생물학, 생명과학, 공무원 시험 등 생물과학 요점 정리 1강. 생명체의 탄생
1강. 생명체의 탄생
1. 생명현상
① 생명체는 조직화된 체제를 이루고 있다.
② 생명체는 대사활동을 한다.
③ 생명체는 항상성을 유지하는 능력이 있다.
④ 생명체는 생장한다.
⑤ 생명체는 반응한다.
⑥ 생명체는 환경에 적응한다.
2. 생명체의 기원
가. 자연발생설 : 파리는 썩은 고기에서 자연적으로 발생된다는 가설. 아주 먼 옛날 사람들은 생명체가 그들의 부모로부터 태어나는 것을 당연한 것으로 알았고, 자연발생설은 19세기까지 영향을 미쳤다.
나. 자연발생설의 부정 : 1868년 파스퇴르(Pasteur, L.)가 S자형으로 된 플라스크를 이용한 실험에서, 끓인 고기수프로부터 미생물이 생기는 것은 공기 중의 미생물 때문이라는 사실을 밝혀냄으로써 자연발생설은 그 종말을 고하게 되었다.
다. 진화론
1) 다윈의 진화론 : 1859년 다윈(Darwin, C.R.)은 『종의 기원(The Origin of Species by Means of Natural Selection)』이라는 생물진화에 관한 책을 출간하였으며, 생명체는 오래 전에 존재하였던 생명체로부터 유래되었고 여러 세대를 거듭하면서 진화하여 왔으며, 이러한 생물진화는 ‘변이’와 ‘자연선택’을 축으로 해서 진행된다는 것이다.
2) 진화의 기본단위 : 진화란 개체군 내에서 특정한 대립형질이 변화해 가는 과정을 말한다. 그러므로 진화의 기본단위는 개체가 아니고 개체군(population)이며, 변화하는 대립형질은 대립유전자에 의해 결정된다.
3) 종분화 : 대립유전자빈도가 변화한 개체군은 적응과 격리의 과정을 거쳐 종분화로 이어지게 된다. 진화를 말할 때 개체군 내 대립유전자빈도의 변화를 소진화(microevolution)라 하고, 종분화를 대진화(macroevolution)라고 부른다.
라. 화학적 진화 : 화학적 진화의 가설은 먼저 무기물로부터 간단한 유기물이 생성되고, 이를 바탕으로 하여 보다 복잡한 유기물이 합성된 다음, 계속해서 자기복제와 같은 기능을 갖는 고분자물질이 만들어졌으며, 마지막 단계는 고분자물질이 대사활동을 할 수 있는 원시세포로 진화하여 원시생명체가 탄생하였다는 것이다.
1) 화학적 진화의 무대
① 원시지구의 표면은 H2, He, NH3, CH4, H2O 등 환원성 가스와 지구 내부에서 방출된 CO, N2 등이 함유되어 있었으며, 분자상의 산소는 없었던 것 같다.
② 원시지구가 서서히 냉각됨에 따라 폭우로 변해 원시바다를 이루게 되었으며, 원시바다에는 빗물에 용해된 여러 가지 성분들이 함유되어 있었고, 이들은 유기물 합성의 소재가 되었을 것이다.
③ 물은 화합물들의 반응을 용이하게 하고 온도의 변화를 적게 하며, 강한 자외선으로부터 보호하는 역할을 하며 원시바다는 유기물 합성과 생명체 탄생을 위한 무대가 되었을 것이다.
2) 유기물의 합성
① 원시지구의 대기 상층에는 현재와 같은 오존층이 없었을 것으로 보고 있다.
② 강력한 에너지를 가진 우주선과 햇빛의 자외선이 자유롭게 지표면에 도달하였고, 거기에다 폭우에 수반해서 생기는 번개, 지각에서 방출되는 방사능 등 풍부한 에너지가 공급되었을 것이다.
③ 에너지가 풍부한 조건에서 원시바다에 포함되어 있던 여러 가지 성분들은 메탄(CH4)의 탄소를 중심으로 서로가 중합 또는 다른 화합물들과 결합하여 아미노산·당류·지방산 등 간단한 유기물이 생성되었을 것이다.
마. 원시세포의 형성
① 원시세포의 모델은 코아세르베이트(coacervate)와 프로테이노이드 마이크로스페어(proteinoid microsphere)가 있다.
② 코아세르베이트란 전하가 서로 다른 단백질 용액을 혼합하였을 때 형성되는 물방울 같은 둥근 입자(sphere)를 말한다.
③ 마이크로스페어는 아미노산에 열을 가하여 중합시킨 폴리펩티드 화합물을 뜨거운 물에 녹여서 식혔을 때 생기는 물방울 모양의 둥근 입자로서, 물질의 선택적 흡수와 생장 및 분열 등 생명체의 특성을 나타낸다.
바. 원시생명체의 발달
① 최초의 원시생명체는 원시대기 중에는 산소(O2)가 거의 없었으며, 원시바다에는 화학적 진화과정에서 합성된 유기물이 풍부하였기에 원핵세포로서 혐기성 생활을 하는 종속영양세포였을 것이다.
② 원시생명체인 원핵세포들이 번성함에 따라 바다의 유기물이 줄어들고 이산화탄소(CO2)가 축적되는 등 변화하는 환경에서 햇빛을 이용하여 생활에 필요한 유기물을 합성하는 광합성 능력을 가진 독립영양세포가 출현하였을 것이다.
③ 최초의 독립영양세포는 햇빛으로부터 에너지를 얻고 용해되어 있는 황화수소(H2S)로부터 수소를 얻었을 것이나, 햇빛과 황화수소를 동시에 확보할 수 있는 장소는 매우 제한되었을 것이다.
④ 어느 시기에 일부 독립영양세포가 물로부터 수소를 공급받아 광합성을 시작하였을 것이며, 광합성에 의해 방출되는 산소의 농도가 증가하여 원시대기의 조성이 지금과 같은 상태로 바뀌게 되었을 것이다.
⑤ 대기 중의 일부 산소는 오존(O3)층을 형성하여 자외선을 차단함으로써 자외선 때문에 바다에서만 살던 생명체가 육상으로 진출할 수 있게 되었을 것이다.
⑥ 이와 같은 시나리오는 2가지 형태의 대사를 하는 생명체가 출현하였음을 설명해 준다. 하나는 광합성을 하여 산소를 발생시키는 독립영양생물(autotroph)이고, 다른 하나는 산소호흡을 하여 산소를 이용하는 종속영양생물(heterotroph)이다.
사. 진핵세포의 진화
① 화석에 의하면 지구가 형성된 지 10억 년 후인 35억 년 전에 최초의 원핵세포(prokaryotic cell)가 출현하였고, 진핵세포(eukaryotic cell)는 20억 년 전경부터 출현하기 시작한 것으로 추정된다.
② 원핵세포와 진핵세포에서 DNA와 효소의 기본구조에는 큰 차이가 없지만, 원핵세포는 진핵세포보다 훨씬 간단하며 핵막이 없고 미토콘드리아·엽록체·골지제와 같은 세포소기관이 없다.
③ 과학자들은 원핵세포로부터 진핵세포의 소기관들이 진화하였다고 본다.
④ 막중첩(membrane infolding) 가설 : 초기의 원핵세포 군집에서 서로 다른 기능을 가진 원핵세포의 세포막이 안으로 접혀져서 단일막의 세포소기관들이 생기게 되었다는 가설.
⑤ 내공생(endosymbiosis) 가설 : 2겹의 막으로 된 엽록체와 미토콘드리아의 기원을 설명하는 가설.
3. 생명체의 다양성
가. 진화의 증거
1) 화석기록 : 화석기록에 의하면 척추동물 중에 가장 오래된 것은 어류이고, 양서류, 파충류, 포유류, 조류의 순서로 출현하였다.
2) 생물지리학 : 생물종의 지리적 분포를 보면 진화의 역사를 이해할 수 있다.
3) 비교해부학 : 서로 다른 생물종의 신체구조를 비교함으로써 진화에 대한 중요한 정보를 얻을 수 있다.
4) 비교발생학 : 생명체가 공통의 조상으로부터 진화하였다는 사실을 증명하는 데에는 개체발생 과정을 비교하는 연구가 유용하다.
5) 분자생물학 : 서로 연관된 생명체의 DNA나 단백질의 유사성이 높으며, 같은 종류의 단백질은 특정한 진화속도를 가진다.
나. 생명체의 분류
최근에 생명체의 분류는 원핵세포로 된 박테리아와 아카에아 그리고 진핵세포를 가진 유카리아 등 3영역으로 나누고, 유카리아는 다시 원생생물·식물·곰팡이·동물 등으로 분류한다. 이 분류체계를 3영역(박테리아·아카에아·유카리아) 6계(박테리아·아카에아·원생생물·식물·곰팡이·동물)라고 한다.
확인문제
1. 생명체는 ( ) 때문에 재생산된다.
① 대사 ② 유전자
③ 반응성 ④ 생장
2. 원생생물은 다세포인 것도 있으나 대부분 단세포로 된 진핵생물인데 ( ) 는 광합성하는 원생생물이다.
① 아메바 ② 짚신벌레
③ 녹조류 ④ 곰팡이
3. 현대인과 가장 가까운 최초의 화석인류는?
① 크로마뇽인 ② 라마피테쿠스
③ 오스트랄로피테쿠스 ④ 호모에렉투스
4. 다음 중 잘못 짝지은 것은?
① 다윈―종의 기원 ② 라마르크―동물철학
③ 오파린―생명의 기원 ④ 파스퇴르―자연발생설
5. 원핵세포가 진핵세포에 비해 가장 크게 다른 점은?
① 원핵세포에는 DNA 대신에 RNA만 있다.
② 원핵세포에는 핵막이 없다.
③ 원핵세포에는 엽록체는 있으나 미토콘드리아가 없다.
④ 원핵세포에는 미토콘드리아는 있으나 엽록체가 없다.
6. 생물진화의 근본원인은?
① 개체군의 대립유전자빈도 변화 ② 개체군의 자연선택
③ 생명체의 환경적응성 ④ 생명체의 항상성 유지능력
7. 박테리아세포와 아카에아세포 및 진핵세포에 대한 설명으로 바른 것은?
① 핵은 진핵세포에만 있다.
② 세포벽은 아카에아세포에만 있다.
③ 광합성은 박테리아에서만 이루어진다.
④ 박테리아와 아카에아에는 DNA가 없다.
8. 생명체의 구조적·기능적 구성단위는?
① 분자 ② 세포
③ 생물종 ④ 생물군집
9. 원핵세포와 진핵세포의 특징을 함께 가지고 있는 것은?
① 박테리아 ② 곰팡이
③ 원생생물 ④ 메탄세균
10. 생물권의 구성단위는?
① 개체 ② 생물종
③ 생물군집 ④ 생태계
▣ 정답 및 해설
1. ② 생명체의 재생산은 세포 내에 있는 유전자(DNA)가 자율적으로 복제되고, 세포가 분열하기 때문인데, 유전자에는 생명정보가 수록되어 있다. 간단히 말하면 유전자의 자기복제가 생명의 자기복제인 것이다.(교과서 6쪽)
2. ③ 조류(algae)는 광합성을 하는 원생생물이고, 아메바와 짚신벌레는 비광합성 원생생물이다.(교과서 19쪽)
3. ① 인류의 진화는 오스트랄로피테쿠스(400만 년 전, 원인) → 호모하빌리스(250만 년 전) → 호모에렉투스(180~30만 년 전, 자바원인과 북경원인) → 네안데르탈인(20만 년 전) → 호모사피엔스(4만 년 전, 현대인)로 진행되었으며, 크로마뇽인은 현대인의 최초 화석으로 밝혀졌다.(교과서 20~21쪽)
4. ④ 파스퇴르(1868)는 S자형으로 된 플라스크를 이용한 실험을 통하여 ‘자연발생설’을 부정하였다. 파스퇴르의 실험 결과를 ‘생물발생설’이라고도 한다.(교과서 7~8쪽)
5. ② 원핵세포는 진핵세포와 비교하여 핵막이 없고 미토콘드리아·엽록체·골지체 등 세포소기관이 없다.(교과서 15쪽)
6. ① 진화란 개체군 내에서 특정한 대립형질이 변화해 가는 과정을 말한다. 따라서 진화의 기본단위는 개체가 아니고 개체군이며, 생물진화의 근본원인은 개체군의 대립유전자 빈도 변화에 있다.(교과서 9쪽)
7. ① 박테리아세포와 아카에아세포는 모두 원핵세포로 핵이 없다.(교과서 15쪽)
8. ② 생명체를 구성하는 구조적·기능적 기본단위는 세포로서, 세포에는 특정기능을 수행하는 소기관들이 있고 이들의 작용이 통합되어서 생명현상이 이루어진다.(교과서 4~5쪽)
9. ④ 아카에아세포(고박테리아)는 박테리아세포(진정박테리아)처럼 핵이 없는 원핵세포이고 크기도 작으나, 박테리아와 비교하여 세포벽과 세포막의 구성성분이 다르며, 아카에아의 염기서열은 진핵세포에 더 가깝다.(교과서 18쪽)
10. ④ 지구상에 생명체가 서식하는 모든 지역과 그 속의 모든 생명체를 가리켜 생물권이라 하며, 생물권은 각 지역의 서식조건과 생물군집에 따라 다양한 생태계를 형성한다. 따라서 생태계는 생물권의 구성단위가 된다. 특정 생태계는 특정 지역의 생물군집과 그 지역의 무생물적 환경을 모두 포함하며, 생태계 내에서는 에너지흐름과 물질순환이 이루어진다.(교과서 4~5쪽, 그림 1-1)