지각과 생명체를 구성하는 물질의 규칙성

우리는 매일 흙이나 암석으로 이루어진 지각에서부터 수많은 동·식물에 이르기까지 다양한 사물과 마주한다. 지각은 다양한 광물로 이루어져 있으며, 생명체는 탄소 화합물을 기본으로 하여 만들어졌다. 이러한 광물과 탄소 화합물은 원소들의 화학 결합으로 만들어진다. 이 단원에서는 지각과 생명체를 이루는 물질들이 어떤 규칙에 따라 결합하고 있는지 확인해 볼 것이다.

단원의 개념 구조도

교과서 P.61 참고자료 <우리의 기원은 심해 열수구?!>

심해 열수구

1977년까지만 해도 모든 생물은 햇빛이 없으면 안 된다는 게 정설이었다. 심지어 햇빛이 닿지 않는 땅 속이나 바다 및 수천 피트 아래에 서식하는 생물들도 위에 있는 태양에너지에 의해 생성된 영양분에 의지해서 살아간다. 그런데 콜리스의 보고서에 있는 생물들은 이 정설에 위배되었다. 콜리스는 화학 작용에 의해 연료를 공급받는 완전히 새로운 생물계를 발견해낸 것이다. 과학자들은 이를 '화학합성 생물'이라고 불렀다. 

화학합성 생물이 생존하기 위해서는 화학물질과 뜨거운 물이 반드시 필요하다.

연구팀은 1997년 열수 분출구의 기체들과 철 무기물을 결합시키는 데서 더 나아가 심해의 조건을 그대로 재현하기 위해 고압의 강철 통 안에서 실험을 실시했다. 고압의 혼합물에서 생성된 분자는 살아 있는 세포의 핵심 성분일 뿐 아니라 복잡한 유기 혼합물의 기본 성분이기도 하다.

 

몇 년 뒤, 마이클 러셀과 윌리엄 마틴은 열수 분출구의 특별한 구조가 유기 분자 탄생의 완벽한 배양기 역할을 했다고 주장했다. 러셀은 이미 1997년에 열수 분출구의 기체들을 액화하고 거기에 철이 풍부한 용액을 첨가하는 실험을 통해 자신의 주장을 입증한 바 있었다. 두 성분을 혼합하자마자 1인치 높이로 벌집 모양의 구조가 형성되었다. 더욱 놀라웠던 것은 새롭게 형성된 이 구조의 막이 철의 농도에 따라 용액을 양분했고, 막 안팎으로 600밀리볼트의 전압 차를 발생시켰다는 점이다. 몇 시간 동안 지속된 이 전압 차는 일반적인 세포막 안팎의 전압 차와 동일했고, 복잡한 혼합물의 형성을 지탱하기에도 충분했다.

 

러셀의 말이 진짜라면 생명이 열수 분출구에서 시작된 것은 물론이고 '반드시' 그곳이어야 했다는 사실을 분명하게 보여준 것이다. 생명의 초기 형태의 토대가 될 수 있는 복잡한 유기 혼합물을 생성할 만큼 충분한 압력과 화학 성분들을 안정적으로 보유한 곳은 열수 분출구 말고는 없었다. 분출구에서 변화가 일어나는 과정은 확실히 신뢰할 만했고, 수백에서 수천 개의 분출구에서 거의 동시에 생명 형태가 출현할 수 있을 만큼 일관성 있다.

 

인간은 이 세상 모든 대양의 소산인 셈이다.

뜨겁고 압력이 높은 혹독한 환경에서 생명이 기원하고 번성했다는 역설을 통해 고난과 역경이 내 삶에서 꼭 부정적인 요인이 아니라는 것을 가슴 깊이 새겨두자.

 

<참고문헌>

제임스 네스터 - 깊은 바다 프리다이버

1. 지각을 구성하는 광물의 규칙성

지각은 대부분 규소(Si)와 산소(O)를 기본으로 하는 규산염 광물로 이루어져 있다.  

이런 규산염 광물의 기본 단위를 규산염 사면체(Si-O 사면체)라 한다.

 

①규산염 사면체 (Si-O 사면체)

 

규산염 사면체(Si-O 사면체)는 규소 1개와 산소 4개가 공유 결합을 이룬 사면체 모양이다. 산소는 탄소나 규소와 같은 다양한 원소들과 결합하기 쉬운 원소라서 지각과 생명체를 구성하는 주요 원소이다.

 

②규산염 광물의 결합 구조

규산염 광물의 결합 구조에서는 규산염 사면체(Si-O 사면체)가 기본 단위가 된다.

 

Si-O 사면체가 다른 Si-O 사면체와 산소 원자를 공유하여 1줄이나 2줄로 길게 이어진 구조, 또는 평면으로 넓게 이어진 구조를 이루며 규칙적으로 결합하여 규산염 광물의 기본 골격을 형성한다.

이 기본 골격 사이에 철, 마그네슘, 칼륨, 알루미늄 이온등 여러 가지 원소의 이온이 결합하며 지각을 구성하는 다양한 규산염 광물이 만들어진다. 

2. 생명체를 구성하는 탄소 화합물의 규칙성

Si-O 사면체가 결합하여 다양한 광물이 만들어지듯이 지구상에 존재하는 모든 생명체는 탄소 화합물의 결합으로 이루어져 있다. 생명체를 구성하는 탄소 화합물의 구조적 규칙성에 대해 알아보자.

 

①탄소의 결합 구조

탄소는 원자가 전자가 4개이므로 하나의 탄소가 4개의 공유 결합을 할 수 있다. 

탄소가 다른 탄소 원자와 결합할 때는 단일 결합, 2중 결합, 3중 결합을 할 수 있고 이를 통해 사슬 모양, 고리 모양 등의 다양한 기본 골격을 이룰 수 있다.

 

탄소의 결합 구조

②탄소 화합물

이러한 탄소 결합 구조에 수소, 산소 등의 여러 원소가 결합하면 무수히 많은 종류의 탄소 화합물이 만들어진다. 탄소 화합물은 생명체를 구성하는 구조적 단위다.

탄소 화합물	기본 단위체	종류
탄수화물	포도당	녹말, 글리코젠, 셀룰로스
지질	지방산, 글리세롤	중성지방, 인지질
단백질	아미노산	근육, 항체, 호르몬, 효소
핵산	뉴클레오타이드	DNA, RNA

 

<탄수화물>

 

왼쪽부터 녹말, 글리코젠, 셀룰로오스/ 육각형 하나가 포도당을 의미함.

녹말은 식물이 저장하는 탄수화물의 형태이고, 글리코젠은 동물이 저장하는 탄수화물의 형태이다.

셀룰로스는 식물 세포벽의 주성분으로 섬유질이라고도 부른다. 셀룰로스는 소화가 되지 않기 때문에 장에 그대로 쌓이면서 장내를 이동할 때 찌꺼기를 같이 쓸어가면서 배출되므로 변비가 있다면 식물을 많이 먹어야겠다.

 

<지질>

 

글리세롤 밑에 세로로 긴 줄은 지방산

중성 지방은 식용유의 주성분으로써 에너지원으로 활용된다. 인지질은 세포막의 주요 구성 성분이다.

 

<단백질>

그림에서 확인할 수 있듯이 아미노산이 결합하여 '펩타이드'라는 구조가 만들어지고, '펩타이드'로 구성된 복잡한 3차원 구조를 '단백질'이라 부른다.

생물이 사용하는 아미노산은 20가지가 있으며 이러한 아미노산이 다양한 조합으로 '펩타이드 결합'을 하여 '펩타이드'라는 사슬을 형성한다. 아미노산 2개가 '펩타이드 결합'할 때 물 분자 1개가 빠져나오게 된다.

이렇게 만들어진 '펩타이드'가 복잡한 단백질의 입체 구조를 결정한다. 이처럼 아미노산이 수십~수천 개가 서로 다른 순서로 결합하여 매우 다양한 구조의 단백질이 만들어지기 때문에 단백질이 우리 몸에서 하는 역할은 매우 다양하다. 

<핵산>

핵산은 모든 생물의 세포에 존재하는 유전 물질로 DNA와 RNA가 있다. 

핵산의 단위체는 '뉴클레오타이드'이다. 뉴클레오타이드는 당에 인산과 염기가 결합한 형태이다.

종류	당	염기
DNA	디옥시리보스	A(아데닌), G(구아닌), C(사이토신), T(타이민)
RNA	리보스	A, G, C, U(유라실)

이처럼 4종류의 뉴클레오타이드가 그림과 같이 결합하여 뉴클레오타이드 사슬 구조를 형성한다. 

이때 RNA는 뉴클레오타이드 사슬 구조 1가닥으로 이루어져 있고, DNA의 뉴클레오타이드 사슬 구조는 이중 나선 구조를 이룬다. 이때 2가닥의 뉴클레오타이드 사슬 구조가 서로 다른 염기와 짝을 이루어 결합함을 확인할 수 있다.

염기 결합

A-T[U] / G-C 이렇게 짝을 이루어 결합함을 확인하라.

 

※ DNA와 RNA의 비교

구분	DNA	RNA
구조	이중 나선 구조	단일 가닥
기능	유전 정보 저장	DNA의 유전 정보를 세포로 전달, 단백질 합성에 관여