 않아서 세포 구조를 뚜렷하게 보기 어렵습니다. 반면에 위상차 현미경은 바로 이 굴절률 차이에 따른 빛의 위상 변화를 명암으로 변환시켜 보여주는 장치입니다.세포 안의 세포질, 세포핵, 소기관들은 굴절률이 조금씩 다릅니다. 굴절률이 높은 부분을 통과한 빛은 속도가 늦어지고, 낮은 부분을 통과한 빛은 상대적으로 빠르게 지나가는데요, 따라서 물질에 따라 빛의 위상이 미세하게 어긋나게 됩니다. 이때 위상 차이만으로는 우리 눈이 감지할 수 없기 때문에, 이 차이를 밝기의 차이로 변환해야 합니다.위상차 현미경에는 특별한 위상판이 장착되어 있는데요, 세포를 통과하지 않고 그대로 들어온 직접광은 위상판에서 강제로 위상을 더 지연시키거나, 때로는 강도를 줄여 줍니다. 반면 세포 내부를 지나면서 산란된 회절광은 위상판에서 거의 영향을 받지 않습니다. 이렇게 위상이 달라진 직접광과 회절광이 다시 합쳐지면, 간섭 현상에 의해 특정 부분은 밝게, 다른 부분은 어둡게 나타나게 되는 것인데요, 굴절률이 높은 부분은 위상 지연이 커져 상대적으로 어둡게 보이며 굴절률이 낮은 부분은 밝게 보이게 되는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 핵형 분석 시에 저장액을 처리하면 적혈구와 혈소판이 용혈되는 원리는 무엇인가요?
말씀해주신 것과 같이 핵형 분석 과정에서 사용하는 저장액 처리로 적혈구와 혈소판을 제거할 수 있습니다. 우선 저장액은 혈장보다 낮은 삼투압을 가지고 있는데요 세포가 저장액에 노출되면, 삼투압 차이 때문에 물이 세포 안으로 유입됩니다. 그 결과, 삼투압에 약한 세포들은 팽창하다가 용혈 되어 파괴됩니다. 이때 저장액 환경이 주어지면 적혈구는 핵이 없는 세포로서, 세포 내부의 삼투압 조절 능력이 제한적이기 때문에 저장액에 노출되면 물이 빠르게 들어오지만, 이를 조절할 소기관이나 기작이 부족해 곧바로 팽창 후 용혈됩니다. 다음으로 혈소판 역시 핵이 없는 세포 파편이므로, 삼투압에 매우 취약하기 때문에 저장액 환경에서 쉽게 붕괴됩니다. 반면에 백혈구는 핵과 다양한 세포소기관을 가진 진핵세포로서, 세포골격과 세포막 안정성이 상대적으로 강한데요 따라서 삼투압 변화에 일정 부분 대응할 수 있으며, 완전히 용혈되지 않고 세포 형태를 유지할 수 있습니다. 오히려 저장액 처리 덕분에 백혈구의 핵이 팽창하여 염색체가 퍼지고 잘 펼쳐져 관찰하기 좋은 상태가 됩니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 황세균과 달리 홍세균은 역전자 전달을 수행하는 이유가 무엇인가요?
황세균은 단순한 무기물, 예를 들자면 황화수소를 전자공여체로 사용하는 무산소 광합성 세균인데요 광계(P680 유사 구조) 하나를 이용하여 순행적 전자 전달만 수행합니다. 순행적 전자 전달에서는 전자 → 전자수용체 → NAD(P)⁺ 환원 → 탄소 고정 과정이 일어나며, ATP는 주로 광화학적 구동력으로 합성됩니다. 이때 황세균은 주로 NAD(P)H 생성에 큰 부담이 없고, ATP 요구량도 상대적으로 낮아 역전자 전달이 필요하지 않습니다.반면에 홍세균은 단일 광계(P870)를 사용하며, 무산소 조건에서 유기물 또는 H₂S 등 다양한 전자공여체를 이용합니다. 하지만 P870에서 순행적 전자 전달만으로는 NAD(P)H를 충분히 생성하기 어려우며, NAD(P)H를 환원시키려면 전자 운반체의 전위가 충분히 낮아야 하는데, P870 광계 단일로는 직접 NAD(P)H를 환원할 수 있는 충분한 에너지가 없습니다. 따라서 홍세균은 ATP 생성과 NAD(P)H 생성을 분리할 필요가 있는데요, 홍세균은 단일 광계 구조로 NAD(P)H를 충분히 만들 수 없기 때문에, ATP와 환원력 생성 요구를 분리하기 위해 역전자 전달을 수행하는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 진화론의 증거에 대해서 알려주세요!!
진화론의 증거로는 첫번째로 '상동기관'이 있습니다. 서로 다른 종에서 구조는 다르지만, 공통 조상에서 유래한 기관을 말하는데요 예를 들자면 포유류의 앞다리 뼈 구조는 형태와 기능이 달라도 뼈 배열이 유사합니다. 두번째로는 '상사기관'이 있는데요 형태나 기능은 비슷하지만, 진화적 기원은 다른 기관을 의미하며 새와 곤충의 날개를 예로 들 수 있고, 상사기관은 수렴진화를 보여주며, 환경 적응이 독립적으로 일어났음을 증명합니다. 세번째로는 '잔재기관'이 있는데요, 과거 조상에서 기능이 있었으나 현재는 거의 또는 전혀 기능이 없는 기관을 의미하는 것으로 인간 꼬리뼈, 고래의 후지돌기를 예로 들 수 있으며 이는 과거 진화사의 흔적을 나타냅니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 광합성에는 빛이 필요한데 왜 콩나물을 키울 때는 검은 비닐봉지를 씌워놓나요?
네, 말씀해주신 것과 같이 일반적으로 식물은 광합성을 통해 포도당을 합성하며, 이 과정은 빛이 필요합니다. 빛은 엽록체 내 광계에서 전자를 들뜨게 하고, 이를 통해 ATP와 NADPH를 생성하여 CO₂와 H₂O로부터 탄수화물을 합성하는 데 사용되는데요, 따라서 대부분의 식물은 빛이 있어야 정상적으로 성장하며, 잎이 녹색으로 발달합니다. 하지만 콩나물은 흔히 암조건, 즉 빛이 거의 없는 상태에서 재배되는데요 검은 비닐봉지를 씌워 어둡게 만드는 이유는 빛을 차단하여 엽록소 합성을 억제하여 줄기와 잎이 연한 색으로 자라게 하고 줄기 연장을 촉진하여 길고 연한 콩나물을 얻기 위함입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 다른 동물들과 다르게 인간은 극도로 종의 다양성이 부족하다고도 하는데 왜 그런 결과가 나왔을까요
네, 말씀해주신 것과 같이 인간이 다른 동물에 비해 극도로 종의 다양성이 부족합니다. 현대 인류는 약 20~30만 년 전 아프리카에서 기원했으며, 초기 인구 규모가 매우 작았는데요 이러한 작은 초기 개체군은 유전적 다양성을 크게 제한했습니다. 예를 들어, 최근 연구에 따르면 현대 인류의 유전체는 단일 집단에서 확장된 특징을 강하게 보여주며, 초기 인류 집단 간 교류가 제한되어 유전자 풀이 좁았습니다. 또한 과거 인류 역사에서 빙하기, 질병, 식량 부족 등으로 인해 인구가 급감한 시기가 있었는데요 소수의 생존 집단이 남아 다시 인구를 늘리는 과정에서 유전적 변이가 감소하고, 특정 유전자형이 우세하게 되는 현상이 발생했습니다. 이로 인해 현대 인간은 다른 포유류나 생물군에 비해 종 내 유전적 다양성이 낮아진 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 티로신으로 다양한 물질을 만들 수 있는 이유는 무엇인가요?
네, 말씀해주신 것과 같이 티로신이 다양한 생리활성 물질의 전구체로 작용할 수 있습니다. 티로신은 방향족 아미노산으로, 벤젠 고리와 하이드록실기(-OH)를 포함하고 있는데요 이 벤젠 고리 구조는 다양한 화학적 변형이 가능하게 하며, 하이드록실기는 효소 반응에 중요한 기능을 제공합니다. 따라서 티로신은 단순히 단백질 구성 요소뿐만 아니라 생체 내 여러 대사 경로에서 다양한 물질로 전환될 수 있습니다.티로신으로 합성 가능한 물질로는 신경전달물질 및 호르몬을 포함한 카테콜아민 계열이 있는데요, 도파(DOPA) → 도파민 → 노르에피네프린 → 에피네프린을 거쳐 형성되며 신경전달, 스트레스 반응, 혈압 조절 등의 역할을 수행하고 티로신의 방향족 고리가 효소에 의해 하이드록실화와 탈카복실화를 거쳐 변환됩니다. 이외에도 피부색과 머리카락의 색을 결정하는 멜라닌 색소 역시 티로신으로부터 합성이 되는데요, 티로신 → DOPA → 도파퀴논 → 멜라닌 단계로 합성이 이루어지며 자외선 차단, 색소 형성의 기능을 지닙니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 조류와 식물은 어떤 차이가 있는 것인가요?
말씀해주신 것과 같이 조류와 식물은 둘 다 광합성을 수행한다는 점에서 공통점을 갖습니다. 우선 조류란 대부분 단세포 또는 간단한 다세포 구조를 가지고 있으며, 뿌리·줄기·잎 같은 특수한 조직은 없는데요 세포벽은 종에 따라 셀룰로오스, 규산, 석회질 등으로 구성될 수 있습니다. 이때 조류는 진핵세포이므로 핵, 엽록체, 미토콘드리아 등을 가지고 있지만, 기관 분화가 낮습니다.다음으로 식물이란 다세포 조직이 고도로 분화되어 뿌리, 줄기, 잎, 꽃, 관다발 등 복잡한 기관을 형성하며 세포벽은 주로 셀룰로오스로 구성되어 있으며, 식물 특유의 구조와 기능을 갖추고 있습니다. 광합성 외에도 호르몬, 신호 전달, 생식 기관 발달 등 다양한 생리적 기능이 발달했다는 특징이 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 지구 온난화로 빙하 속에 있던 박테리아가 인간에게 감염될 가능성이 높을까요?
네, 질문해주신 것처럼 남극, 북극, 심지어 시베리아 영구동토층에는 수만~수십만 년 전의 미생물이 얼음 속에 냉동 상태로 휴면하고 존재할 수 있는데요 이 박테리아들은 극한 환경에 적응한 상태로 살아남아 있으며, 대체로 저온, 낮은 영양 상태, 낮은 산소 농도 등에 적응되어 있습니다. 다만 대부분은 극한 환경에서만 생존하는 종으로, 인간 체내와 같은 고온, 영양이 풍부한 환경에서는 바로 활발하게 증식하지 못할 가능성이 높습니다.이때 고대 박테리아 대부분은 병원성을 가지지 않거나, 현대 인간 면역에 영향을 주기 어려운 상태인데요, 하지만 이중 일부 미생물은 유전자 변이나 수평 유전자 이동을 통해 병원성을 갖게 될 수 있지만, 이는 드문 사례입니다. 또한 빙하가 녹으면서 박테리아가 환경에 풀리더라도, 인간과 직접 접촉할 가능성, 예를 들어 식수나 식품을 통해 흡입되거나 섭취되는 경우가 제한적이기 때문에 접촉 기회가 극히 제한적이면 감염 위험은 낮아집니다. 감사합니다.