과학 포털 iKAOS

6 Contents

생명의 보물창고! 국립생물자원관으로 출똥!ㅣ싸돌이가 간다

국립생물자원관은 자연의 다양한 생명체를 체계적으로 분류하고 연구하는 중요한 기관입니다. 이곳에서는 우리나라뿐만 아니라 전 세계의 생물들을 일곱 개의 계로 분류하여 관리하고 있습니다. 생물 분류의 가장 기본 단위는 종이며, 종에서 시작해 속, 과, 목, 강, 문, 계로 점차 범위를 넓혀가며 분류합니다. 최근 연구 결과에 따라 생물들은 총 7개의 계로 나누어지며, 이는 생물의 다양성과 복잡성을 이해하는 데 큰 도움이 됩니다. 이 중 동물계의 절지동물문, 특히 곤충강은 전체 동물계에서 4분의 3, 전체 생물 중 절반 이상을 차지할 정도로 매우 풍부한 종을 보유하고 있습니다. 세균계와 고균계는 세포벽 구조의 차이로 구분되며, 고균계는 극한 환경에서 주로 서식합니다. 원생동물계부터는 진핵세포로 이루어져 있어 세포 구조가 더욱 복잡해집니다. 균계에는 곰팡이, 버섯, 지의류 등이 포함되며, 유색조식물계와 식물계는 각각 미세조류와 광합성을 하는 다양한 식물들을 포괄합니다. 육상식물은 포자로 번식하는 이끼와 양치식물, 종자로 번식하는 나자식물과 피자식물로 나뉩니다. 나자식물은 바람에 의해 꽃가루가 퍼지지만, 피자식물은 곤충에 의해 수정이 이루어집니다. 국립생물자원관에는 이처럼 다양한 생물의 표본이 전시되어 있어, 한때 살아있던 생물들의 모습을 가까이에서 관찰할 수 있습니다. 특히 포유류와 조류의 박제 표본은 실제와 매우 흡사하게 제작되어 관람객들에게 생생한 경험을 제공합니다. 박제는 동물의 가죽과 뼈, 일부 신체 부위를 사용해 살아있는 모습을 재현하는 기술입니다. 눈동자 등 일부는 유리나 아크릴로 만든 모형을 사용하지만, 깃털이나 털 등은 실제 동물의 것을 그대로 활용합니다. 박제의 자세는 다양한 자료를 분석해 실제 동물의 자연스러운 모습을 최대한 반영하여 제작됩니다. 견고함과 사실성이 중요시되며, 국립생물자원관의 박제 표본 대부분은 전문 박제사가 직접 제작한 결과물입니다. 국립생물자원관에는 디지털 수장고도 마련되어 있습니다. 이곳에서는 370여 종의 자생생물에 대한 동영상과 사진 등 다양한 기록 자료를 디지털로 보관하고 있습니다. 이를 통해 누구나 원하는 생물 정보를 쉽게 검색하고 체험할 수 있습니다. 국립생물자원관은 매년 생물 다양성 현황을 조사하며, 2023년 12월 기준으로 국가생물종목록에 6만 종을 기록하고 있습니다. 이러한 노력은 우리나라 생물 다양성 보전과 연구에 큰 기여를 하고 있습니다.

국립과천과학관💙싸돌이💙

생명과학

[명강리뷰] 생명의 기원, 그리고 세포내 공생을 통한 식물의 진화(1) _ by윤환수｜2019 봄 카오스강연 '기원, 궁극의 질문들' 6강

생명의 기원을 설명하는 오파린의 가설은 원시 지구의 대기에서 유기물이 만들어지고, 이것이 농축된 '유기물 수프'에서 생명이 시작되었다고 제안합니다. 무기물에서 유기물로의 전환인 화학 진화 과정에서는 지질, 핵산, 아미노산이라는 세 가지 핵심 물질의 형성이 필수적입니다. 밀러와 유리는 실험을 통해 초기 대기 환경에서 전기 에너지를 가했을 때 다양한 아미노산이 생성됨을 증명했습니다. 이후 연구자들은 아미노산이 사슬 형태로 연결되는 과정을 확인하며, 무기물로부터 생명의 기초 단위가 만들어질 수 있음을 실험적으로 입증해냈습니다. 유전 정보를 저장하고 효소 기능을 수행하는 RNA의 형성은 생명 탄생의 결정적인 단계입니다. 진흙 촉매 가설에 따르면 화산 근처의 따뜻한 진흙 환경에서 핵산들이 결합하여 고분자인 RNA로 변환될 수 있습니다. 특히 리보자임이라는 효소 기능을 갖는 RNA의 존재는 초기 세포에서 RNA가 유전 정보 제공과 대사 활동을 동시에 수행했을 가능성을 시사합니다. 또한, 이러한 유기물들이 외부 환경으로부터 보호받기 위해서는 지질막의 형성이 필수적입니다. 기름방울이 물에서 막을 형성하듯, 인지질막에 둘러싸인 코아세르베이트는 최초의 세포 형태를 갖추는 기반이 되었습니다. 최근 생명 기원의 유력한 장소로 주목받는 곳은 심해의 염기성 열수구입니다. 이곳은 온도가 비교적 낮고 pH 차이가 뚜렷하여, 현대 생명체가 에너지를 만드는 방식인 수소 이온 농도 차이를 이용한 에너지 대사와 유사한 환경을 제공합니다. 열수구 내부의 미세한 격실 구조는 아미노산과 같은 유기물이 모여 반응하기에 최적의 장소였을 것으로 추정됩니다. 비록 무기물이 유기물로 변하고 세포의 형태를 갖추는 과정은 실험적으로 설명 가능하지만, 이들이 어떻게 스스로 복제하며 살아있는 생명체로 거듭났는지에 대해서는 여전히 과학계의 탐구가 계속되고 있습니다. 지구상에서 가장 오래된 생명 흔적은 약 35억 년 전의 화석에서 발견되며, 초기 생명체는 핵막이 없는 원핵세포 형태였습니다. 이후 남세균의 등장으로 대기 중 산소 농도가 급격히 높아지자, 생명체들은 생존을 위한 새로운 전략을 선택해야 했습니다. 이 과정에서 고세균의 일종인 로키 고세균이 주 세포가 되고, 다른 박테리아를 받아들여 공생하는 '세포 내 공생'이 일어났습니다. 이러한 결합을 통해 미토콘드리아와 엽록체를 가진 복잡한 구조의 진핵세포가 탄생했으며, 이는 생명 진화의 역사에서 거대한 전환점이 되었습니다. 진핵세포의 등장은 다세포 생물로의 진화를 가능하게 했습니다. 15억 년 전의 화석에서는 세포 골격을 갖춘 진핵생물의 흔적이 발견되며, 14억 년 전에는 이미 여러 세포가 모인 다세포 생물이 존재했음을 보여주는 증거가 나타납니다. 12억 년 전의 홍조류 화석은 현대의 생물과 유사한 세포 분열 패턴을 보여주며, 6억 년 전에는 더욱 다양한 종으로 분화되었습니다. 약 4억 년 전, 식물이 육상으로 진출하면서 동물도 함께 출현하게 되었고, 이러한 기나긴 여정을 거쳐 오늘날 지구상에 존재하는 500만 종의 다양한 생태계가 완성되었습니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[석학인터뷰] 조장천_ 1등을 죽여라!! | 2019 봄 카오스강연 '기원, 궁극의 질문들'

20대는 단순히 전공 지식을 습득하는 시기를 넘어, 자신의 삶에 대한 방향성과 가치관을 정립하는 매우 중요한 시기입니다. 이 시기에는 책상 앞에 앉아 이론을 공부하는 것만큼이나 사회적 경험과 실천적인 활동을 통해 세상을 몸으로 직접 체득하는 과정이 필요합니다. 연애를 글로만 배울 수 없듯이, 다양한 현장에서 겪는 시행착오와 실천적 경험의 축적은 청년들이 자신만의 확고한 지향점을 만들어가는 데 있어 무엇보다 소중한 밑거름이 됩니다. 지구상에는 헤아릴 수 없이 많은 미생물이 존재하지만, 그중 대부분은 인공적인 배양이 불가능하여 여전히 미지의 영역으로 남아 있습니다. 과거 미생물 분류의 큰 단위인 문(Phylum) 중에서 실제로 발견된 것은 22개에 불과했으나, 연구를 통해 23번째 문인 '렌티스패라'를 새롭게 발견하는 성과를 거두었습니다. 이 미생물은 해저 열수공이나 '바다의 눈'이라 불리는 해중설을 형성하는 존재로 추정되며, 생물학적 진화 계통을 이해하는 데 있어 매우 중요한 학술적 의미를 지닙니다. 과학 연구의 세계는 1등만이 기억되는 치열한 경쟁의 장이기도 합니다. 과거 SAR11 미생물 배양 연구 당시, 경쟁자에게 단 2주 차이로 선취권을 내주며 '과학에 2등은 없다'는 냉정한 현실을 마주하기도 했습니다. 하지만 이러한 실의의 순간에 찾아온 렌티스패라의 발견은 연구자에게 커다란 선물과도 같았습니다. 실패와 좌절을 딛고 일어선 끝에 마주한 새로운 발견은 과학적 성취를 넘어, 포기하지 않고 탐구를 지속하는 학자로서의 삶에 소중한 이정표가 되었습니다. 바이러스는 스스로 물질대사를 하거나 재생산할 수 없기에 엄밀한 의미에서 완전한 생명체로 정의하기에는 어려움이 따릅니다. 그러나 이들은 숙주 세포와 끊임없이 교류하며 유전 물질을 전달하고 생태계의 진화에 깊숙이 관여해 왔습니다. 특히 '붉은 여왕 가설'처럼 세균과 바이러스가 서로 뒤처지지 않기 위해 끊임없이 경쟁하며 상호 진화하는 과정은 생명의 역동성을 잘 보여줍니다. 이러한 보이지 않는 군비 경쟁은 과거부터 현재까지 이어지며 지구 생명체의 다양성을 형성하는 핵심 동력이 되고 있습니다. 세포의 진화 과정을 설명하는 내부공생설은 이제 현대 생물학의 확고한 정설로 자리 잡았습니다. 동물의 미토콘드리아와 식물의 엽록체가 본래 독립된 세균이었다는 사실은 생명 진화의 신비로움을 극명하게 보여줍니다. 다만 진핵세포가 형성되는 과정에서 미토콘드리아가 유입된 구체적인 시점을 두고는 여전히 다양한 가설이 대립하며 학술적 논쟁이 이어지고 있습니다. 이처럼 풀리지 않은 수수께끼를 해결하려는 학자들의 끊임없는 노력은 생명의 근원적 기원을 이해하려는 인류의 위대한 여정입니다.

조장천

카오스재단2019 카오스강연 '기원, 궁극의 질문들'

생명과학

[강연] 생명체의 탄생 (2) _ 노정혜 교수 | 2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 1강 | 1강 ②

지구상의 모든 생명체는 공통의 조상인 루카(LUCA)로부터 시작되었습니다. 약 38억 년 전보다 더 이전에 존재했을 것으로 추정되는 루카는 세균과 고균의 분기점에 위치합니다. 현대 과학자들은 현존하는 수백만 개의 유전체 데이터를 분석하여 루카가 가졌을 법한 355개의 공통 유전자를 찾아냈습니다. 이를 통해 루카가 산소 없이 수소와 이산화탄소를 활용해 에너지를 얻고 질소를 고정하며 뜨거운 환경에서 생존했던 독립영양체였음을 유추할 수 있습니다. 생명의 탄생 과정을 설명하는 화학적 진화 가설은 무기물에서 유기물이 합성되는 과정을 다룹니다. 오파린과 홀데인은 원시 지구의 환원성 대기에서 복잡한 분자가 형성되었을 것이라 주장했습니다. 이를 증명하기 위해 밀러와 유리는 실험실에서 원시 지구 환경을 재현하여 아미노산을 포함한 다양한 유기물이 자연적으로 생성될 수 있음을 보여주었습니다. 이러한 실험적 근거는 생명이 단순한 화학 반응의 축적을 통해 출현했을 가능성을 강력하게 뒷받침합니다. 유전 물질의 기원에 대해서는 DNA보다 RNA가 먼저 출현했다는 'RNA 세계' 가설이 지배적입니다. RNA는 유전 정보를 저장할 뿐만 아니라 스스로 화학 반응을 촉매하는 효소 기능까지 갖추고 있기 때문입니다. RNA는 스스로를 복제하거나 아미노산을 결합시켜 단백질을 만드는 초기 역할을 수행했을 것으로 보입니다. 이후 유전 정보가 더 안정적인 DNA로 옮겨가고 단백질이 복잡한 기능을 담당하면서 현대적인 생명 시스템의 기틀이 마련되었습니다. 생명체가 독립적인 개체로 기능하기 위해서는 외부와 구분되는 구획인 세포막이 필수적입니다. 물과 섞이지 않는 지질 분자들은 스스로 뭉쳐 이중층 구조의 주머니인 베지클을 형성하며, 이것이 원시 세포인 프로토셀의 모태가 되었습니다. 이 작은 주머니 안에 유전 물질과 촉매 역할을 하는 금속 성분들이 갇히면서 효율적인 화학 반응이 일어날 수 있는 환경이 조성되었습니다. 이러한 구획화는 생명 현상이 외부 환경의 간섭 없이 지속될 수 있게 한 결정적인 단계였습니다. 해저 열수구는 생명 탄생의 유력한 후보지로 꼽힙니다. 뜨거운 물이 솟구치는 이곳의 다공성 암석은 미세한 칸막이 역할을 하여 물질을 농축시키고 반응을 촉진했습니다. 특히 열수구 주변의 황화철과 황화니켈은 강력한 촉매 작용을 하며, 알칼리성 열수와 산성 바닷물 사이의 수소 이온 농도 차이는 생체 에너지 생성의 원천이 되었습니다. 이러한 자연적인 에너지 기울기는 초기 생명체가 복잡한 대사 과정을 시작할 수 있는 동력을 제공했습니다. 초기 지구는 산소가 없는 환경이었으나, 광합성 세균인 시아노박테리아의 출현으로 거대한 변화가 시작되었습니다. 이들은 빛 에너지를 이용해 물을 분해하고 산소를 배출하며 유기물을 합성했습니다. 대기 중 산소 농도가 높아지자 이를 활용해 효율적으로 에너지를 만드는 산소 호흡 생물들이 등장했습니다. 산소의 등장은 생명체의 에너지 효율을 극적으로 높였으며, 이는 더 복잡하고 거대한 생명체로 진화할 수 있는 생물학적 토대가 되었습니다. 원핵세포에서 진핵세포로의 진화는 '세포 내 공생'이라는 획기적인 사건을 통해 이루어졌습니다. 약 20억 년 전, 산소 호흡을 하는 세균이 다른 세포 안으로 들어가 공생을 시작하면서 미토콘드리아가 되었고, 이는 진핵생물의 기원이 되었습니다. 식물의 경우 광합성을 하는 시아노박테리아가 추가로 유입되어 엽록체가 형성되었습니다. 이러한 합작품인 진핵세포는 복잡한 막 구조와 핵을 갖추게 되었으며, 오늘날 지구상에 존재하는 다양한 다세포 생물로 진화하는 출발점이 되었습니다.

노정혜

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 세포막 : 경계와 소통 (3) _ 윤태영 교수 | 2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 6강 | 6강 ③

세포 내부는 단순한 액체 주머니가 아니라 정교한 공간적 질서를 갖춘 복합적인 시스템입니다. 핵 속에 보관된 유전 정보인 DNA로부터 RNA가 만들어지면, 이는 핵 밖으로 수송되어 리보솜이라는 거대한 분자 기계를 만납니다. 특히 막 단백질은 소포체에서 합성되면서 복잡한 3차원 구조를 형성하며 세포막으로 삽입되는 과정을 거칩니다. 이 과정에서 세포질은 아미노산과 같은 영양소가 풍부하게 녹아 있는 바다와 같은 역할을 수행하며, 막 단백질은 외부 물질의 출입을 엄격히 통제하는 대문의 기능을 담당하여 세포의 항상성을 유지합니다. 세포막의 기본 구조는 지질 분자가 위아래로 배열된 지질 이중층으로 이루어져 생명체의 경계를 형성합니다. 흥미로운 점은 미토콘드리아나 핵과 같은 세포 소기관들은 이러한 지질 이중층이 두 번 겹쳐진 이중 막 구조를 가지고 있다는 사실입니다. 학계에서는 미토콘드리아가 과거 독립된 세균이었으나 진핵 세포에 포식된 후 에너지 공장으로 진화했다는 가설을 통해 이 독특한 구조를 설명하기도 합니다. 원시 지구에서 지질 분자들이 자발적으로 주머니 형태를 만들며 외부와 차단된 공간을 형성한 것이 바로 생명 진화의 위대한 시작이었습니다. 막 단백질은 전체 단백질의 약 30%를 차지할 정도로 비중이 높지만, 그 구조를 밝혀내는 일은 현대 과학에서도 매우 까다로운 과제입니다. 수용성 단백질과 달리 막 단백질은 친수성과 소수성이 공존하는 복잡한 환경에서만 본연의 3차원 구조를 유지할 수 있기 때문입니다. 세포막에서 분리하는 순간 구조가 쉽게 뒤틀리는 특성 탓에 정제와 분석이 어려웠고, 이로 인해 관련 연구는 일반 단백질에 비해 수십 년이나 늦게 시작되었습니다. 하지만 최근 세포막 환경을 재현하는 기술이 비약적으로 발전하면서 생명 현상의 비밀을 푸는 핵심 열쇠로 주목받고 있습니다. 인간이 느끼는 오감은 사실상 막 단백질의 정교한 활동 결과라고 해도 과언이 아닙니다. 우리가 수백 가지의 다채로운 냄새를 맡을 수 있는 것은 후각 세포에 존재하는 수백 종류의 GPCR 수용체 단백질 덕분이며, 시각과 청각 역시 막 단백질을 통해 외부의 물리적 자극을 전기 신호로 변환합니다. 이러한 생리적 중요성 때문에 막 단백질은 산업적으로도 막대한 가치를 지닙니다. 향수 산업이 후각 수용체를 공략하여 인간의 감정을 조절하듯, 막 단백질의 메커니즘을 깊이 이해하는 것은 인간의 감각 체계를 정밀하게 제어하고 활용할 수 있는 새로운 가능성을 열어줍니다. 암세포는 정상 세포보다 훨씬 많은 막 수용체를 안테나처럼 내세워 비정상적으로 빠르게 증식하는 특성을 보입니다. 현대 의학은 이러한 막 단백질의 과발현을 역이용하여 암세포만을 정밀하게 타격하는 항체 의약품이나 면역 체계를 극대화하는 치료제를 개발하고 있습니다. 특히 유전자 돌연변이가 많은 흑색종이나 신장암 분야에서는 면역 세포가 암세포를 더 잘 식별하게 함으로써 완치에 가까운 성과를 거두기도 했습니다. 우리나라도 바이오시밀러 분야에서 세계적인 경쟁력을 확보하고 있으며, 선진국 수준의 기술력을 바탕으로 차세대 정밀 의료 시장을 선도해 나가고 있습니다.

김현아, 윤태영, 정준호

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 세포막 : 경계와 소통 (2) _ 윤태영 교수 | 2017 봄 카오스 강연 '물질에서 생명으로' 6강 | 6강 ②

진핵세포는 단순히 외부와의 경계를 짓는 세포막뿐만 아니라, 내부에도 다양한 소기관을 갖추고 있습니다. 이러한 소기관들 역시 지질 이중층으로 구획되어 있으며, 각기 다른 기능을 수행합니다. 단백질 공장인 리보솜은 핵 옆의 소포체에 위치하여 복잡한 세포막 단백질을 만들어냅니다. 아미노산 체인이 형성될 때 물을 싫어하는 소수성 부분이 세포막 안으로 삽입되면서 정교한 구조의 단백질이 완성되며, 이는 생명 활동의 핵심적인 토대가 됩니다. 세포가 진화하면서 크기가 커짐에 따라 효율적인 물질 관리가 중요해졌습니다. 원핵세포와 달리 진핵세포가 내부를 여러 구역으로 나눈 이유는 복잡한 화학 반응들을 서로 섞이지 않게 보호하기 위함입니다. 좁은 영역 내에서 특정 반응에 필요한 물질들을 집중시키고, 불필요한 간섭을 최소화함으로써 고도의 생명 현상을 유지할 수 있습니다. 이러한 구획화는 세포가 거대해지면서 발생한 물리적 한계를 극복하기 위한 진화적 선택이라 할 수 있습니다. 세포 내부의 분자들은 지능이 없으며, 물 분자들과 충돌하며 무작위로 움직이는 브라운 운동을 합니다. 이 운동의 특징은 거리가 멀어질수록 도달 시간이 기하급수적으로 늘어난다는 점입니다. 따라서 단거리에서는 확산이 효율적이지만, 장거리 수송을 위해서는 특단의 조치가 필요합니다. 세포는 이를 해결하기 위해 막의 일부를 풍선처럼 부풀려 물질을 담는 소낭을 만들고, 이를 일꾼 단백질이 직접 운반하는 '세포막 수송' 시스템을 발전시켰습니다. 수송된 소낭이 목적지에 도착하면 대상 막과 하나로 합쳐지는 '세포막 융합' 과정이 일어납니다. 하지만 지질막끼리 합쳐지는 과정은 엄청난 에너지를 필요로 하는 화학적 난제입니다. 우리 몸의 신경세포는 이를 해결하기 위해 스네어라 불리는 특수한 단백질을 사용합니다. 스네어 단백질들은 서로 새끼줄처럼 꼬이면서 강력한 에너지를 발생시키고, 이를 통해 1,000분의 1초라는 찰나의 순간에 세포막 융합을 성공적으로 마무리합니다. 스네어 단백질의 작동 원리를 규명하기 위해 과학자들은 자기 집게 기술을 활용합니다. 이는 자석을 이용해 단백질에 물리적인 힘을 가하며 그 변화를 관찰하는 정밀한 방법입니다. 연구 결과, 스네어 결합체는 한 번에 완성되는 것이 아니라 절반 정도 미리 꼬인 상태로 대기하다가, 신호가 오면 즉시 나머지를 완성한다는 사실이 밝혀졌습니다. 이러한 예비 단계 덕분에 신경세포는 외부 자극에 대해 즉각적이고 폭발적인 반응을 보일 수 있는 것입니다. 세포막과 그 단백질들은 현대 의학에서 질병 치료의 핵심 표적이 됩니다. 대표적인 예로 보톡스는 신경세포의 스네어 단백질을 절단하여 세포막 융합을 차단하는 원리를 이용합니다. 이를 통해 신경전달물질의 방출을 막아 근육을 마비시키고 주름을 펴는 효과를 냅니다. 또한 바이러스 역시 세포막 융합을 통해 자신의 유전 물질을 세포 내로 침투시키기 때문에, 이러한 메커니즘을 제어하는 것은 감염병 예방과 치료에 있어 매우 중요한 과제입니다. 암 치료 분야에서도 세포막 단백질의 역할은 결정적입니다. 세포 표면의 안테나 역할을 하는 수용체 단백질이 고장 나면, 외부 신호가 없어도 세포에게 계속 성장하라는 가짜 신호를 보냅니다. 이것이 암세포의 폭주로 이어지는 것입니다. 최근의 표적 항암제들은 이러한 고장 난 안테나 단백질만을 선택적으로 차단하여 암세포의 자금줄을 끊고 자살을 유도합니다. 이처럼 세포막은 생명의 경계를 넘어 첨단 의학의 새로운 지평을 열어주고 있습니다.

윤태영

카오스재단카오스강연

생명과학