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【생물학】 34강. 공통계보설

 

34강. 공통계보설

 

추천글 : 【생물학】 생물학 목차


1. 생명의 기원설 [본문]

2. 원시생물 등장 [본문]

3. 원핵생물의 출현과 산소혁명 [본문]

4. 진핵세포의 기원 [본문]


 

1. 생명의 기원설 : 생화학자 혹은 물리학자의 영역 [목차]

생명의 탄생에 대한 가설

자연발생설 : 생명은 무생물에서 저절로 발생된다는 학설 (기각)

○ 무생물 + 활기(생기) → 생물

○ 아리스토텔레스를 비롯한 고대 그리스인들이 주장

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

증거 1. 스팔란치니(Spallanzani) 실험

증거 2. 파스퇴르 실험(1862년) : S자형 플라스크 이용

신자연발생설 (= 화학진화설)

생명의 기원에 대한 가설

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

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

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

화학진화설 : 화학물질로부터 최초의 생명이 탄생

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

지구의 무기물에서 최초의 유기분자들이 합성

유기단량체로부터 중합체 형성

중합체가 자기 복제를 시작

중합체가 주위의 다른 중합체들과 화학적 특성을 가지고 결집하면서 최초의 생명 탄생

 

 

2. 원시생물 등장 [목차]

원시지구의 환경

강한 환원성 대기

바다의 생성 : 지구가 냉각되면서 H2O가 응축

번개, 화산활동, 자외선이 훨씬 강함

최초의 유기물 형성

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

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

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

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

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

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

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

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

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

최초의 생명체

유전물질이 우연히 막 구조에 둘러싸이면서 안정성을 확보

(음의 엔트로피를 극복할) 에너지 기작을 갖추면서 최초의 생명체 탄생

 

 

3. 원핵생물의 출현과 산소혁명 [목차]

최초의 생명체 : 무산소 호흡을 하던 종속영양생물

⑵ 초기 생명체의 유전 전략

전략 1. 유전자 이용률 증가 : 무의미 유전서열이 거의 없음

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

간단한 독립영양세포의 출현

대양의 에너지가 고갈되면서 빛을 이용하여 CO2로부터 유기물을 합성하는 생물 탄생

최초의 독립영양생물은 간단한 광계를 가지고 전자공여체로 황화수소를 이용하였으리라 생각

: 홍색황세균이나 녹색황세균 등

시아노박테리아(남세균)의 출현

물에서 전자를 제공받을 수 있는 독립영양세포 출현

○ 원시 남세균의 화석 : 스트로마톨라이트

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

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

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

 

 

4. 진핵세포의 기원 [목차]

최초 원핵세포 ( 35억 년 전) 최초 진핵세포 ( 20억 년 전)

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

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

내부공생설(endosymbiotic theory) : 린 마굴리스 제안

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

○ 혐기성 고세균의 예 : 프로테오 박테리아

② 2nd. 핵막, 소포체 및 골지체는 이제 외막으로부터 독립

3rd. 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

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

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

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

7th. 수차례의 다른 공생이 서로 다른 조류 무리들로 진화

내부 공생설의 증거 : 미토콘드리아, 엽록체에서 관찰

① 가장 핵심적 증거 : 이중막 구조

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)

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