1. 생명현상의 연구
우리는 모두 생명이 무엇인지 알지만 이를 구체적으로 정의하는 것은 쉽지 않다. 우리는 주변에서 살아 있는 것과 살아 있지 않은 것을 구분하고 살아 있는 것을 생물이라고 부른다. 살아 있지 않은 것과 대조적으로 생물은 자신을 스스로 유지하고 새롭게 바꾼다. 이러한 유지와 변화 능력을 잃는다는 것은 생명의 상실을 뜻하며, 죽은 생물은 무생물계의 일부가 된다. 생물학은 생물에 대한 과학적 연구이며, 생물의 다양성과 생명을 구성하는 복잡한 과정을 발견하고 이해하는 것을 목표로 한다. 이때 살아 있는 생물과 죽은 생물 모두 연구 대상이다. 지구상의 생명은 매우 다양하지만 여러 공통된 특징을 공유한다. 일단 공통된 화합물(탄수화물, 지방산, 핵산, 아미노산)로 이루어져 있고, 세포로 이루어지며 새로운 생체분자를 합성한다. 또한 주변 환경에서 얻은 에너지를 통해 생물학적인 일을 하는 데 에너지를 사용한다. 유전정보를 통해 발생, 신체 유지, 기능, 번식하며 이런 유정 정보를 통해 단백질을 합성한다. 시간이 흐르면서 진화한다는 특징도 가지고 있다. 어떻게 이런 특징을 가지고 있으며 이런 유사성이 생명 계의 모든 범위에 걸쳐서 화학적 구성, 세포 구조와 기능, 유전암호에 나타난다는 점에서 모든 생명체는 공통 조상을 가지고 있으며, 현존하는 다양한 생물들은 하나의 생명 형태에서 비롯되었다고 추론할 수 있다. 이러한 공통 조상은 약 40억년 전 존재했음을 알려준다. 물론 모든 생물이 이러한 공통적인 특성을 가지지는 않는다. 가령 사막 식물의 씨앗은 환경으로부터 에너지를 얻지 않고, 내부 환경의 조절, 생식 등을 통해서 생명을 유지하지 않는다. 바이러스 또한 마찬가지이다. 바이러스는 독립적으로 사는 것이 아니라 숙주를 통해 의존하며 살기 때문에 공통되는 특성을 모두 가지고 있는 것은 아니다. 하지만 유전정보를 포함하며 바이러스의 변이를 통해 진화한다는 특성을 보아 바이러스는 세포성 생물에서 진화했다는 가능성이 매우 크기 때문에 많은 생물학자는 바이러스가 생명체의 일부라고 생각한다.
생명의 탄생에는 막 구조가 기여를 했다. 원시 해양에서부터 이런 막 구조는 외부로부터 분리된 내부 환경을 만들어 내면서 스스로 복제하는 세포를 탄생시켰다. 이후로 세포는 수십억년 동안 단일 외막으로 이루어져 있었으며 우리는 이를 ‘원핵생물’이라고 부른다. 여기서 세균과 고균 두 종류로 구분된다. 수십억년 후에 ‘진핵생물’이 생겨났는데 이는 원핵 세포의 막이 안으로 접히면서 세포 안에 소기관들을 형성하며, 이런 소기관들이 구분된 각자의 역할들을 실행하면서 세포 기능을 활발히 이루게 했다. 이러한 진핵생물의 세포들은 어느 순간부터 분리되지 않고 붙어 조직들을 형성하며 생식, 운동, 흡수 등 서로 각자 다른 역할을 수행하면서 세포의 전문화가 이루어졌다. 이는 다세포성 진핵생물의 크기를 증가시키고, 더욱 효율적으로 환경에 적응할 기회가 되었다. 생물은 처음에 모두 바다에서 살았다. 지구 탄생 초기에 지구에는 산소가 존재하지 않았다. 하지만 원핵생물 중에서 광합성을 할 수 있는 생물이 출현하게 됨으로써 생명에 변화가 찾아왔다. 광합성은 태양의 에너지를 화학에너지로 전환하면서 이 에너지를 통해 분자의 합성을 하는 데 이용한다. 더 중요한 것은 광합성을 하면서 생기는 부산물인 산소가 대기 중에 축적되면서 육지에서의 생명 탄생을 야기했다. 이러한 산소가 20억년이 동안 대기에 쌓이면서 대기권 상층부에 두꺼운 오존을 형성하면서 시간이 흐름에 밀도가 높아지면서 오존이 태양으로부터 자외선을 흡수하게 되었다. 마침내 생물들이 물에서 나와 육지에서 생명을 유지할 수 있게 된 것이다. 이 과정에서 O2를 이용하는 호기성 대사와 사용하지 않는 혐기성 대사를 구분할 수 있으며 O2를 사용하는 방법이 더 효율적이기 때문에 많은 생물이 호기성 대사를 가지며 많이 진화하였다.
생물은 진화한다. 생물은 여러 세대를 거치면서 점차 변한다. 이러한 진화 과정은 세대를 거치면서 유전적 구성을 변화시킨다. 다윈은 ‘종의 기원’에서 진화에 대한 증거를 제시했다. 집단 내에서 개체들이 서로 다른 생존, 번식 방법을 가지기 때문에 이를 자연선택이라고 명칭하고 진화에 대한 메커니즘을 설명했다.
다윈은 모든 생물이 공통 조상을 가지고 이런 이유로 서로 관련되어 있다고 주장했지만, 유전 원리까지 알지는 못했다. 그런데도 그는 동식물의 선택교배 과정을 통해 원하는 형질을 가진 품종을 얻는다는 것을 알고 있었다. 따라서 그는 비둘기를 통해 원하는 색과 무늬, 꼬리 모양까지 구분 지을 수 있었다. 특정 형질이 발달한 생물은 특정 환경에서 생존하기에 유리하기 때문에 번식도 잘 이루어진다. 이를 통해 자연선택은 적응을 이끌어 간다. 즉, 특정 환경에 사는 생물은 생존과 번식을 위한 형질을 갖추게 된다. 생물학이 나오기 오래전부터 우리는 자식들은 부모를 닮았다고 믿었으며, 식물 재배와 축산에 있어서 원하는 형질을 가진 품종들을 기르기 위해 이런 사실을 이용해왔다. 이때 멘델은 식물 육종 실험을 통해 유전형질이 별개의 단위로 구분된다는 것을 밝혔다. 이를 유전자라고 부르며 유전학이 탄생하게 되었다. 이런 형질에 대해 많은 연구가 이루어지고, 이런 형질이 어떻게 유전되는지 의문을 가지면서 DNA의 정체가 밝혀졌다. 유전자는 DNA의 특정한 부분으로 세포가 단백질을 형성하는 데 사용되는 정보를 암호화한다. DNA는 단백질을 형성하기 위해 주형으로 사용되는 RNA로 전사되며, 안에 있던 유전 암호는 뉴클레이드 서열이 아미노산의 서열로 어떻게 번역되는지 알려준다. 번역되어 나온 아미노산 사슬이 단백질을 형성하게 된다. 다세포 생물의 모든 세포는 동일한 유전체를 가지지만, 생물의 모든 세포가 같은 구조와 기능을 나타내지는 않는다. 근육세포는 수축단백질, 적혈구는 헤모글로빈 등 각 세포에는 각자의 역할과 기능들이 있다. 이를 통해 생물에 있는 여러 다양한 세포들은 유전체의 서로 다른 부분을 발현한다는 추측을 할 수 있다. 생물의 유전체에는 수천 개의 유전자를 구성하며, 새로운 세포를 복제하면서 이 유전 정보들은 복제되어야 한다. 하지만 복제과정이 완벽하게 이루어지지 않아 몇 가지 오류가 생길 수 있는데, 이를 ‘돌연변이’라 칭한다. 이는 자연적으로 이루어지며, 화학물질에 의해, 또는 방사선에 의해 인공적인 요인을 통해 발생하기도 한다.
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