[펌다음상식] 별, 남조류, 중력붕괴, 생명의 기원/ 2011.7.14 보충

[박희용]

과학 상식 2011.5.26.hwp

세부 자료와 사진은 첨부물에 유

생명의 기원

 1) 자연발생설: 생물은 자연계에서 존재하는 무생물로부터 우연히 발생한다.

  ① 아리스토텔레스

  ② 헬몬트(1964): 땀에 젖은 더러운 셔츠와 밀이삭을 21일간 방치해 두었더니 셔츠에 배인 땀 속의 활

                          력에 의해 쥐가 생겨났다고 주장

  ③ 니담(1745): 닭고기즙과 야채즙을 가열하여 시험관에 넣고 코르크 마개를 막은 후 다시 가열해서 방

                       치해 두었는데도 미생물이 발생

  ④ 레벤후크

 2) 생물속생설 : 생물은 이미 있던 생물로부터 발생한다.

  ① 레디(1688): 생선 도막을 각각 두 개의 병에 넣고,

                        한쪽은 뚜껑을 씌워서 파리가 들어가지 못하게 하고  → 구더기 생기지 않음

                        다른 쪽은 뚜껑을 씌우지 않고 열어둠 → 구더기 생김

  ② 스팔란차니(1765): 니담의 실험반복, 충분히 끓여 밀폐해 둔 고기 국물에서 미생물이 생기지 않음

                                 조금 끓여 느슨하게 막은 곳에서만 미생물이 발생

  ③ 파스퇴르: S자형 플라스크 이용

                    → 플라스크 속에 미생물이 발생하는 것은 공기 중에 있는 미생물, 포자 때문

 3) 원시대기와 생물의 출현

  ① 원시대기: 수소(H₂), 메탄(CH₄), 암모니아(NH₃), 수증기(H₂O)

                     이산화탄소, 산소 없음(선소-화학결합력이 강하여 유리상태의 산소로 존재하기 어려움)

  ② 유기물의 생성

   ㄱ. 밀러의 실험

   ㄴ. 폭스의 실험

       : 간단한 아미노산이 화산이나 용암 등에 의해 뜨거워진 원시 해양에서 단백질이 되는 경우 가상

   ㄷ. ATP, 핵산의 형성: 암모니아, 시안화수소 ――가열―→ 아데닌, 구아닌

                                   포름알데히드(HCHO) ―――――→ 리보오스

  ③ 원시생명체의 탄생

     : 유기물이 모인 액정의 코아세르베이트 → 무기호흡을 하는 종속 영양생물

   ㄱ. 코아세르베이트: 생명은 없으나, 효소, 핵산이 존재할 경우 주변물질을 몸 속으로 받아들임

                                 생장, 출아, 분열을 함

                                 단백질, 핵산 첨가 → 원시 생명체

   ㄴ. 무기호흡을 하는 종속 영양생물의 출현

      : 코아세르베이트, 마이크로 스피어 → 무기호흡을 하는 종속 영양생물

                           ∵) 원시 대기에는 산소(O₂)가 없었다.

                                원시 해양에는 많은 유기물들이 촉적되어 있었다.

                                광합성과 같은 복잡한 대사를 수행할 수 있는 효소계를 갖추지 못했다.

   ㄷ. 독립 영양생물의 출현

     a. 출현원인: 무기호흡을 하는 종속 영양생물에 의해 유기물 감소.

                        원시해양과 대기 중에 CO₂ 증가

     b. 최초의 독립 영양생물: 홍색황세균, 녹색황세균

                              12H₂S + 6CO₂ + 빛에너지 → C₆H₁₂O₆ + 6H₂O + 12S

     c. 물로부터 수소 얻고, 산소 방출하는 광합성 생물- 남조류 출현

                             12H₂O + 6CO₂ + 빛에너지 → C₆H₁₂O₆ + 6H₂O + 6O₂

   ㄹ. 유기호흡을 하는 종속 영양 생물의 출현

     a. 출현원인: 광합성 생물의 출현으로 대기 중에 산소 축적

     b. 산소 ―자외선→ O₃ : 오존충 형성 ← 육상 생물이 출현하게 됨

     c. 유기호흡을 하는 생물의 출현으로 대기 중의 CO₂의 농도 증가 → 녹색식물 번성

  ④ 진핵생물의 출현 (진핵생물- 핵막과 막으로 구성된 세포 소기관을 갖는 생물)

  ㄱ. 공생설: 미토콘드리아, 엽록체- 독자적인 DNA를 가짐

                  → 호기성 세균과 남조류가 세포 속에 들어와 공생, 분업화함으로써 나타난 세포소기관

  ㄴ. 막진화설: 대부분의 세포 기관이 막으로 구성되었다는 점에서 출발

                      원형질이 막구조를 이루고, 이 막구조가 세포 기관으로 분화된다는 주장

지구 대기의 진화
그림 3. 광합성에 의해 대기 중에 산소를 방출한 스트로마톨라이트	지구는 46억년이라는 역사 동안에 적어도 세 번의 대기 조성을 가졌던 것 같다. 1차 대기는 “행성으로서의 지구”에서 밝힌 바와 같이 충돌 탈가스 현상에 의하여 형성된 수증기와 이산화탄소가 주를 이루고 질소가 약간 포함되어 있었을 것으로 추정된다. 한편 현재의 대기는 질소와 산소가 대부분을 차지하고 있다. 어떻게 하여 대기의 조성이 이렇게 전혀 다르게 바뀔 수 있었는가? 지구 탄생 후 수증기와 이산화탄소의 보온 효과에 의하여 지구 표면이 마그마의 바다를 형성하게 되었으며, 지구의 냉각과 더불어 대기 중에 머물던 수증기는 대부분 비가 되어 지표로 낙하하여 원시 바다를 이루었다. 이에 따라 대기의 주성분은 이산화탄소가 되게 되었다. 이산화탄소를 주로 하는 대기는 대륙의 성장, 해양에서의 침전 작용과 원시 바다에서 탄생한 생명체들에 의하여 소비되어 그 양이 점점 줄어들게 되었고, 이에 따라 질소가 대기의 주성분을 이루기 시작하였다.
그림 4. 서호주에 있는 선캄브리아기 호상철광층. 짙은색 부분은 철광층이고, 흰색은 처트(진흙층)이다.	산소를 만들어 낸 가장 중요한 기구는 생명의 탄생으로부터 시작되었다(그림 3). 광합성 과정을 통하여 대량의 이산화탄소가 유기 화합물과 산소로 바뀌었다. 최초의 유기물 합성은 약 33억년 전, 박테리아가 이산화탄소와 황화 수소를 화학적으로 결합시켜 영양분을 얻고 있었던 때로서, 이 때에는 유리 산소가 없었다. 약 30억년 전에는 원시 식물인 청록조가 광합성을 시작하여, 이산화탄소와 물과 햇빛으로부터 영양분을 만들고 부산물로 산소를 내놓았다. 이것은 대기 중에 산소의 축적을 가져왔으므로 생명의 역사에서 가장 중요한 단일 사건으로 볼 수 있다. 만일 대기 중에 산소가 없었다면 육상 생물은 출현하지 못하였을 것이다. 그러나 대기 중 유리 산소는 대단히 느린 비율로 증가하였는데, 이것은 철의 존재에 기인한 것으로 간주할 수 있다. 유리 산소가 있기 이전 약 10억년 동안은 철-규산염 광물을 형성하면서 철은 규소-산소(Si-O)와 결합하였다. 그러나 결합력이 강한 산소가 나타나자 철은 산소와 결합하여 산화물로 퇴적되기 시작하였다. 풍부했던 철은 거의 수억년 동안 산소를 소비하면서 산화철 광물을 층상으로 퇴적시켰다. 지구는 수억년 동안 녹슬면서 현대 사회가 수확할 수 있도록 많은 대륙에 풍부한 철 퇴적물을 남겨 놓았다(그림 4).
생명의 기원
그림 5. 원시 대기의 성분으로 추정되는 기체로부터 최초의 유기물을 합성한 밀러의 실험 장치.	오늘날 지구상에 서식하고 있는 모든 동식물은 어버이들의 생식 작용을 통하여 탄생한 것임을 잘 알고 있다. 그러나 언제, 어떠한 과정을 통하여 지구상에 이러한 생물이 출현하였는가에 관해서는 아직 아무도 정확한 설명을 해 줄 수 없다. 생명의 기원에 관한 문제는 모든 인류의 가장 큰 관심사임에는 틀림없다. 따라서 이 문제에 관하여 종교적인 또는 철학적인 입장에서 해석하려는 시도들이 있어 왔으며, 현재에도 이같은 입장에서 설명하려는 경향이 있다. 그러나 근대 과학의 발달에 따라 자연 과학적인 입장에서 생명의 본질과 기원에 관한 연구가 최근 들어 본격적으로 행해지고 있으며, 이에 따라 생명의 기원에 관한 의문점들이 많이 해결되고 있다. 생물이 무생물로부터 자연적으로 생겨났다고 하는 자연발생설(Spontaneous generation)은 1864년 파스테르(Louis Pasteur)의 실험에 의하여 부정되었다. 그는 열로 완전히 소독된 죽은 생물에 서는 박테리아는 물론 어떠한 생물도 생길 수 없음을 입증하여, 생물은 반드시 다른 생물로부터 유래된다는 생물속생설(Biogenesis)을 주장하였다. 그렇지만 그 역시 최초의 생물이 어떻게 하여 지구상에 출현하였는가에 대한 해답은 제시하지 못하였다. 우주의 다른 천체에 존재하는 유기체가 운석에 실려서 지구상에 생명체가 도래하였다는 소위 ‘천체비래설’(Cosmozoa theory)은 운석 내에 유기물 분자가 존재하고, 우주 내에 생명체가 존재할 확률이 높은 것으로 보아 상당한 설득력을 지니고 있다. 그러나 이 가설은 생명의 기원에 대한 해답을 지구에서 다른 곳으로 옮겨 주는 데 지나지 않기 때문에 궁극적인 해답이 될 수는 없다. 1924년 러시아의 젊은 생화학자 오파린(A. Oparin)은 그의 저서 "생명의 기원(Origin of life)"에서, 원시 지구에서 무기물로부터 유기물로의 화학적 진화가 먼저 이루어진 후, 이 유기물로부터 원시 생물이 출현하였다는 화학적 진화(Chemical evolution)를 제기하였다. 미국의 밀러(S. Miller)는 1953년 원시 대기의 성분으로 추정되는 메탄, 암모니아, 수증기 및 수소의 혼합 가스로부터 전기 방전을 통하여 유기화합물인 여러 가지 아미노산과 유기산을 합성하는데 성공하여 오파린의 이론을 뒷받침하게 되었다(그림 5). 원시 지구의 대기 성분이 밀러가 실험에 사용했던 기체 혼합물처럼 환원적인 것인지, 혹은 이산화탄소, 수증기, 질소를 주성분으로 하는 산화적인 것인지는 논란이 되고 있다. 밀러의 실험이 발표된 후, 에너지원으로서 방전 이외에 방사선, 자외선, 열 등을 이용하여 원시 대기 성분으로서 가능성이 있는 여러 가지 기체 혼합물의 화학반응이 많은 과학자들에 의하여 행해져 각종 아미노산이나 유기화합물이 생성되는 것이 확인되었다. 현재 생명의 기원에 대한 연구는 지질학자, 생물학자, 생화학자 및 천문학자들이 서로 밀접히 연관되어 활발히 추진되고 있으며, 원시 지구상에서 무기물의 자연발생적 진화를 통하여 생물이 출현하였다는 실험적인 증거가 많이 얻어지게 되었다.
가장 오래된 생물들
그림 6. 가장 오래된 생명체 중의 하나인 35억년된 남조 식물 화석.	과거 지질 시대를 통하여 수없이 많은 종류의 생물들이 지구상에 출현하였지만 그들의 대부분은 전멸하여 지층 내의 화석(fossil)으로 남아 있을 뿐이다. 이런 화석은 지구상에 어떤 생물이 최초로 출현하였으며, 이들이 어떤 경로로 현재의 생물로 진화되어 왔는가를 알 수 있게 해 준다. 확실한 생물 기원의 가장 오래된 화석은 오스트레일리아 서부에 발달된 와라우나(Warrawoona)층군에서 스트로마톨라이트(stromatolite)와 함께 발견된 원시적 세포의 탄질물 유기체이다(그림 6). 이들은 소형의 구형체와 섬유상 화석으로서 현생 남조류와 유사하며, 화석을 포함하고 있는 암석은 35억년의 절대 연령을 가진다. 남아프리카 바버턴(Barberton) 근처의 피그트리층(Fig Tree Series)은 32억년의 나이를 가지는데, 이 속에서 박테리아와 남조류의 화석이 발견되고 있다. 이와 같은 화석들의 증거로 보아 지구 역사의 초창기에 이미 생물들이 지구상에 출현하였음을 알 수 있다. 초기 생물들은 대부분 박테리아와 남조류 등 원시적인 하등 생물이었을 것으로 추정할 수 있다. 지구상에서 가장 오래된 암석으로 알려진 그린랜드 이수아 지방에 분포하고 있는 약 38억년 된 암석 중에서도 현미경적 탄질물체가 발견되었다. 이들이 생물 기원인 것이지는 아직 확실하지는 않지만, 만일 생물 기원으로 판명된다면 지구상의 생물 출현은 약 40억년 전까지 거슬러 올라가 거의 지구 형성 초기에 출현하였다고 볼 수 있다.
	한편, 지구상에서 가장 오래된 동물 화석은 미국 그랜드캐년에서 발견된 단세포 동물 키티노조아(chitinozoa) 화석으로서, 12억년 된 지층에서 산출되고 있다. 가장 오랜 다세포 무척추 동물 화석은 오스트레일리아 남부 에디아카라 힐스(Ediacara Hills)에서 발견된 해파리, 해면 등이다(그림 7). 이들을 포함하고 있는 규암층의 나이는 7억년이다. 이로 미루어 보아 선캄브리아기 말기에 이미 여러 종류의 다세포 동물이 생존하였음이 분명하며, 다만 이들은 아직 단단한 골질부나 껍질을 같지 못한 연체 부분의 생물이었다고 생각된다.
그림 7. 호주의 에디아카라에서 발견된 동물 화석들. (A) 모소니아 스프리지, 해파리와 같은 부유생물로 생각됨. (B) 딬킨소니아 코스타타, 이상한 벌레 모양의 생명체.
생명체와 탄소 순환
	탄소는 생명체의 기본적인 구성 물질이다. 그것은 바위, 토양, 물, 식물과 동물체, 그리고 대기권 내에서 발견된다. 탄소는 산소와 결합하여 이산화탄소가 되는데, 지구의 대기 중에는 약 0.03%의 이산화탄소가 존재한다. 표면상으로는 매우 적은 이 탄소는 생물체에 매우 중요한 원소이다. 또한 생물체는 전 지구적인 기후 조절의 열쇠를 쥐고 있는 방대한 탄소 순환에서의 탄소 이동에 중요한 역할을 한다. 식물들은 광합성을 할 때 대기 중의 이산화탄소를 사용하여 영양분을 만들고 다시 동물들에게 먹히게 된다. 식물과 동물의 배설물에는 탄소가 들어 있고, 이것은 비에 의해 바다로 운반된다.
그림 8. 탄소의 순환. 생명체의 기본 구성물질인 탄소는 대륙, 해양, 대기와 생물체 그리고 지구내부 사이를 순환한다.	대기 중의 이산화탄소가 구름 속의 물방울 속에 녹아 들어가 탄산을 만드는데, 비가 되어 지표로 떨어질 때 약한 산성을 띠게 된다. 빗물은 암석과 토양을 흐르면서 동식물의 유기 배설물로부터 더욱 많은 탄소를 모으게 된다. 바다에서는 대륙붕에 사는 어류와 플랑크톤들이 이산화탄소와 칼슘을 사용하여 껍질을 만든다. 이 껍질들이 해저에 가라앉아 석회질 연니를 형성하게 된다. 지각의 판 운동으로 해저의 연니는 마침내 침강대로 운반된 후, 맨틀로 빨려 들어가게 되는데, 여기서는 열에 의해 이산화탄소가 빠져 나온다. 마그마에 녹아 있던 이산화탄소는 마침내 화산 활동을 통하여 지표로 나오게 되는데, 화산이 수 톤의 이산화탄소를 대기 중으로 뿜어낼 때, 이 탄소는 탄소 순환의 출발점으로 다시 돌아와 새로운 탄소 순환(carbon cycle)을 시작하게 된다(그림 8). 이 탄소 순환은 지구 역사의 초기부터 있어 왔다. 계속해서 빠져나오고 재 순환하는 탄소는 지구를 온화하게 하고, 광합성 물질을 제공하며 대기 중으로 재 순환될 석회질 퇴적물을 이루고 있다. 지구의 각 영역에 있는 탄소들은 아마도 30회 정도의 순환을 한 것 같으며, 이 순환은 지구에 생명체가 있고, 판 운동이 진행되는 동안에는 계속될 것이다. 만일 이런 것들이 없다면 탄소 순환은 약 15,000년 이내에 붕괴되고 말 것이다.

[청정]

그림을 못봐 안타깝군요 생명의 기원설이 난무 합니다만 아직 현대의 과학으로는 못 풀엇는가 봅니다 ㅋㅋㅋㅎㅎㅎㅎ
지수화풍공으로 보는 기원도 있는 걸로 아는데 무시무종이지요 전 그리 생각 합니다

[박희용]

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