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분자생물학의 중심원리 Central Dogma of Molecular Biology

분자생물학의 기본 원리에 대해서 알아보자 

에이버리의 실험 (1948)

에이버리의 실험에 대해 알아보자

 그리피스의 실험을 통해서 생명체의 형질을 변화시키는 물질이 있다는 사실을 발견하였다. 에이버리는 생명체의 형질을 바꾸는 물질이 무엇인지 규명하기 위한 실험을 구성하였다. 그렇다면 에이버리의 실험에 대하여 알아보자.

[참고] 그리피스의 실험

<에이버리의 실험>
 에이버리(Avery, Oswald Theodore)는 가열하여 죽인 S형균의 추출물, 살아있는 R형균과 분해 대상이 다른 분해 효소를 바꾸어가며 쥐에 투입하여, 쥐가 생존하는지 여부를 관찰하는 실험을 하였다. 실험 내용을 요약하면

와 같다.

 (표에서 실험[1]은 가열해서 죽은(死) S형균, 살아있는(生) R형균과 탄수화물 분해 효소를 넣었을 때, 쥐가 죽었음[死]을 의미한다.)

 실험[1]~[4]에서 쥐가 죽은 사실로부터, S형 형질을 가지는 폐렴쌍구균이 나타났다는 것을 알 수 있다. 이로 부터, 탄수화물, 단백질, 지질, RNA는 형질 전환을 일으키는 물질이 아니라는 사실을 이끌어낼 수 있다.  왜냐하면 이들 물질 중에서 형질 전환을 일으키는 물질이 있었다면, 그 형질 전환을 일으키는 물질이 분해되어서, 살아있는 R형균이 형진 전환이 일어나지 않아서, 쥐가 생존하여있는 실험 결과가 나타나야 하기 때문이다.

 이와 반대로, 실험 [5]에서 쥐가 살아있는 사실로부터, S형 형질을 가지는 페렴쌍구균이 나타나지 않았다는 것을 알 수 있다. 이로 부터, 형질 전환을 시키는 물질이 DNA라는 사실을 이끌어 낼 수 있다. DNA가 형질 전환을 시키는 물질이었는데, DNA를 분해시키는 효소에 의해서 DNA가 분해가 되면서, 형질 전환이 일어났지 않았다는 해석이 가능하기 때문이다.

 이를 바탕으로, 에이버리는 살아있는 R형균의 '피막을 형성하는 유전자'를 R형 형질에서 S형 형질로 바꾸는 물질이 DNA라는 것을 추론하였다.

그리피스의 실험 (1928)

DNA가 유전물질인 이유

DNA가 유전물질로 규명된 이유는 무엇일까?

 생명체 내에는 다양한 물질이 존재하는데, 유전 물질의 역할을 하는 것은 DNA이다. 그런데 처음부터 DNA가 유전물질로 확인된 것은 아니다. 단백질은 생명체 내에서 그 수가 많고, 다양한 아미노산으로 다양한 조합을 만들 수 있다는 점에서, 생물학자는 유전물질로 단백질로 꼽는 경우가 많았다. 그렇다면 DNA가 유전물질인 이유에 대해 알아보자.

 <간접적인 증거>

 DNA가 유전물질임을 직접적으로 규명하는 실험과 이론도 존재하지만, DNA가 유전물질임을 간접적으로 알 수 있는 여러 가지  증거가 존재한다. 이러한 '간접적인 증거'는 그 사실이 성립한다고 DNA가 유전물질이라는 것이 확인되는 것은 아니지만, DNA가 유전물질인 경우에 그 사실이 설명이 잘 된다는 점에서 DNA가 유전물질임을 이해하는 데에 큰 도움이 된다.

 한 생명체 안에 존재하는 모든 체세포가 가지는 DNA량은 동일하다. 식물이든 동물이든 그 생명체 안에 존재하는 체세포는 그 핵에 동일한 양의 DNA량을 가진다. 이 사실은 DNA가 모든 생명체가 가지는 물질이라는 점, 형질을 발현하는 데 필요한 물질을 모든 세포가 공통적으로 가진다는 점에서 DNA가 유전물질이라는 간접적인 증거가 될 수 있다.

 감수분열이 일어나기 때문에, 체세포에 존재하는 DNA량은 생식세포에 존재하는 DNA량의 2배이다. 이러한 특성을 바탕으로, 체세포 안에서의 DNA량은 세대를 거듭하여도 그 양이 일정하다는 점에서 DNA가 유전물질이라는 간접적인 증거가 될 수 있다.

 자외선을 생물에 비추면 유전물질에 변화가 일어나서 돌연변이가 생겨난다. 이 때, 생물이 돌연변이가 가장 잘 나타나도록 하는 자외선의 파장의 값과 DNA가 가장 잘 흡수하는 자외선의 파장이 약 260nm로 동일하다. 이러한 실험 결과를 260nm의 파장에서 DNA가 자외선을 가장 잘 흡수하기 때문에, 돌연변이가 가장 잘 나타난다는 추론을 할 수 있다. 이러한 추론을 바탕으로 DNA가 유전물질이라는 간접적인 증거를 이끌어 낼 수 있다.

 <직접적인 증거(실험적인 증거)>

 앞서서 알아본 '간접적인 증거'는 그 사실만으로는 DNA가 유전물질이라는 것을 확인할 수 없다. 그렇다면 DNA가 유전물질임을 확인할 수 있는 직접적인 증거에 대해서 알아보자. 직접적인 증거는 실험적인 증거로서 다음과 같이 3가지 대표적인 실험이 있다.

 * 그리피스의 실험(1928) : 형질 변환을 시키는 물질이 존재한다는 사실을 규명

 * 에이버리의 실험(1948) : DNA가 유전물질이라는 사실을 규명

 * 허시와 체이스의 실험(1952) : DNA가 유전물질이라는 사실을 규명

 이로써 DNA가 유전물질이라는 것에 대한 간접적인 증거와 직접적인 증거에 대해서 알아보았다.

개체군의 상호 작용

개체군 사이에는 어떤 종류의 상호작용이 있을까?

 개체군은 같은 생태계 안에서 생활하는 같은 종의 생물을 말한다. 그렇다면 이들 개체군 안의 같은 종의 생물 사이에는 어떤 상호 작용이 있는지, 서로 다른 개체군 사이에서 다른 종의 생물 사이에는 어떤 상호 작용이 있는지 살펴보자.

 개체군이 어떤 상호 작용을 하는지를 살펴보면서 가장 유의해야 할 사항은, 같은 개체군 안에서의 상호 작용인지, 서로 다른 개체군 사이에서의 상호 작용인지를 유의해야 한다. 같은 개체군 안에서의 상호 작용은 같은 종의 생물 사이에서의 상호 작용이고, 서로 다른 개체군 사이에서의 상호 작용은 서로 다른 종의 생물 사이에서의 상호 작용이다.

 먼저, 같은 개체군 안에서의 상호 작용에 대해서 살펴보자. 생태계 안에서 개체군의 규모가 커지면 개체군에 포함된 생물들 사이에서 한정된 자원(서식 공간, 식량, 배우자 등)을 어떻게 합리적으로 배분하는지에 대한 문제가 발생한다. 이 문제를 해결하기 위해서 개체군 안에서 텃세, 순위제, 리더제, 사회생활과 같은 상호 작용이 나타난다.

 텃세(세력권)는 개체군 안의 어떤 생물이 일정한 공간을 자신의 텃세로 삼아서, 그 텃세에 같은 종의 다른 생물이 들어오는 것을 막는 상호 작용을 말한다. 까치가 일정 공간을 자신의 텃세로 삼아서 다른 까치가 들어오는 것을 막는 것이 이에 대한 예이다.

 순위제는 개체군 안의 생물들이 힘을 강하고 약한 것을 기준으로 하여 서열을 만들고, 그 서열에 따라서 개체군 안의 생물의 행동 양식이 결정되는 상호 작용을 말한다. 닭이 힘이 강한 것을 기준으로 서열을 만들어서, 그 서열에 따라서 '모이를 먹는 순서'를 정하는 것이 이에 대한 예이다.

 리더제는 개체군 안의 생물 중에서 가장 강한 한 생물이 리더로 하고, 그 리더가 개체군의 나머지 종의 행동 양식을 결정하여 이끄는 상호 작용을 말한다. 원숭이가 가장 강한 한 원숭이를 리더로 하고, 그 리더인 원숭이가 나머지 원숭이의 행동 양식을 정하여 이끄는 것이 이에 대한 예이다.

 사회생활은 개체군 안의 생물들이 하나의 사회를 이루어서, 각 생물들이 그 사회에서 각자 자신의 역할을 분담하여 적절하게 수행하는 상호 작용을 말한다. 개미가 하나의 사회를 이루어서, 각 개미들이 그 사회에서 여왕개미, 일개미 등과 같은 역할을 분담하여 적절하게 수행하는 것이 이에 대한 예이다.

 이와 같이, 생태계를 구성하는 어떤 개체군 안에서의 상호 작용은 같은 종 사이의 관계를 적절하게 설정하여, 이를 바탕으로 한정된 자원을 효과적을 배분하는 데에 주안점이 있다.

 다음으로, 다른 개체군 사이의 상호 작용에 대하여 알아보자. 생태계 안에는 서로 다른 종의 생물들이 존재하기 때문에, 여러 개체군이 존재한다. 이들 개체군 자체가 다른 개체군과 한정된 자원을 효과적으로 확보하기 위해서, 때로는 경쟁을 하고, 때로는 협동을 하는 등의 다양한 행동 양상이 나타난다. 이러한 행동 양상에는, 공생/기생, 경쟁/분서, 포식/피식 등이 있다.^[각주:1]

 공생과 기생은 서로 다른 개체군의 생물들이 서로에게 영향을 주는 관계이다. 공생은 적어도 어느 한 쪽은 이익을 보는 상호 관계이고, 공생에는 상리 공생과 편리 공생이 있다.

 상리 공생은 양쪽 모두 이익을 보는 공생의 경우이다. 조류와 균류로 구성된 지의류가 대표적인 예인데, 조류는 지의류에게 광합성 산물을 제공하고, 균류는 조류에게 무기염류를 제공함으로써 조류와 지의류 모두가 이익을 얻기 때문이다.

 편리 공생은 한 쪽은 영향을 받지 않으면서, 다른 한 쪽은 이익을 보는 공생의 경우이다. 대합과 속살이게가 대표적인 예인데, 속살이게는 대합의 외투막 안에 살면서 서식 공간을 얻는 반면, 대합은 어떤 영향도 받지 않기 때문이다.

 기생은  한 쪽은 손해를 보면서, 다른 한 쪽은 이익을 보는 상호 관계이다. 기생충과 그 숙주 사이가 대표적인 예인데, 기생충은 숙주를 이용해서 자신의 필요한 여러 가지를 얻는 반면, 숙주는 그 과정에서 부정적인 영향을 받기 때문이다.

 일반적으로, 생물은 자신의 이익을 얻기 위해서 행동을 하기 때문에, 공생이나 기생과 같이 적어도 어느 한 쪽은 이익을 얻는 것이 일반적이다. 하지만 어떤 목적을 띠지 않고 행동을 한 것이 다른 생물에 영향을 주는 경우가 있는데 그것은 편해 공생이다.  편해 공생이란 어느 한 쪽은 손해를 보면서, 다른 한 쪽은 어떤 영향도 받지 않는 특수한 상호 관계이다. 푸른 곰팡이와 세균 사이가 대표저인 예인데, 푸른 곰팡이는 특별한 목적 없이 페니실린을 분비하는데, 이 페니실린은 푸른 곰팡이에 치명적인 영향을 주기 때문이다. ^[각주:2]

 경쟁과 분서는 서로 다른 개체군의 생물들이 생태적 지위가 비슷하여서, 이들 사에서 한정된 자원을 두고 일어나는 상호 작용이다. 경쟁은 한정된 자원을 두고 서로 다른 종의 생물들이 다투는 상호 작용이다. 반면, 분서는 이러한 경쟁을 피하기 위해서 먹이나 서식지를 달리 하는 상호 작용을 말한다. 이를 테면, 어떤 생태계 안에서 생물 A와 생물 B가 모두 먹이 a와 먹이 b를 먹는다면, 생물 A와 생물 B는 생태적 지위가 중복된다. 이러한 상황에서 생물 A와 생물 B가 먹이 a, 먹이 b를 모두 먹으려고 하면, 경쟁이 일어난다고 한다. 반면, 이 상황에서 생물 A는 먹이 a만 먹고, 생물 B가 먹이 b만 먹는다면 분서가 일어난다고 한다.

 경쟁하는 두 개체군 사이에서 '경쟁 배타의 원리'가 일어나는 경우가 있다. 경쟁 배타의 원리란 생태적 지위가 중복이 되어서, 두 개체군 중 하나가 모두 사라지는 경우를 말한다. 분서와 경쟁 배타의 원리가 적용된 경쟁은 엄연히 다른 개념이다. 분서는 생태계 안에서 두 개체군이 적절히 먹이나 서식지를 달리하여 공존하는 반면, 경쟁 중에서 경쟁 배타의 원리가 적용된 경우는 생태계 안에서 경쟁하는 두 개체군 중 하나가 완전히 사라진다.

 포식과 피식은 서로 다른 개체군의 생물들이 생태적 지위가 달라서, 어느 한쪽이 어느 한 쪽을 먹잇감으로 하는 상호 작용이다. 초식동물과 이를 먹잇감으로 하는 육식동물이 대표적인 경우인데, 초식동물보다 육식동물이 생태적 지위가 높아서, 초식동물을 먹잇감으로 하기 때문이다.

 이와 같이, 생태계를 구성하는 서로 다른 개체군 사이의 상호 작용은 서로 다른 종의 생물 들이 어떤 방식으로 상호 작용을 하는지를 규명하는 데에 주안점이 있다.

생물의 생활사

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세대교번

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