EBS 위대한 수업(생명)제1강~5강 요약정리

위대한 수업 열네 번째 강연 '생명'

플랜시스 크릭 연구소장 폴 너스

61대 왕립학회장

영국 왕실 및 내각 과학 자문

2001년 노벨 생리의학상

 

※ 왕립학회 : 1660년 영국에서 설립된 세계 최고 권위의 자연과학학회 

노벨상 수상자 280명 배출

 

제1강 생명의 원자, 세포

 

 

 

 

 

☞ 생명이란 무엇일까?

 

       ♣ 생명이란 무엇인가(1994) : 노벨물리학 수상자 에르빈 슈뢰딩거의 저서

                                             생명을 물리학적 과정에서 논하는 과학 고전

 

    - 생명의 근본 원칙을 풀어낼 생물학의 5가지 개념

 

     1. 세포 : 생명의 구조적·기능적 기본 단위, 생명의 '원자'

 

        · 로버트 훅 : 영국의 화학자·물리학자·천문학자, 왕립학회 창립회원

                       세포 발견(1665) - 코르크 단면을 통해 세포의 존재를 처음 발견

                       세포를 cell이라 부름(작은 방을 뜻하는 라틴어 cella에서 따옮)

                       그러나 생명의 기본 요소라고는 알지 못함

        · 안톤 판 레이우엔훅 : 네덜란드의 현미경 학자 미생물학의 아버지

                                     연못의 물과 그의 치태에서 관찰된 미생물(1673)

                                     치아에서 번식하던 생물이 인류 최초로 묘사된 박테리아

        · 슐라이덴(식물학자)과 슈반(동물학자) : 세포설을 주창(1839)                

        · 루돌프 피르호 : 독일의 근대 병리학 창시자

                              모든 동물은 살아있는 단위의 집합처럼 보이며,

                              그 단위는 그 자체로 완벽한 생명체의 특징을 지닌다. (세포병리학_1858)      

        · 세포는 주변 환경과 분리된 물리적 독립체, 반투과성 지질 막으로 둘러쌓여 주변환경과 분리되면서 외부와 소통

          → 세포 내부는 질서 있게 외부는 무질서하게 

              (우주 전체가 무질서를 향한다는 열역학 제2법칙을 위반하지 않음)

 

     2. 유전자 : 모든 생명에서 유전의 기반

         

        · 그레고어 멘델 : 오스트리아의 수도사, 유전학의 아버지

                              완두의 교배를 통해 유전의 원리를 최초로 알아낸 멘델(1865)             

다양한 형질의 완두들을 교배시킴

특별한 형질이 있거나 없는 완두가 특정한 수학적 비율로 나타남을 알게 되었다

 

                          → 꽃가루와 밑씨에 '원소'가 존재한다. 이 '원소'들이 수정을 통해 다음 세대의 형질에 영향을 준다

 

        · 멘델 사망 16년 뒤 그의 업적을 재조명한 3명의 생물학자들(더프리스, 코렌스, 체르마크)       

        · 멘델의 법칙 : 유전학의 기초를 마련

                           유전되는 형질은 쌍으로 존재하는 입자에 의해 결정.

                           멘델이 추정한 입자 형태의 '원소'가 오늘날의 '유전자'

                           완두뿐만 아니라 모든 생명체는 생식과정을 통해 유전자 전달

        · 생물학적 부모 양쪽으로부터 하나씩 물려받는 유전자 : 생식 세포의 수정을 통해 자손에게 유전자 전달     

        · 생물학자 에이버리가 밝혀낸 유전자를 이루는 DNA(1945)

          살아있는 독성 균주와 죽어있는 독성 균주를 같이 두었을때,

          죽어있는 독성 균주가 살아있는 무해한 균주를 해롭게 변형

              → 죽은 독성 균주에 있던 유전되는 화학 물질 DNA

        · 10년 뒤 영국의 과학자들에 의해 정립된 DNA 이중 나선 구조        

          프랭클린과 동료 고슬링 DNA X선(1951), 크릭과 왓슨 DNA 이중 나선 구조 규명(1953)

          이중 나선은 비틀린 사다리와 같다. 사다리의 연결선은 염기쌍 간의 결합을 의미

          이 결합이 분리되면서 각 가닥은 두 개의 동일한 나선을 새로 만드는 데 쓰일 템플릿 역할을 맡음

  

     

 

제2강 생명은 화학이다

 

 

     3. 화학반응

 

        · 루이 파스퇴르 : 프랑스 화학자·미생물학자

          사탕무 발효 실험(1861) : 사탕무가 발효됐는데 알코올 대신 산이 생기는 이유

                                           알코올을 만드는 것이 효모임을 알아낸 파스퇴르 

                                           효모 대신 박테리아가 있을 때 알코올이 아닌 산 생성

                                           발효는 세포의 생리학적 작용이며 화학반응은 세포 생명의 한 표현이다  

        · 베르틀로 : 프랑스 화학자, 효모 세포에서 특정 화학 물질 발견

                        설탕을 포도당과 과당으로 전환하는 화학 물질 → 인버테이스

 

        ♣ 효소 : 화학반응을 촉진하는 촉매, 중합체(지질, 탄수화물, 핵산 등)인 단백질로 구성

                    생명활동에 필요한 화학 물질을 만듦(화학 기계)

                    생명체를 이루는 더 복잡한 분자를 합성

        ♣ 탄소 : 중합체 형성에 중요한 역할을 한다. 탄소는 다른 네 개의 원자와 결합

                     가능한 네 개 중 두 개는 다른 탄소 원자와 결합해 사슬 형태를 만들고

                     나머지 두 개로 다른 원자와 결합할 수 있다   

        ♣ 단백질 : 아미노산 분자들이 결합해 긴 사슬을 이룬 탄소 기반의 중합체

                       생명체는 단백질을 만드는 데 20가지의 아미노산을 사용

                       각 아미노산은 주된 사슬 곁가지에 다른 분자들을 가지고 있고 이로 인해 독특한 화학적 특성을 띤다

                       아미노산의 조합으로 화학적 특성이 다른 수많은 종류의 단백질 생성

                       3차원 단백질 구조로 특정 반응 물질과 정확히 들어맞는 효소 생성 가능

 

          → 세포 안에서는 수천 가지의 화학반응들이 일어난다

       

        · 화학적 조건이 다른 화학반응들은 분리 되어야 한다

 

          ♣ 구획화 : 복잡한 체계를 작동하게 하는 핵심

                         분리와 상호작용을 가능하게 하는 세포의 구획화

 

          ♣ 효소 단백질 : 특정 분자와 맞물려 화학 반응 수행

 

        · 퍼즐 조각처럼 맞물리는 효소와 기질(효소와 작용하는 화학 물질)

          효소의 정확한 화학반응은 최적의 화학 조건에서 진행, 여러 효소의 협력을 통해 연속된 화학 반응 가능

 

          ♣ 대사경로 한 반응의 생성물이 다음 반응의 기질이 되는 연속된 화학 반응

 

          ♣ 모터 단백질 : 화학반응의 에너지로 물리적 작업을 수행하는 효소, 세포 내에서 여러 물질을 운반

                 

          ♣ 리보솜 : 단백질을 합성하는 단백질+RNA 복합체, 리보솜의 구조화된 환경은 정확하고 빠르게 단백질 합성

                         DNA와 RNA 1차원 구조를 번역해 단백질인 3차원 구조라 만들어줌

 

          ♣ 세포핵 : 유전 정보가 담긴 세포 소기관 

 

          ♣ 광합성 : 빛 에너지를 이용해 당을 합성하는 화학반응, 엽록체 안에 광합성에 필요한 효소 엽록소 존재

            ※ 식물이 녹색인 이유 : 엽록소가 파란색, 붉은색 파장의 빛 에너지만 흡수하고 녹색 파장의 빛은 반사해 광합성을 하기 때문

 

       · 세포호흡 : 세포가 에너지를 생산하는 방법

                       미토콘드리아(세포 호흡에 간여하는 세포 소기관)

         - 세포 호흡의 핵심 : 양성자H＋(전자를 잃어서 양전자를 띤 수소 원자)의 움직임     

         - 세포 호흡 과정 ; 수력발전소와 같은 원리

      

          ♣ ATP : 생명체의 보편적인 에너지원, 에너지 저장소 역할

        

 

 

제3강 생명은 정보장치다

 

 

         · 임마누엘 칸트 : 독일의 철학자, 생명체는 복잡하게 조직되고 통합적이며 자기 조절적인 실체다(판단력 비판_1790)

        · 세포의 복잡한 시스템도 조절이 필요하다. 다양한 화학반응과 물리 작용이 복잡하게 발생하는 세포

        · 조절 과정이 없다면 엉망이 되는 세포의 시스템

        · 복잡한 생명 활동에 질서를 부여한 방법 정보 처리 → 생명의 궁극적 목적 달성

        · 세포는 하나의 거대한 화학적·물리적 기계 - 각각의 상호 작용을 통해 최적의 상태를 유지할 수 있는 전체

          → 세포는 화학적·물리적 환경을 정보로 처리해 자기 조절을 한다

        · 제임스 와트 : 스코틀랜드의 기술자·과학자, 원심 조속기 개발(1788)

 

         ♣ 원심 조속기 : 원심력을 이용해 증기 기관의 속도를 일정하게 조절하는 장치

 

     4. 정보처리

 

        · 정보처리를 통해 항상성(체온, 혈액량, 혈당 유지)을 얻는 생명

        · 생명의 정보처리1 DNA와 유전원리

          - 유전자 : DNA 네 염기로 이뤄진 선형 서열로 구성된 정보

          - 정보 저장과 전달에 효과적인 선형 서열(컴퓨터 코즈도 선형 서열)

          - 선형 서열 코드는 정보를 디지털 방식으로 저장

            영어단어 : 26개의 알파벳[A~Z], 컴퓨터 기계어 : 2진수[0,1]

            DNA 4개의 염기 [A,G,C,T]

          - 디지털 코드의 장점 한 코딩 체계 → 다른 코딩 체계로 쉽게 번역

            세포에서 DNA(유전적 정보) →RNA→단백질(물리적 행위)로 번역될 때 일어나는 일    

              → 중심 원리 : DNA가 단백질 구조를 암호화하는 방식

           DNA 네(AGCT) 염기로 코딩된 디지털 정보 저장 장치

         - DAN 분자 구조의 특징 : 이중 나선 구조를 통해 유전 정보 보호, 염기쌍의 유전 정보를 정확히 복제

           A↔T, C↔G 염기쌍 구조 → 정확한 DNA 복제 가능

           리보솜(유전 정보 30억 년 보존)

 

      · 생명의 정보 처리2 세포의 화학 반응 조절(유전자 조절)  

        - 자크 모노(프랑스의 생화학자), 프랑수아 자코브(프랑스의 생물학자)

           : 두 가지의 당 중 하나만 있어도 살 수 있는 박테리아 연구(1965) → 특정 유전자 조절의 원리를 밝힘

        - 음성 피드백 고리 : 안정상태를 유지시키는 원리

        - 양성 피드백 고리 : 꺼지지 않는 스위치

(왼)음성 피드백 고리                                       (오른)양성 피드백 고리

        ♣ 웨트웨어 : 액체를 매개로 한 생명체의 복잡한 화학 작용을 묘사하기 위해 데니스 브레이가 고안해낸 신조어

 

        - 하드웨어와 달리 세포와 생물의 배선은 유동적, 역동적

          물을 통해 세포의 화학 물질 확산        

        - 복잡한 체계가 잘 기능하려면 서로를 잇는 정보 교환 필요 : 신호 전달 경로를 통해 정보 교환 가능

        - 정보 처리 과정을 통해 생물의 구조 형성도 가능

        - 균일한 세포집단을 패턴 구조로 변환하기 위해선 정보가 필요, 정보를 만들기 위해서 화학적 기울기 필요

 

(왼)물그릇에 잉크를 넣었을 때       (가운데)물그릇을 세포 덩어리, 잉크롤 신호 단백질로 봤을 때       (오른)단백질 분포에 따른 화학적 기울기

                    →  단순한 단백질 기울기로 복잡한 생명체의 구조 형성

 

 

 

제4강 진화의 메커니즘, 자연선택

 

 

     5. 진화

 

        · 윌리엄 테일리 : 영국의 목회자·철학자

                              시계공 유추(1802) : 복잡한 시계처럼 생명에도 설계자가 있다고 주장

 

        · 생명의 복잡성 : 자연선택을 통한 진화의 결과

          - 찰스 다윈(1809-1882) : 영국의 자연사학자, 전 세계를 항해하며 진화의 증거를 모음

                                           종의 기원(1859) : 다윈이 최초로 진화론과 자연선택설에 관해 서술한 책

          - 장 바티스트 라마르크 : 프랑스의 생물학자

                                           생물 종의 유연관계를 통해 진화의 개념 제시, 종의 형태는 환경에 적응하면서 변화

           ♠ 용불용설(동물 철학/1809년) : 자주 사용하는 기관은 발달하고 그렇지 않은 기관은 퇴화한다는 학설(기린 목)

          - 이래즈머스 다윈 : 영국의 의사·시인 : '모든 것은 조가비로부터', 모든 생명이 단순한 생물로부터 진화했다

                                    

        · 변이 : 자연선택 이론의 기초

          - 생존에 유리한 형질 변이 → 생존과 번식 성공률이 높아짐 → 다음 세대는 형질 변이 되니 개체 수가 높아짐

          - 앨프리드 월리스 : 자연사학자, 동일한 메커니즘 제시

         

        → 자연선택 → 적자생존 → 생존에 유리한 형질 변이종 증가 → 종의 진화

 

        · 자연선택설을 통한 진화가 가능하기 위한 생명체의 조건

 

          1. 번식 가능   2. 유전 체계 존재   3. 다양성(변이) 발현 

 

        ★ 다윈의 핀치새 연구 : 환경과 먹이 종류에 따라 부리 모양이 다름

 

펜치 : 인간에 의해 지능적으로 설계, 부리 : 자연선택에 의해 진화

 

        · 생명의 핵심 : 세포와 유전자로부터 시작되는 진화의 조건

          1. 세포는 번식한다.

          2. 세포는 유전자라는 유전 체계를 지닌다

          3. 돌연변이를 통해 다양성 발현, 돌연변이 외 유성 생식 과정에서도 다양성 발현

             생식 세포를 만드는 감수 분열 중 염색체 재조합

             (부모 유전자가 카드더미라고 한다면, 자식 유전자는 각기 다른 유전적 패)

 

        · 다윈의 진화론 : 모든 생명은 혈통을 통해 연결되었다

 

        · 생물 집단 내 진화 과정처럼 암세포가 정상 세포를 압도

 

         ♣ 암세포 : 세포의 성정과 분열을 제어하는 유전자의 손상으로 무한 증식하는 세포

                        1.번식 가능, 유전체계 존재, 3. 다양성(변이) 발현

 

        · 손상된 세포 집단이 성장할수록 유전적 손상이 누적되고 그에 따라 더 강한 암세포 출현

         

        · 인류를 진화할 수 있게 하는 환경 조건이 → 암세포를 발생할 수 있게 하는 환경 조건

 

        · 자연선택을 통한 진화는 생명에 복잡성과 목적성을 부여함 → 생명에 설계자가 있다는 주장들을 반증

 

        · 진화는 우연과 필연의 결과

 

        

 

제5강 생명이란 무엇인가

 

  - 생명의 핵심 개념 : 세포, 유전자, 화학, 정보, 진화 → 5가지 개념에 기반한 생명의 원리

    

  - 생명의 원리1

 

    · 생명체는 경계를 지닌 물리적 독립체다

    · 반투과성 : 세포막을 통해 주변환경과 분리됨과 동시에 소통

    · 모든 생명체의 기본 단위는 세포, 모든 생명체는 단세포 또는 세포 집합체 

   

  - 생명의 원리2

 

    · 생명체는 자연선택을 통해 진화할 수 있다_멀러의 생명 정의

    · 생명체는 자연선택을 통해 스스로 조직·유지·번식

    · 자연선택을 통한 진화가 가능한 생명체의 특징 → 번식, 유전 체계, 다양성 발현

    

  - 생명의 원리3

 

    · 생명체는 화학적·물리적·정보적 기계다

    · 화학반응과 물리 작용으로 이뤄지는 생명활동

    · 정보 처리 과정을 통해 세포와 생명체의 작동을 지시

 

  - 생명의 핵심 작동 원리 : 탄소 중합체 중심의 생명 화학

 

    · 대표적인 탄소 중합체 : 정보 저장 장치 DNA, 화학적 물리적 기계 단백질    

    · 오랫동안 유전 정보를 저장할 수 있는 DNA : DNA 이중 나선 구조 유전 정보를 지닌 염기를 안전하게 보호

                                                               나선 안쪽에 배치된 염기

                                                                → DNA 유전 정보는 생명 활동을 위해 활성화 필요

    · DNA 유전정보는 화학적 활성 분자 단백질로 번역되어야 한다

    · 단백질은 복잡하고 가변적인 3차원 구조로 화학 활동을 활성화  

      생명 활동에 필수적인 화학반응을 수행하는 단백질, 손상되거나 파괴돼도 쉽게 대체될 수 있는 단백질

    · 안정적 DNA로 정보 저장과 다양한 단백질로 화학 활동을 모두 가능하게 만드는 탄소 중합체

     

  - 탄소를 다르게 활용하거나 다른 원자(실리콘) 기반의 중합체 형성할 수도 있다

 

  - 바이러스 : 유전체를 지닌 화학적 실체(생명), 자연 선택을 통한 진화 가능(생명)

                  스스로 번식은 할 수 없음(비생명) → 생명과 비생명의 경계에 있음   

                  살아있는 생물 세포에 들어가 감염을 시킨 다음 그 감염시킨 대사를 탈취해야만 번식 가능 

 

    · 생명체의 대부분은 다른 생물에 의존하며 살아간다(장내 세균도 아미노산을 만듦)

 

    ♣ 시아노 박테리아(남세균) : 독립적으로 생장이 가능한 원시 세균군,

                                          광합성을 하고 질소와 탄소를 흡수해 화학 물질을 만들어 냄

    

     · 생명이란 진화 가능한 자기 지향적인 물리적 실체 

    · 바이러스가 세포 안에서 활성화될 때에는 살아있는 것으로

      세포 밖에서 비 활성화된 화학 물질로 있을 땐 살아있지 않은 것으로 볼 수도 있다

 

  - 모든 생명은 서로 연결된 하나의 생태계. 이 근본적인 연결성은 생물들의 상호 의존적에서 뿐만 아니라,

    모든 생명이 공통의 진화적 뿌리를 통해 유전적으로 모두 연관되어 있다는 사실에서도 나온다

 

  - 생물의 다양성에 가려진 유사성

    · 화학적, 물리적, 정보적 기계로서 동일한 작동 원리를 따르는 생명체

    · 지구의 생명은 단 한 번만 시작됐다

 

  - RNA 생명 기원설

    RNA의 특징 : 1. 정보 저장 복제 가능(진화가 가능한 유전 물질)

                      2. 복잡한 삼차원 구조를 형성해 효소로 기능(단백질처럼 화학반응을 촉진할 수 있음)

                      → 유전 물질+물질대사

 

  - 살아있는 모든 생명체는 위대한 생존자, 35억 년 이상 끊김 없는 세포분열로 이어진 생명의 가계도

 

  - 인류는 생명의 연결성을 이해할 수 있는 유일한 생명체

 

  

 

 

 

 

 

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위대한 수업

 

 

70원의 기적 EBS에서 전 세계 최고의 지성을 한 자리에 만날 수 있는 프로그램을 기획했다.

 

방송시간 EBS1TV 월~금 23:35~23:55                        EBS2TV 월~금 22:00~22:20(재방)

                        토     09:30~11:00(종합)                            토      22:15~23:45(종합)

                        월~금 15:05~15:25(재방)