【생물학】 34강. 공통계보설

34강. 공통계보설

 

추천글 : 【생물학】 생물학 목차

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1. 생명의 기원설 [본문]

2. 원시생물 등장 [본문]

3. 원핵생물의 출현과 산소혁명 [본문]

4. 진핵세포의 기원 [본문]

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1. 생명의 기원설 : 생화학자 혹은 물리학자의 영역 [목차]

⑴ 생명의 탄생에 대한 가설

① 자연발생설 : 생명은 무생물에서 저절로 발생된다는 학설 (기각)

○ 무생물 + 활기(생기) → 생물

○ 아리스토텔레스를 비롯한 고대 그리스인들이 주장

② 생물속생설 : 생명은 생명으로부터 태어남 → 최초의 생명(생명의 기원)은? (보충 필요)

○ 증거 1. 스팔란치니(Spallanzani) 실험

○ 증거 2. 파스퇴르 실험(1862년) : S자형 플라스크 이용

③ 신자연발생설 (= 화학진화설)

⑵ 생명의 기원에 대한 가설

① 천체비래설 : 운석을 타고 박테리아가 지구상에 등장 (그럼 다른 행성은?) (기각)

○ 반례 : 운석에 아미노산이 L-form, D-form이 혼재되며 생명체는 L-form만 사용

② 창조설 : 성경에서 전하는 바대로 생명이 기원 (반증가능성↓) (기각)

③ 화학진화설 : 화학물질로부터 최초의 생명이 탄생

⑶ 무기물에서 생명의 기원 가설 (Oparin, A. I; 1924년) : 홀데인-오파린의 가설이라고도 함

① 지구의 무기물에서 최초의 유기분자들이 합성

② 유기단량체로부터 중합체 형성

③ 중합체가 자기 복제를 시작

④ 중합체가 주위의 다른 중합체들과 화학적 특성을 가지고 결집하면서 최초의 생명 탄생

 

 

2. 원시생물 등장 [목차]

⑴ 원시지구의 환경

① 강한 환원성 대기

② 바다의 생성 : 지구가 냉각되면서 H2O가 응축

③ 번개, 화산활동, 자외선이 훨씬 강함

⑵ 최초의 유기물 형성

① 밀러의 실험 : 환원성 기체가 풍부한 원시지구에서 무기적 과정으로 유기물 자연 발생 가능성 입증

○ 환원성 기체 : CH4, NH3, H2O, H2. 산소는 거의 없었음

○ 무기적 과정 : 고온 상태, 방전

○ 1953년 : 용기의 내벽에 생긴 적갈색의 얇은 막과 용액을 종이 크로마토그래피 방법으로 분석

○ 2008년 : 개선된 장비를 사용하여 실험 잔존물을 재분석 → 생물이 지닌 20가지 아미노산 발견

② 폭스의 실험

○ 유기분자 용액을 뜨거운 모래나 진흙 위에 떨어트리면 단량체 중 일부가 농도 상승에 따른 중합체를 형성

○ 프로테노이드 : 아미노산이 자발적으로 중합된 폴리펩티드

○ 핵산, 단백질, ATP 등 고분자 유기물이 원시 바다에서 합성됐을 것이라고 추정

⑶ RNA 세계 (RNA world) : DNA가 자가촉매 기능이 없어 제안된 모델

① 최초의 유전자가 RNA라는 증거

○ 증거 1. 자발적으로 중합 : RNA 단량체가 자발적으로 짧은 RNA 중합체가 될 수 있음

○ 증거 2. RNA는 단백질 효소의 도움 없이 자가복제가 가능 (상보적 RNA 가닥)

○ DNA 복제는 RNA 복제 과정에 비해 복잡하고 효소가 많이 필요함

○ 증거 3. 촉매기능을 가진 RNA(ribozyme)

○ RNA의 1차 구조 : 사슬

○ RNA의 2차 구조 : hairpin

○ RNA의 3차 구조 : ribozyme (예 : snRNA, 23s rRNA, 28s rRNA, RNase P(RNA 분해 효소 기능), RNase E)

○ 촉매 기능 : 복잡한 입체구조를 형성할 수 있고, 반응성이 높은 OH기를 가지고 있기 때문에 가능

○ 예 1. RNA 스플라이싱, RNA 중합반응

○ 예 2. rRNA는 펩티드 결합 반응을 촉매할 수 있음

○ 예 3. rRNA의 일차 전사체는 효소의 도움 없이 스스로 인트론을 제거할 수 있음

○ 예 4. 작은 RNA 분자를 이용하여 대장균의 tRNA 일차 전사체를 자르고 붙이는 일이 가능함

○ 증거 4. 역전사 효소

② RNA 세계 : RNA 단량체의 혼합용액이 우발적으로 최초의 유전자를 만든 뒤 계속 상보적 가닥을 만들던 시기

③ RNA와 단백질의 공진화 : RNA가 생성한 단백질이 다시 RNA를 보호 및 촉진

④ DNA-RNA system : DNA를 생성하고 그로부터 RNA 사본을 만드는 새로운 효소의 진화

⑷ RNA의 대체

① RNA는 기본적으로 불안정 (ref)

② RNA world 이후 DNA가 생성되기 시작하고 RNA와 공존하다가 DNA로부터 합성되는 방향으로 전개

⑸ 준 생명체 : 실제로는 구현하기 굉장히 어려움

① 코아세르베이트(coacervate) : 원시 바다에 있는 복잡한 유기물들이 서로 모여 막에 싸인 작은 액체 방울이 된 것

② 마이크로스피어(microsphere) : 폭스가 발견한, 프로테노이드를 고온의 물에 넣었다 서서히 식히면서 작은 액체방울

③ 준 생명체의 특징

○ 물질을 선택적으로 흡수

○ 코아세르베이트나 마이크로스피어가 더 진화하여 최초의 원시 생명체가 탄생했다고 추정

⑹ 최초의 생명체

① 유전물질이 우연히 막 구조에 둘러싸이면서 안정성을 확보

② (음의 엔트로피를 극복할) 에너지 기작을 갖추면서 최초의 생명체 탄생

 

 

3. 원핵생물의 출현과 산소혁명 [목차]

⑴ 최초의 생명체 : 무산소 호흡을 하던 종속영양생물

⑵ 초기 생명체의 유전 전략

① 전략 1. 유전자 이용률 증가 : 무의미 유전서열이 거의 없음

② 전략 2. 불필요한 반복서열 제거 : 반복서열은 정교한 유전자 발현을 위해 필요함

③ (참고) 후기 생명체의 유전 전략

○ 조직특이적 효소 多

○ 유전자 이용률 감소

○ 박복서열 증가

⑶ 간단한 독립영양세포의 출현

① 대양의 에너지가 고갈되면서 빛을 이용하여 CO2로부터 유기물을 합성하는 생물 탄생

② 최초의 독립영양생물은 간단한 광계를 가지고 전자공여체로 황화수소를 이용하였으리라 생각

③ 예 : 홍색황세균이나 녹색황세균 등

⑷ 시아노박테리아(남세균)의 출현

① 물에서 전자를 제공받을 수 있는 독립영양세포 출현

○ 원시 남세균의 화석 : 스트로마톨라이트

② 시아노박테리아가 번창하면서 발생된 산소는 환원성 대기를 산화성 대기로 바꾸었고 혐기성 생물을 멸종시킴

○ 활성 산소 : 산소를 제거할 수단이 없는 혐기성 생물은 강한 반응성의 활성 산소의 공격으로부터 취약함

○ 퍼옥시좀의 생성 : 퍼옥시좀이 어떤 세균이었다는 가설이 있음

③ 산소혁명

○ 약 20억 년 전 시아노박테리아가 혐기성 생물과의 경쟁에서 우위를 점함

○ 산소혁명 : 시아노박테리아가 우점종이 됨에 따라 급작스럽게 대기 중 산소의 양이 많아진 사건

○ 환원성 대기에서 산화형 대기로 바뀜

④ 산소혁명 이후

○ 산소에 민감한 생물체는 멸종 : 산소는 강력한 산화제로 단백질, 핵산을 산화시켜 손상시킴

○ 산소로부터 오존이 발생 → 오존층이 형성

○ 산소를 이용한 유기호흡생물 탄생 : 같은 양의 포도당에서 더 많은 ATP 생성 가능

⑸ 육지생물의 출현 : 오존층이 자외선을 차단하면서 바다 속 생물이 육지로 올라와 생활

 

 

4. 진핵세포의 기원 [목차]

⑴ 최초 원핵세포 (약 35억 년 전) → 최초 진핵세포 (약 20억 년 전)

⑵ 산소혁명 → 라디칼 형성

① 라디칼 → 생체 분자 파괴 → 생체 분자를 보호하기 위한 장치를 마련하기 위해 세포 크기가 커짐

② 세포 크기 증가 → 부피 대비 표면적 감소 → 물질교환 효율 감소 → 세포막 접힘을 통한 표면적 증가가 필요해짐

⑶ 세포막 함입설 (막진화설)

① 세포막이 안으로 함입되어 겹치면서 세포내 소기관이 형성

② 세포소기관 형성 순서 : 세포막 함입 → 핵막과 소포체 형성 → 소포체에서 골지체 형성 → 골지체에서 리소좀 형성

⑷ 내부공생설(endosymbiotic theory) : 린 마굴리스 제안

① 1^st. 혐기성 고세균 세포막이 세포질 내로 접혀 들어감 (세포막 접힘)

○ 혐기성 고세균의 예 : 프로테오 박테리아

② 2^nd. 핵막, 소포체 및 골지체는 이제 외막으로부터 독립

③ 3^rd. 조상 진핵생물이 독립생활을 하는 유기호흡성 세균을 삼켰으나 죽이지 않음 (1차 세포내 공생)

○ 혐기성이던 조상 진핵생물은 활성 산소로부터 공격을 받았기 때문에 산소를 제거해주는 유기호흡성 세균과 공생을 하는 것이 더욱 환경에 잘 살아 남았을 것

④ 4^th. 유기호흡성 세균은 진핵생물 안에서 살아남고 각자 서로 의존적으로 진화 (미토콘드리아 생성; 동물세포 생성)

⑤ 5^th. 조류와 육상식물의 조상 안으로 광합성 원핵생물(시아노박테리아)이 삼켜졌으나 죽지 않음 (2차 세포내 공생)

⑥ 6^th. 세포들은 서로 의존적으로 진화 (엽록체 생성; 식물세포 생성)

⑦ 7^th. 수차례의 다른 공생이 서로 다른 조류 무리들로 진화

⑸ 내부 공생설의 증거 : 미토콘드리아, 엽록체에서 관찰

① 가장 핵심적 증거 : 이중막 구조

② 환형 DNA, 70S 리보솜, 세균성 프로모터 및 RNA pol, fMet-tRNA : 항생제 민감성

○ 진핵생물의 핵 DNA는 선형 DNA

○ 진핵세포는 80S 리보솜

○ 엽록체의 환형 DNA는 루비스코 소단위체를 암호화 (대단위체 DNA는 핵 DNA에 삽입)

③ 막의 기능적 상동성 : 전자전달계와 외막의 화학성분

○ 내막의 카르디오리핀

○ 호기성 세균은 원형질막에 전자전달계를 가지며, 미토콘드리아는 내막에 전자전달계를 가짐

⑹ 다세포 진핵생물의 출현 : 단세포보다 더 많은 기능을 가질 수 있기 때문에 다양한 환경에 적응 가능

 

입력: 2015.07.09 14:56