과학 포털 iKAOS

4 Contents

[술술과학] 동물은 식물에서 진화하지 않았다?🌼🐘_식물 EP.02 (식물의 관점#2)

식물과 동물을 구분하는 기준은 시대에 따라 변화해 왔습니다. 과거 아리스토텔레스는 움직임의 유무를 기준으로 삼아 '심겨 있는 것'과 '움직이는 것'으로 생물을 분류했습니다. 하지만 현대 과학의 관점에서 식물을 정의하는 것은 훨씬 복잡한 문제입니다. 광합성 능력, 세포벽의 존재, 다세포성, 그리고 육상 거주라는 네 가지 핵심 키워드를 어떻게 조합하느냐에 따라 식물의 기원은 35억 년 전부터 5억 년 전까지 수십억 년의 편차를 보이기 때문입니다. 결국 식물의 본질을 이해하기 위해서는 그들이 수행하는 가장 중요한 생화학적 과정인 광합성에 주목할 필요가 있습니다. 광합성은 태양의 빛 에너지를 이용해 이산화탄소와 물이라는 화학적으로 매우 안정적인 물질을 포도당과 산소로 전환하는 기적 같은 과정입니다. 이 놀라운 기술을 처음으로 선보인 존재는 가장 단순한 생명체인 남세균이었습니다. 이들은 오늘날 녹조 현상을 일으키는 주범으로 오해받기도 하지만, 실제로는 지구 대기의 화학적 조성을 완전히 바꾸어 놓은 위대한 개척자들입니다. 화학적으로는 폐기물이나 다름없던 물질들을 생명의 에너지원으로 탈바꿈시킨 이들의 등장은 지구 생태계가 형성되는 데 있어 가장 결정적인 사건 중 하나로 평가받습니다. 식물이 광합성을 통해 산소를 배출하기 시작하자, 생명체들은 이 강력한 반응성을 지닌 산소에 적응하며 호기성 세균이라는 새로운 존재를 탄생시켰습니다. 호흡은 광합성 과정을 정확히 뒤집은 역과정으로, 산소를 이용해 양분을 태워 무산소 호흡보다 20배나 높은 효율로 에너지를 얻어냅니다. 이는 식물과 동물이 서로의 생성물을 원료로 사용하는 완벽한 콤비 플레이를 가능하게 했습니다. 태양이라는 무한한 에너지원을 연료로 삼아 꼬리에 꼬리를 물고 이어지는 이 순환 시스템은 지구상의 생명체가 영속할 수 있는 거대한 에너지 장치이자 일종의 영구 기관을 만들어낸 셈입니다. 생명 진화의 제3차 혁명은 세포 내 공생을 통한 진핵생물의 등장입니다. 약 15억 년 전, 호기성 세균이 다른 세포 속으로 들어가 미토콘드리아가 되었고, 이후 남세균이 합류하여 엽록체로 진화했습니다. 이들은 각각 에너지 공장과 광합성 공장의 역할을 맡아 세포의 복잡성을 비약적으로 높였습니다. 흥미로운 점은 세포 내 공생 순서상 미토콘드리아의 정착이 엽록체보다 먼저 일어났다는 사실입니다. 이는 세포 수준에서 볼 때, 식물 세포의 조상이 동물 세포의 조상보다 나중에 출현한, 보다 복잡하고 진화된 형태일 수 있음을 시사하는 흥미로운 대목입니다. 결국 식물과 동물 중 무엇이 먼저인가라는 질문에 대한 답은 우리가 식물을 어떻게 정의하느냐에 따라 달라집니다. 광합성을 하는 생명체를 기준으로 하면 식물이 앞서지만, 세포 내 공생 순서를 따지면 식물 세포가 더 늦게 완성되었기 때문입니다. 그러나 분명한 사실은 식물이 지구 생태계의 실질적인 주인이라는 점입니다. 동물은 식물이 생산한 자원 없이는 단 한 순간도 존재할 수 없지만, 식물은 스스로 에너지를 만들어내며 생명의 근간을 유지합니다. 경계가 흐릿한 진화의 역사 속에서도 식물은 생명이라는 거대한 메커니즘을 실질적으로 장악하고 지탱하는 핵심 축입니다.

카오스재단술술과학

생명과학

[강연] 물질에서 생명으로의 변신 by김상욱 | 2019 카오스콘서트 '변신, 기원이야기' 변신 (2) | 2부

우주의 탄생과 초신성의 폭발을 거쳐 만들어진 원소들은 주기율표라는 질서정연한 체계를 이룹니다. 이 원소들은 마치 레고 블록처럼 서로 결합하여 물이나 소금 같은 새로운 물질을 만들어내며, 더 나아가 생명이라는 정교한 작품을 탄생시킵니다. 물리학적 관점에서 생명은 결국 원자들의 변신과 조합으로 이루어진 결과물입니다. 우리 몸을 구성하는 원자들은 아주 오래전 별의 내부에서 만들어져 지구로 온 것이기에, 우리는 모두 별에서 온 후예라고 할 수 있습니다. 물리학자가 생명을 이야기하는 것은 낯설게 느껴질 수 있지만, 양자물리학의 거장 슈뢰딩거는 이미 1944년에 '생명이란 무엇인가'라는 질문을 던졌습니다. 생명체 또한 원자로 구성되어 있기에 그 본질을 이해하려면 원자의 세계를 들여다보아야 합니다. 생명은 우주에서 가장 흔한 원소들인 수소, 탄소, 질소, 산소로 이루어져 있습니다. 이는 생명이 우주의 보편적인 질서 속에서 탄생했음을 의미하며, 물리학적 법칙을 통해 생명의 신비를 풀어낼 수 있는 근거가 됩니다. 우리 몸의 97%를 차지하는 네 가지 원소는 각기 독특한 역할을 수행합니다. 수소는 가장 단순하면서도 풍부한 원소로 에너지를 만드는 핵심 역할을 하며, 탄소는 네 개의 팔을 이용해 복잡한 유기물의 뼈대를 형성합니다. 질소는 생명 현상의 병목 구간을 담당하고, 산소는 전자를 강력하게 끌어당기는 성질을 통해 생명 활동에 필요한 에너지를 방출하게 합니다. 이러한 원소들의 화학적 결합과 상호작용이 모여 비로소 살아 움직이는 생명체의 기초가 마련되는 것입니다. 열역학 제2법칙에 따르면 우주의 무질서도는 항상 증가하지만, 생명체는 에너지를 사용하여 자신의 질서를 유지합니다. 생명은 외부에서 에너지를 받아들여 끊임없이 자신을 보수하고 정돈하는 과정을 거칩니다. 우리가 숨을 쉬는 호흡 과정은 사실 세포 수준에서 일어나는 '천천히 타오르는 연소'와 같습니다. 산소가 전자를 가져오며 발생하는 에너지는 생명체가 무질서로 향하는 자연의 흐름을 거스르고 고유한 질서를 유지할 수 있게 해주는 원동력이 됩니다. 세포 내부에서 벌어지는 복잡한 화학 반응들은 누군가의 지시가 아닌, 분자들의 무작위적인 움직임과 충돌을 통해 일어납니다. 물속에서 엄청난 속도로 움직이는 분자들은 적절한 시기에 서로를 만나 반응을 일으키며 생명 활동을 이어갑니다. 이는 마치 수많은 망치가 공중에 날아다니다가 필요할 때 손에 잡히는 것과 같은 확률적인 과정입니다. 따라서 생명체는 영양분을 섭취하여 분자의 농도를 유지하고, 적절한 체온을 유지함으로써 이러한 분자들의 운동을 활발하게 만들어야 합니다. 최초의 생명체는 에너지를 스스로 만들기 어려운 환경에서 탄생했을 가능성이 큽니다. 심해의 열수 분출구는 수소 이온 농도 차이가 자연적으로 존재하여 외부의 도움 없이도 에너지를 공급받을 수 있는 최적의 장소였습니다. 이곳의 작은 기포들은 오늘날 세포의 크기와 유사하며, 초기 생명체가 에너지를 얻고 복제를 시작할 수 있는 요람이 되어주었습니다. 생명은 이처럼 척박해 보이는 환경에서도 물리학적인 에너지 구배를 활용하여 그 위대한 첫걸음을 내디뎠을 것으로 추정됩니다. 생명의 또 다른 본질인 복제는 DNA라는 정교한 정보 체계를 통해 이루어집니다. DNA는 원자 수준에서 정보를 저장하며, 10억 개당 단 하나의 오류만을 허용할 정도로 놀라운 정확성을 자랑합니다. 이러한 복제 시스템은 완벽을 지향하지만, 때때로 발생하는 변이는 생명체가 환경에 적응하며 다양성을 확보하는 계기가 됩니다. 결국 생명은 원자로 만들어진 정교한 화학 기계이며, 물리 법칙에 따라 자기를 유지하고 복제하며 진화해 온 우주의 경이로운 결과물이라고 할 수 있습니다.

김상욱

카오스재단카오스콘서트

물리학

[강연] 화학반응의 바늘과 실: 전자와 양성자 _ by정택동｜ 2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 4강 | 4강 ①

화학은 물질의 변환을 다루는 학문입니다. 제2차 세계 대전 당시 나치의 눈을 피해 금으로 된 노벨상 메달을 왕수에 녹여 보관했다가 전쟁 후 다시 금으로 되돌린 일화는 화학의 본질을 잘 보여줍니다. 겉모습이 완전히 변해도 원소 자체는 사라지지 않으며, 적절한 반응을 통해 원래의 상태로 복원할 수 있다는 믿음은 화학적 원리에 기반합니다. 금속에서 전자를 빼내어 이온화하고, 다시 전자를 넣어 금속으로 환원시키는 과정은 물질의 근본적인 변화를 제어하는 화학의 핵심적인 과정이라 할 수 있습니다. 화학 반응의 중심에는 전자와 양성자가 있습니다. 전자를 잃는 산화와 전자를 얻는 환원은 항상 쌍을 이루어 일어나며, 이는 우리 주변에서 일어나는 수많은 물질 변화를 설명하는 기본 원리가 됩니다. 이 작은 입자들은 서로 긴밀하게 상호작용하며 물질의 전기적 중성을 유지하고 복잡한 구조적 변화를 이끌어냅니다. 인류가 전자의 존재를 명확히 이해하게 된 것은 비교적 최근의 일이지만, 이들의 움직임은 우주와 생명의 모든 화학적 변환을 주도하는 가장 강력한 동력이자 보이지 않는 세계의 질서를 구축하는 근간입니다. 양성자의 활동은 주로 산과 염기의 작용으로 나타납니다. 물 분자 사이에서 양성자가 이동하며 산성도를 결정하고, 이는 생명 현상뿐만 아니라 지구 전체의 환경 시스템에도 지대한 영향을 미칩니다. 특히 대기 중 이산화탄소가 물에 녹아 평형을 이루는 과정은 양성자의 농도에 따라 결정되는데, 최근 급격한 이산화탄소 증가는 바다의 산성화를 초래하여 생태계를 위협하고 있습니다. 이처럼 미세한 양성자의 움직임은 산호초의 생존부터 지구 전체의 기후 변화에 이르기까지 거대한 자연의 순환 체계를 지탱하는 중요한 축으로 작동합니다. 광합성은 태양의 빛 에너지를 화학 에너지로 변환하는 경이로운 과정입니다. 식물의 엽록소가 빛을 흡수하여 들뜬 전자를 전달하면, 물이 산화되어 산소가 발생하고 이 과정에서 생명 활동에 필요한 에너지가 축적됩니다. 전자가 전자 전달계를 따라 이동할 때 양성자가 함께 펌핑되며 생명체의 에너지 화폐인 ATP가 생성됩니다. 식물은 이 에너지를 이용해 공기 중의 이산화탄소를 고정하여 유기물을 합성합니다. 이는 지구상의 모든 생명체가 살아갈 수 있는 연료를 생산하는 거대한 천연 화학 공장과 같은 역할을 수행합니다. 생명체의 호흡은 광합성의 역과정으로, 섭취한 영양소를 산화시켜 생존에 필요한 에너지를 얻는 과정입니다. 우리가 들이마신 산소는 전자를 받아 환원되고, 그 결과 이산화탄소가 배출되며 생태계의 탄소 순환이 완성됩니다. 광합성이 에너지를 저장하는 환원의 여정이라면, 호흡은 그 에너지를 인출하여 사용하는 산화의 여정이라 할 수 있습니다. 전자와 양성자의 끊임없는 순환은 태양 에너지를 생명의 동력으로 바꾸어 전달하며, 지구상의 모든 생명 현상을 유지하고 대를 이어가게 하는 근본적인 메커니즘으로 작동하고 있습니다. 현대 전기화학은 전자의 흐름을 정교하게 제어함으로써 인류의 삶을 혁신적으로 변화시키고 있습니다. 리튬 이온 배터리는 전기 에너지를 화학 에너지로 저장하여 모바일 시대를 열었으며, 혈당 센서는 생체 내의 화학 반응을 전기 신호로 바꾸어 질병 관리를 돕습니다. 더 나아가 뇌의 신경 신호를 컴퓨터와 연결하는 뇌-컴퓨터 인터페이스 연구는 전기화학의 새로운 지평을 열고 있습니다. 전자기적인 세계와 생화학적인 세계의 경계에서 일어나는 입자들의 상호작용을 이해하는 것은 인류의 미래 기술을 설계하는 데 있어 가장 핵심적인 토대가 됩니다. 지속 가능한 미래를 위한 핵심 기술인 연료전지는 수소와 산소의 반응을 통해 깨끗한 전기 에너지를 생산합니다. 하지만 산소 환원 반응의 효율을 높이기 위해 여전히 고가의 백금 촉매에 의존해야 하는 한계가 존재합니다. 과학자들은 생체 효소의 정교한 구조에서 영감을 얻어 백금을 대체할 수 있는 새로운 촉매를 찾기 위해 끊임없이 도전하고 있습니다. 뜨겁지 않은 연소를 통해 에너지를 직접 얻으려는 인류의 열망은 전자와 양성자의 조화를 완벽히 이해하고 제어하려는 노력을 통해 수소 경제라는 새로운 시대를 향해 나아가고 있습니다.

정택동, 황성필

카오스재단카오스강연

화학

[강연] 경이로운 진화의 산물, 공룡! (1) _ 이융남 교수 | 2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 3강 | 3강 ①

과학은 주관적인 시선이 아닌 철저한 관찰을 통해 법칙을 이끌어내는 학문입니다. 코페르니쿠스와 다윈이 보여주었듯, 자연에 대한 세밀한 관찰은 인류의 사고를 전환하는 계기가 되었습니다. 46억 년이라는 유구한 지구 역사 속에서 생명체는 환경의 변화에 맞춰 끊임없이 진화해 왔습니다. 우리는 지층 속에 남겨진 화석이라는 기록을 통해 과거로의 여행을 떠날 수 있으며, 그중에서도 중생대를 지배했던 공룡은 진화의 신비를 풀 수 있는 가장 매력적인 열쇠라고 할 수 있습니다. 약 2억 3천만 년 전, 지구의 모든 대륙이 하나로 뭉쳐진 판게아 시기에 공룡이 처음으로 등장했습니다. 중생대는 단순히 공룡만의 시대가 아니라 포유류의 조상, 거북, 악어 등 오늘날 우리가 알고 있는 주요 척추동물들이 대거 출현한 매우 중요한 시기입니다. 1억 8천만 년이라는 긴 시간 동안 지속된 중생대 환경 속에서 생물들은 대륙의 이동과 기후 변화에 적응하며 각자의 생존 전략을 구축했습니다. 공룡은 이 거대한 흐름 속에서 가장 성공적으로 번성한 주인공이었습니다. 공룡이 다른 파충류를 제치고 생태계의 주역이 될 수 있었던 비결은 독특한 신체 구조에 있습니다. 악어와 같은 원시적 파충류는 다리가 옆으로 휘어져 보행이 비효율적이었지만, 공룡은 다리가 몸 아래로 곧게 뻗은 직립 보행 구조를 가졌습니다. 특히 일자로 움직이는 발목 관절은 거대한 몸무게를 효과적으로 지탱하고 빠르게 이동할 수 있게 해주었습니다. 이러한 해부학적 이점 덕분에 공룡은 수십 톤에 달하는 거대 생명체로 성장하며 육상 환경을 완벽하게 점령할 수 있었습니다. 공룡의 번성에는 환경적 요인도 큰 역할을 했습니다. 중생대 초기인 트라이아스기는 산소 농도가 현재의 절반 수준에 불과할 정도로 희박했습니다. 공룡은 이러한 악조건을 극복하기 위해 뼛속에 '기낭'이라는 공기 주머니를 발달시켰습니다. 이는 오늘날 새들이 가진 특징과 유사한데, 기낭 덕분에 공룡은 적은 산소로도 효율적인 호흡이 가능했습니다. 이러한 신체적 특징은 훗날 공룡이 새로 진화하는 밑바탕이 되었으며, 극한의 환경에서도 공룡이 지구의 주인으로 군림할 수 있었던 원동력이 되었습니다. 현대의 공룡 연구는 단순히 뼈를 발굴하는 수준을 넘어 첨단 과학 기술을 활용하는 단계에 이르렀습니다. 의료용 CT 스캔을 통해 공룡의 뇌 구조를 복원하여 감각 기관의 발달 정도를 파악하고, 싱크로트론 X-선을 이용해 알 속의 배아나 깃털의 미세 구조를 비파괴 방식으로 분석합니다. 또한 뼈의 단면에서 나이테를 찾아내 성장 속도와 수명을 계산하기도 합니다. 이러한 다각적인 연구는 베일에 싸여 있던 공룡의 생태와 행동 양식을 생생하게 되살려내며 우리에게 경이로운 진화의 역사를 들려줍니다.

이융남

카오스재단카오스강연

지구환경과학