생명과학의 이해

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병길 설
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1 1. 생명의기원 1. 생명의기원설 2. 생명의기원물질 3. 원시생명체의탄생

2 생명의공통적특성 생물체 : 생명을가지고스스로생명현상을유지해나가는것 구조 자기조직화 정교하고복잡한체제 항상성유지 Feed back 조절 생물체내의환경을일정하게유지 에너지대사 엔트로피를낮춤 획득한에너지를유용한형태로전환 에너지의흐름, 물질의순환 반응능력 외부환경자극에대한감수성 획득정보에대한대응및활용능력 성장과발생 DNA 정보의발현 RNA 에의한세포의성장과발달과정조절유전과생식 정보복제 정보전달 이동과분산 자원확보 경쟁회피 진화 적응과도태 생명의다양성확보 2

3 1. 생명기원설 1. 자연발생설 2. 생물속생설 3. 천체비래설 4. 화학진화설 5. 생명의물질운석충돌기원

4 1. (Cont.) 1. 자연발생설 : 생물이무생물로부터자연적으로발생 아리스토텔레스의장어 ( 자연발생론 ) 플리니우스의해양생물 ( 자연발생론 ) 아리스토텔레스는장어의회귀성을알지못했다! 플리니우스의장어론 장어는자신의몸을바위에문질러장어가될입자를몸에서떼어낸다. 박물지제 9 권어류의자연사제 74 장어류의발생에서 해양생물발생론 장어가진흙이나축축한땅에서자연적으로자라나는지구의내장에서유래한다. 아리스토텔레스 < 동물의역사제 6 권 14 편 > 딱딱한껍질을가지고있는해양생물은자연의자발적작용으로모래에서만들어진다. 굴은부패한진흙이나한지역에오랫동안정박해있는배또는난파선, 그주변의통나무주변으로모여드는거품에서굴이발생한다.( 이곳은어패류가실재로산란하며군집생활을하는곳 ) 박물지제 9 권어류의자연사제 74 장 4

5 1. (Cont.) 2. 생물속생설 : 생물은반드시생물로부터유래 피에르안토니오미켈리 이탈리아출신의식물학자이며카톨릭신부 ( 자연발생론부정 ) 루이파스퇴르 ( 생물속생설 ) 프랑스의생화학자, 세균학의아버지 생물속생설지지 : 생명은이미존재하고있던생물로부터발생한다 <Nova Plantarum genera> 을통해곰팡이에대한방대한자료를남겼다. 누룩곰팡이 (Aspergillus) 와버섯의포자 (spore) 를처음발견하고기록하였다. 그가이룩한업적은 생명체는부모를닮는다 는레디의결과를자연발생을부정하는몇가지실험을수행하여한번더증명한것이다. 5

6 1. (Cont.) 3. 천체비래설 : 우주의다른천체에존재하는생명체가운석에실려서지구에 도래하였다는가설. 운석을관찰하면운석안에생명체를이루는유기물이존재하고, 우주에무한이많은행성들의존재를볼때지구와같은생명체가존재할행성이있은확률이높다고주장 NASA Scientist Claims Evidence of Alien Life on Meteorite : 운석에서외계생명체화석발견 [NASA, , 07] 6

7 1. (Cont.) 4. 화학진화설 : 화학반응을일으키게하는열, 태양광선, 물등의환경이있으 면간단한무기화합물에서유기화합물이생성된다. 저분자유기화합물은단백질이나핵산등의고분자유기화합물로조금씩중합체로합성된다. 이러한화학적진화가먼저이루어진후, 이고분자유기화합물로부터생명현상을보이는원시적생명체가형성되었다는가설 원시대기 원시대양 저분자 유기물 고분자 유기물 원시 생명체 수증기질소메탄 원시대양 아미노산유기염기당 단백질 RNA DNA 탄수화물 막으로둘러싸인구조체자기복제능력 수소등 지방산등 지질등 에너지회득능력 7

1. (Cont.) 밀러의모델 : 무기화합물에서저분자유기화합물생성실험생명의기원물질생성실험 www.ib.bioninja.com.

8 1. (Cont.) 밀러의모델 : 무기화합물에서저분자유기화합물생성실험생명의기원물질생성실험 원시대기 (1 차대기 ) 가스메탄 (CH 4 ), 암모니아 (NH 3 ), 수증기 (H 2 O) 및수소 (H 2 ) 의혼합가스 ( 무기물 ) 로부터전기방전 ( 전극 - +) 을통하여여러가지아미노산과유기산 ( 유기물 ) 등유기화합물을합성하는데성공 토성의최대위성타이탄대기는 40억년전원시지구대기 ( 메탄, 질소, 아르곤 ) 와유사함 < 호이겐스호 2005, 01> 타이탄육지의검은호수들은대부분석유나천연가스성분인탄화수소, 메탄, 에탄등으로이뤄져있음. 타이탄대기에서 ' 프로필렌 ' 이란플라스틱성분이검출됨 < 카시니호 2013, 10> 8

9 1. (Cont.) 5. 생명의물질운석충돌기원 : 1969년호주에떨어진머치슨운석에서 74종의아미노산을비롯해수많은유기화합물이발견됐다. 이에따라생명을이루는아미노산등단위체의기원이운석이란가설이제기 ( 우주공간에는유기분자가매우많으며, 운석의충돌은흔한일이다. 지구에운석이떨어지고이운석의웅덩이에서원시생명체의진화가이루어졌을것이다.) 원시 간단한 복잡한 원시 대기 유기물 유기물 생명체 운석 아미노산유기염기 단백질 RNA DNA 막으로둘러싸인구조체 지구충돌 당 탄수화물 자기복제능력 지방산등 지질등 에너지회득능력 머치슨운석 9

화학자인스바토플루크치비스가이끄는연구진은초기지구에서발생한행성충돌을대신해고출력레이저를쏘아원시대기구성물질이라추정되는이온화된포름아미드와물에고온 고압 방사선환경을만들었더니 RNA

10 1. (Cont.) 운석충돌에의한생명의물질생성실험 실험에사용된레이저체코과학아카데미 (Academy of Sciences of the Czech Republic) 화학자인스바토플루크치비스가이끄는연구진은초기지구에서발생한행성충돌을대신해고출력레이저를쏘아원시대기구성물질이라추정되는이온화된포름아미드와물에고온 고압 방사선환경을만들었더니 RNA 의네가지핵염기, 즉아데닌 구아닌 시토신 우라실이모두생겨났다. 실험결과생명의기원은 ' 후기운석대충돌기 (Late Heavy Bombardment)' 로알려진 40 억년 ~ 38 억 5 천만년전발생한사건때문이란가설과일치함. 이당시다량의운석들이지구를비롯한태양계내부행성에쏟아져충돌을일으켰고, 이충격으로발생한에너지가지구에존재하던물질의화학반응을촉발해생명의기원물질이탄생했다는것. 10

11 1. (Cont.) 운석충격으로발생한에너지가지구에존재하던물질의화학반응을촉발해생명의기원물질의탄생하였다면, 유사한지구내환경은? 열수분출구는핵염기를길게연결해중합체인 RNA 를만들수있는에너지와영양분의공급처였다. 열수분출구는깊은바다의지각을떠받치는구조판에균열이생긴곳에존재한다. 11

12 2. 생명의기원물질 Which came First RNA or Protein? 센트럴도그마 (central dogma) 가설 DNA 복제 전사 RNA mrna trna rrna 번역 단백질 분자생물학의중심원리로 DNA 의유전정보는 RNA 를거쳐단백질로전달되며, 그반대방향으로는전달되지않는다 는가설 ( 크릭, 1958) 12

13 2. (Cont.) 센트럴도그마반증 : Retrovirus(RNA Virus) 복제 DNA 외피단백질 전사 역전사 RNA mrna 역전사 RNA trna rrna RNA cdna Provirus 숙주 DNA 번역 전사 역전사효소 외피단백질 단백질 번역 조립 방출 Provirus : Retrovirus 가세포내로들어가그유전물질이 RNA 에서 DNA 로바뀐상태의바이러스 13

14 2. (Cont.) The RNA first Hypothesis 1. RNA can self-replicate RNA is able to store information in a sequence of four nucleotides (similar to DNA) Short sequences of RNA have been able to duplicate other molecules of RNA accurately 2. RNA can act as a catalyst Modern cells use RNA catalysts (called ribozymes) to remove introns from mrna and help synthesise new RNA molecules In ribosomes, rrna is found in the catalytic site and plays a role in peptide bond formation 14

15 3. 원시생명체의탄생 1. Conditions for the Origin of Life 2. 마이크로스페어설 3. 코아세르베이트설 4. 생명의출현현장열수분출구 5. 원시생명체 6. 에너지획득의진화 15

16 3. (Cont.) 1. Conditions for the Origin of Life There must have been a supply of replicators, i.e., self-producing molecules. Copying of these replicators must have been subject to error through mutation. The system of replicators must have required a continuous supply of free energy and partial isolation from the general environment. The high temperature in early earth would have fulfilled the requirement of mutation. 16

17 3. (Cont.) 폭스의모델실험유기화합물에서생명현상을보이는마이크로스페어형성 2. 마이크로스페어 (microsphere) 구조 : 크기와그람염색성이세균과유사 물질의이동 : 저장액에서팽창하고이중막을형성하는현상은생명체에서일어나는세포의삼투압과 2중막구조와유사 생식 : 출아형태로분열하는모습은세균과균류의출아법무성생식과유사 유전자발현 : 핵산을넣어주면 RNA나단백질을만드는현상은생명체가유전정보에따라단백질을합성하는것과유사 17

18 3. (Cont.) 3. 코아세르베이트설 무기화합물 유기화합물 원시생명체 ( 코아세르베이트 ) 오파린 (1924, 소련생화학자 ), 오파린은 생명의기원 에서원시대양에축적된유기물들이최초의생명체전단계인코아세르베이트를형성하여생명체로발전하였다고주장함. 18

19 3. (Cont.) 오파린의모델실험고분자유기화합물에서생명현상을보이는코아세르베이트 물분자 물분자층 탄수화물, 단백질, 지질, 핵산등의고분자유기화합물덩어리 코아세르베이트 코아세르베이트 : 두종류의균질수용액이혼합되었을때생기는균질하지않는다수액체방울 코아세르베이트 (coacervate) 구조 : 콜로이드입자가서로결합하여간단한막으로둘러싸인작은액체방울형성. 주위와독립된내부구조를지님 생식 : 어느정도커지면분열한다. 세균의생식과유사한현상 물질의이동 : 주위물질흡착, 지질을흡수하면선택적투과성을지닌단백질, 지방이중층형성. 생명체의세포막과유사 물질및에너지대사 : 핵산, 효소, ATP 등이존재할때물질흡수, 생장, 분열등이나타남. 미생물세포생리현상과유사 19

20 3. (Cont.) 4. 생명의출현현장열수분출구 ( 熱水噴出口 ) 1980 년미국워싱턴대학의존버로스교수팀은생명이존재할수있는가장높은온도를열수분출구 ( 熱水噴出口 ) 를탐사 열수분출구에선 300 도까지가열되고황화철을비롯한광물을많이함유한극히뜨거운물이금간암석에스며든다. 깊은바다는워낙수압이세물이끓지않는다. 열수분출구주변에서찬물을만난광물은더이상물에녹지못하고석출 ( 析出 결정형고체가녹은용액에서결정이만들어지는것 ) 돼굴뚝같은구조가만들어진다. 굴뚝속으론뜨거운물이쉼없이흐른다. 존버로스교수팀은광물기둥을끊어세균이존재하는지확인했다. 굴뚝어디에서나세균을찾을수있었다. 현재까진 121 도의온도범위에서도생명이살수있다는사실이확인됐다. 생명의생존가능범위는이보다더넓을것으로추정된다. 83 년버로스교수팀은열수분출구주변에서생명이처음시작됐을것이란논문을발표했다. 20

21 3. (Cont.) 원시생명체 비세포성생명체 ( 생명현상을보이는비세포성물질 ) 약 40억 ~ 38억5천년전, 자기복제력과물질대사능력을획득한비세포성물질출현 산소가없는상태에서원시대양에축적된주변의유기물을이용하여 ( 발효또는무기호흡 ) 에너지를획득하는최초의종속영양미생물 에너지획득의진화 (Evolution of Modes of Nutrition) 혐기성 화학합성 광합성 호기성 종속영양생물 독립영양생물 독립영양생물 종속영양생물 원시대양 무기호흡 유기물산화 유기물고갈 무기물산화 유기물합성 광에너지고정 유기물합성 O2 발생 유기호흡 유기물산화 21

생명과학의 이해

생명과학의 이해 생명의기원 화학진화 / 원시생명체의탄생 1. 생명의공통적특성 구조 자기조직화 정교하고복잡한체제 에너지대사 엔트로피를낮춤 획득한에너지를유용한형태로전환 에너지의흐름, 물질의순환 반응능력 외부환경자극에대한감수성 획득정보에대한대응및활용능력 이동과분산 자원확보 경쟁회피 항상성유지 Feed back 조절 생물체내의환경을일정하게유지 성장과발생 DNA 정보의발현 RNA 에의한세포의성장과발달과정조절