염색체는 단백질과 DNA로 구성되며 DNA에는 여러 유전자들이 담겨 있다. 일반적으로 사람의 정자나 난자에는 23쌍의 염색체가 나뉘어 정확하게 23개씩의 염색체가 있어야 한다. 이들 염색체는 부모로부터 자손에게 복제돼 전달되는 실질적인 유전물질이다. 자손에게 부모 유전자가 전달될 때 염색체가 고스란히 복제되고 정확하게 나뉘어 생식세포로 전달되는 것은 그리 쉬운 일이 아니다. 먼저 염색체가 제대로 분리되지 않을 수 있다. 비정상적으로 분리돼 22개의 염색체를 가진 생식세포와 정상적으로 분리된 23개의 염색체를 가진 생식세포가 수정되면 45개의 염색체를 가진 수정란이 생길 수 있다. 이 경우는 착상조차 일어나지 않는다. 반대로 특정 염색체 수가 많아지기도 한다. 대부분 유전자 수가 적은 13, 15, 16, 21, 22번 염색체 중 어느 한 염색체가 3개씩 있어 47개 유전자를 가진 태아들이 발견된다. 이 경우 모두 유산되며, 13번 염색체가 3개인 아이는 출생하자마자 곧 죽는다. 21번 염색체를 3개 지닌 아이는 신생아 1000명당 1명꼴로 태어나는데 목숨은 이어 갈 수 있다. 이 아이들은 지적장애가 나타나고 펑퍼짐한 얼굴을 갖고 있으며, 키가 작고 심장 기

20세기 초 멸망한 러시아 로마노프 왕조에 관해서 많은 이야기가 전해진다. 니콜라이 2세와 알렉산드라 황후의 늦둥이 아들 알렉세이의 혈우병도 그중 하나이다. 혈우병 치료를 위해 불러들인 요승 라스푸틴이 전횡을 일삼은 것이 로마노프 왕조의 몰락을 앞당겼다. 생물학자들은 혈우병에 주목했다. 영국 빅토리아 여왕을 시작으로 자손에게 전해진 열성 유전병이라는 점과 남성에게서만 주로 증상이 나타났다는 것이다. 빅토리아 여왕의 외손녀 알렉산드라 황후는 이 유전자를 하나만 지닌 보인자여서 증상이 없지만, 정상인 황제와의 사이에서 얻은 아들에게는 혈우병이 나타났다. 이런 유전 원리는 초파리 실험으로 발견됐다. 1933년 노벨 생리의학상 수상자 토머스 모건은 초파리로 여러 실험을 했다. 모건은 붉은 눈을 지닌 잡종끼리 교배해 얻은 자손 중 열성인 흰 눈을 가진 자손은 모두 수컷이란 결과를 얻었다. 눈 색깔을 담당하는 유전자가 X염색체에 있지 않으면 설명이 불가능한 결과였다. 이 실험으로 모건은 유전자들이 염색체에 있다는 사실과 더불어 성에 따라 유전 결과가 달라지는 반성유전 현상을 밝혀냈다. 색맹이 아닌 부부에게서 색맹인 아들이 나오는 경우가 있다. 아들은 Y염색체를 아버지

우리들 대부분은 심각하고 치명적인 유전 질환은 드라마에서나 나오는 것으로 생각한다. 그러나 우리 주변에는 의외로 치명적 유전 질환으로 고생하는 사람들이 많다. 세포막에서 염소 이온 수송 담당 단백질 이상으로 생기는 낭성섬유증은 유럽계 미국인들의 2500명당 한 명꼴로 출현한다. 세포 내에 염소 이온의 농도가 증가해 특정 세포를 덮는 점액이 짙어지고 끈적끈적해진다. 이 점액은 이자, 폐, 소장 등에 축적돼 만성 기관지염 재발, 영양소 흡수 장애, 반복적 세균 감염 등과 같은 여러 증상을 나타낸다. 아프리카계 미국인들은 400명당 한 명꼴로 헤모글로빈 단백질 유전자 돌연변이 때문에 겸상적혈구빈혈증을 나타낸다. 겸상적혈구빈혈증은 적혈구가 낫 모양으로 변해 산소 운반이 제대로 안 돼 육체적으로 약해지는 증상을 겪는다. 또 심장 기능이 제대로 수행되지 않는 급성 가슴통증 증후군, 그리고 빈혈 현상을 유발시키는데 결국 뇌 기능 손상까지 연결된다. 끝이 날카로운 낫 모양의 적혈구 세포들 때문에 심장과 뇌 기능 손상, 몸의 마비를 일으키고 폐렴, 류머티즘 등이 생기거나 신장 기능에 문제를 유발한다. 이 외에도 색소가 결핍돼 태양에 노출되면 피부암 발생 가능성이 증가하는

루시 모드 몽고메리의 ‘빨간 머리 앤’ 주인공 앤을 떠올리면 빨간 머리와 주근깨가 떠오른다. 신기하게도 우리가 아는 빨간 머리의 주인공들은 모두 주근깨가 있다. 빨간 머리와 주근깨는 한 세트로 나타나는 걸까. 유전학에는 가장 기본인 ‘분리의 법칙’과 ‘독립의 법칙’이 있다. 독립의 법칙은 서로 다른 유전자의 관계에 대한 것이다. 예를 들어 “A형 혈액형은 모두 Rh+이다”라는 주장이 타당성이 있는지를 판별하려면 독립의 법칙이 필요하다. ABO 혈액형을 결정하는 유전자는 9번 염색체에 있고, Rh 혈액형을 결정하는 유전자는 1번 염색체에 있다. A형 유전자 그리고 Rh+와 Rh- 유전자 모두를 부모로부터 물려받은 사람이 자식에게 혈액형 유전자를 물려줄 때를 가정해 보자. 9번 염색체는 A형 유전자를, 1번 염색체는 Rh+를 자손에게 물려줄 수도 있지만 A형 유전자와 Rh- 유전자를 자손에게 줄 수도 있다. ABO 혈액형 유전자와 Rh 유전자는 서로 상관하지 않고 독립적으로 자손에게 전달될 수 있다는 말이다. 멘델은 완두콩 실험으로 이를 증명했다. 현재까지 사람의 유전자는 약 2만 1000개가 발견됐다. 염색체 종류는 23가지, 남성 Y염색체까지 포함하면 24

우성과 열성은 무엇일까. 키가 크면 우성일까? 지능지수가 높으면 우성일까? 힘이 더 세면 우성일까? 사람들은 흔히 ‘우수한 것’을 우성이라 착각하지만 우수한 것이 우성은 아니다. 유전학에서 우성은 양친에게서 물려받은 두 유전자 중 하나만 있어도, 그것이 무엇이든 그 특징이 나타나는 것을 의미한다. 예를 들어 양친으로부터 다지증 유전자와 정상 유전자를 물려받은 사람은 다지증을 나타내기 때문에 다지증 유전자가 우성이다. 멘델이 유전 현상에서 우성과 열성을 발견한 것은 생물학에서 매우 중요하다. 멘델은 흰색 유전자만 둘을 가진 흰색 순종 꽃과 보라색 유전자만 둘 가진 보라색 순종 꽃을 교배하면 그 자손들은 모두 보라색 꽃만 나오는 현상을 관찰했다. 이처럼 자손들에게 두 가지 유전자 특징 중 어느 하나만 나타나는 것을 완전 우성이라 불렀다. 반면 흰색 꽃은 흰색끼리 교배할 때만 나타나므로 열성이라 했다. 멘델은 보라색 순종과 흰색 순종을 교배해 얻은 1대 잡종 자손이 보라색 꽃만 나타나는 결과를 보고 흰색 유전자가 없어졌을지 모른다고 생각했다. 이를 조사하기 위해 1대 잡종 자손끼리 교배한 결과, 2대 자손들의 꽃은 보라색 꽃과 흰색 꽃이 3대1 비율로 나타났다.

19세기까지는 유전에 관한 엉터리 설명들이 유행했다. 정자 속 유전자가 자손에게 전달되고 어머니는 단순히 정자를 키우는 역할만 한다고 생각했다. 정자 속에 이미 자손이 만들어져 있다는 주장이다. 또 아버지와 어머니의 유전적 특징이 섞여서 그 중간이 자손에게 나타난다는 주장도 있었다. 어려서부터 과학에 관심이 많았던 멘델은 수도원 교사로 활동하던 중 수도원장의 권유로 빈 대학에서 석사 과정을 밟았다. 이때 배운 물리학 덕분에 멘델은 수많은 자연현상에는 법칙이 있고 아무리 복잡한 자연현상이라도 작게 나누어 살펴보면 쉽게 그 법칙을 알 수 있으며, 실험을 잘 계획하면 자연법칙을 알게 되는 데에 유리하고, 확률과 통계를 사용해 실험 결과를 정리할 수 있음을 알았다. 멘델은 수도원 정원에 있는 길이 30m, 폭 6m 남짓의 텃밭에서 완두콩으로 8년간 유전학 실험을 수행하면서 수많은 생물학자들에게 과학적 방법론의 모범을 보였고 올바른 유전법칙을 찾아냈다. 첫째, 탁월한 실험 재료를 선택했다. 멘델이 선택한 완두는 한 세대 기간이 짧고, 교배한 하나의 개체에서 얻는 자손 수가 많다. 그래서 비교적 짧은 시간 내에 여러 세대를 살펴볼 수 있고 통계 자료를 만들 수 있다.

지난달 5일은 개구리가 겨울잠에서 깨어난다는 경칩이었다. 이날 모든 개구리가 깨어났는지는 모르겠지만 완연하게 따뜻해진 지금은 정말 게으른 몇몇 개구리를 제외하고는 모든 개구리들이 활동을 시작했을 것이다. 아마 이달에는 수정란이 부화해 올챙이도 생길 것이다. 올챙이들은 성장과 성숙이 진행돼 개구리가 되는 과정에서 몸이 커지고 네 다리를 만드는 한편 꼬리와 아가미는 없어진다. 여기서 우리가 놓치지 말아야 할 것은 성장과 성숙 과정에서 세포가 없어지기도 한다는 것이다. 사람의 손가락과 발가락도 마찬가지이다. 태아 때 손가락과 발가락 사이가 물갈퀴 같은 구조로 채워져 있지만 태어날 때에는 그 구조가 없어진다. 생물의 신체 형성 과정에는 기왕에 만들어진 구조를 없애는 것까지 포함된다. 세포 입장에서는 애써 만든 세포가 사멸되는 것이다. 세포의 많은 활동들처럼 세포 사멸도 외부 신호를 수용해서 일어난다. 예를 들어 외부의 분열촉진 인자를 세포가 신호로 인식하면 분열을 시작해 세포 숫자가 늘어난다. 상처를 입어 손실된 세포들은 이렇게 보충된다. 이런 현상은 세포 사멸에도 적용된다. 외부 신호인 생존 인자는 세포 자살 프로그램을 억제한다. 신경세포가 필요 이상으로 만들어

우리 몸을 구성하는 60조~100조개의 세포들은 엄청나게 많고 다양한 화학 분자를 신호로 주고받으며 소통을 한다. 하나의 세포는 다른 세포와 신호를 주고받으면서 적정선에서 자신의 역할을 수행한다. 그래서 다세포 생물은 하나의 개체로서 자신의 정체성을 유지할 수 있게 된다. 세포에 신호가 포착되면 세포의 수용체 단백질이 신호 분자와 결합하고, 세포 안으로 이 결합 사실을 전달하면 세포가 일정한 반응을 하게 된다. 세포는 수용, 전달, 반응의 3단계로 외부 신호에 대응한다. 특히 ‘수용’ 단계는 매우 중요하다. 수용은 세포 수용체 단백질이 세포 외부에서 들어오는 신호 분자와 결합하는 것이다. 신호 분자가 세포막을 통과해 세포 내로 들어오면 수용체 단백질은 세포 안에서 기다리고 있다. 이런 경우는 신호 분자가 스테로이드나 갑상선 호르몬처럼 지용성이어서 세포 안으로 쉽게 들어올 수 있을 때이다. 세포막은 인지질 성분이 많기 때문에 지용성인 분자가 쉽게 세포막을 통과할 수 있다. 그래서 테스토스테론은 근육이나 피부 세포 내에 있는 수용체와 결합해서 남성의 성징을 표현하는 여러 유전자 활성을 조절한다. 지용성이 아닌 수용성 신호 분자는 세포막을 쉽게 통과하지 못한다.

코로나19로 오도 가도 못 하는 지금과 달리 비행기를 타고 외국을 꽤 나갔던 적이 있다. 좁은 자리에서 긴 시간 동안 지루해하다가 좌석 앞에 꽂혀 있는 항공사 잡지를 펼쳐 보았다. 펼쳐진 면에는 세계지도에 항공사의 전 세계 노선이 파란색으로 그려져 있었다. 서울을 중심으로 그려져 있는 노선이기 때문일 텐데 파란색 선으로 표시된 항공노선이 집중적으로 모여 있는 서울 주변은 온통 파랗게 칠해져 있었다. 우리는 시각, 청각, 미각, 후각, 촉각 등 오감으로 세상을 느끼며 살아간다. 이 말은 세상에는 다양한 신호가 있고 우리는 감각 기관을 통해 이 신호를 감지한다는 뜻이다. 빛 신호는 망막, 맛 신호는 혀를 통해 감지된다. 냄새, 소리, 접촉도 신호 감지와 관련돼 있다. 몸 안에 있는 세포끼리도 신호를 주고받는다. 세포 간에 주고받는 신호를 항공노선처럼 파란색 선으로 표시한다면 선이 보이지 않을 정도로 온통 파란색일 것이다. 아마 평일 낮 도심에서 인터넷으로 주고받는 정보를 파란색 선으로 표시하면 비슷할 정도로 엄청나다. 인간처럼 많은 세포로 이루어진 생물들은 복잡하고 많은 신호를 주고받는다. 그렇다면 단세포 생물들은 어떨까. 빵, 포도주, 맥주 등으로 친숙한 효

선진국을 의미하는 지표 중에 심혈관 질환과 암으로 인한 사망률이 있다. 암은 정상 세포가 환경과 반복되는 상호작용 속에서 서서히 변해 가며 생긴 결과다. 젊은 세포는 외부 자극에 의한 손상을 쉽게 회복한다. 그러나 시간이 가면서 지속되는 자극에 의한 세포의 손상 회복 정도는 점점 줄어든다. 그러면 결국 세포는 고장이 나고 일부는 암세포로 바뀔 수 있다. 나이가 들수록 암환자가 늘어날 수밖에 없는 이유다. 이런 현상은 생물의 중요한 특징인 번식과 관련해 걱정을 안겨 준다. 많은 손상을 입은 세포가 그대로 복제돼 자손을 만든다면 그 자손은 만신창이가 될 것이기 때문이다. 이 같은 문제를 해결하기 위해 생물은 나름대로 방법을 고안해 냈다. 세균은 자손을 빠르게 많이 만들고, 사람과 같은 생물들은 생식세포를 이용해 이 같은 문제에 대응했다. 생식세포는 감수분열을 통해 만들어지는데, 감수분열은 염색체의 수를 반으로 줄이는 과정이다. 이를 통해 자손을 유전적으로 최대한 다양하게 만들 수 있다. 다른 유성생식 생물도 그렇지만 사람은 가장 큰 것부터 작은 것까지 1~23번의 번호를 부여한 23개의 염색체 한 벌씩을 부모에게서 각각 물려받아 46개의 염색체를 가진다. 부모

양성이 유성생식을 통해 생명체를 만든다. 이 말을 해석하면 다음과 같다. 한 남성과 한 여성이 만나 사랑을 하면 그 사이에서 아기가 태어난다. 인간은 유성생식을 한다. 일단 어머니 몸속에서 만들어지고 태어나 성장한다. 어느 정도 성장하면 우리는 생식세포를 만들 수 있게 되고 이 생식세포로 수정을 하면 자손을 얻게 된다. 이런 여러 단계의 삶을 포괄해 생활사나 유성생식 주기라고 한다. 반복되는 생활사를 통해 부모의 유전자를 담고 있는 염색체 복제본을 전달받는다. 그런데 아버지와 어머니의 염색체를 전달받았다면 내 염색체는 아버지나 어머니보다 두 배 더 많아지는 것이 아닐까. 만일 그런 일이 반복된다면 자손 대대로 염색체 수는 계속 배가 돼 결국 한참 뒤의 후손이 가지고 있는 세포는 온통 염색체로만 채워질 것이라는 생각이 떠오를 수도 있다. 그러나 이런 일은 일어나지 않는다. 염색체 수를 비교하면 사람은 모두 각각 46개의 염색체를 가지고 있다. 염색체의 수는 생물마다 다르지만 모두 쌍을 이룬다. 사람도 거의 동일한 두 개씩 23쌍의 염색체가 존재한다. 정확히는 22쌍의 보통 염색체와 1쌍의 성염색체로 이뤄져 있다. 이때 거의 동일한 두 염색체를 상동염색체라고

1951년 미국의 한 병원 의료진은 연구목적으로 헨리에타 렉스라는 여성으로부터 자궁경부암 조직을 추출했다. 이 여성은 곧 세상을 떠났지만 추출한 암 조직은 70년이 지난 지금도 세포분열을 하고 있다. 이 세포는 현재도 많은 동물학 연구실에서 연구를 위해 사용하고 있는데 제공자의 이름을 따 ‘헬라 세포’라고 부른다. 많은 연구진의 노력 덕분에 이제 암은 공포의 대상이 아니지만 여전히 사망 원인 1, 2위를 다투고 있다. 암을 완전히 없앨 수는 없을까? 아마도 세포분열 자체를 막으면 가능할지 모른다. 세포는 아무 때나 분열하지 않는다. 외부의 신호가 있거나 세포 자체가 커지면 분열한다. 세포는 우선 분열할 것인지 여부를 결정한다. 분열하기로 결정하면 분열하기 전에 준비 작업을 한다. 분열된 세포에 염색체를 나누어 주기 위해 염색체를 두 배로 증폭시켜야 하고, 염색체를 이동시키기 위해 방추사를 만든다. 그리고 핵막을 임시로 조각낼 준비 등을 한다. 준비 과정은 실제로 분열이 일어나는 시간의 9배 정도가 걸린다. 즉 세포분열이 10분 동안 일어난다면, 준비 과정은 약 90분 동안 이어진다. 세포가 분열할 것인지 여부를 결정하는 순간부터 세포분열이 조절된다고 말한다

코로나19 확진자를 치료하는 의료진을 보면 우주인처럼 온 몸을 완전히 감싼 특수복을 입고 있다. 이와 비슷한 특수복을 입은 모습을 다른 곳에서 본 적이 있을 것이다. 바로 반도체 공장이다. 의료진이 입는 특수복이 외부 바이러스를 차단하기 위한 것이라면, 반도체 공장에서 입는 특수복은 인체에서 나오는 먼지를 막기 위함이다. 반도체 제품을 생산하는 공장에 먼지가 있으면 심각한 상황이 벌어질 수도 있기 때문이다. 사람이 먼지 하나 없는 방에 들어가 1~2일 정도 있으면 먼지가 쌓이게 된다. 이 먼지들은 피부 가장 바깥을 덮고 있는 일부가 떨어져 나간 것들이다. 피부 안쪽에서 세포분열로 만들어진 세포들이 피부 바깥으로 이동해 죽은 세포들이 몸에서 떨어져 나간 것이다. 우리 몸을 구성하고 있는 세포는 끊임없이 분열해 새로운 세포를 만든다. 몸에 상처가 생겨도 시간이 지나면 상처의 흔적을 발견할 수 없다. 간은 3분의2 정도를 잘라내고 석 달 이상 지나면 완전히 원래의 크기를 회복한다. 이러한 현상은 왕성한 세포분열 결과로 가능한 것이다. 이 밖에도 대장은 매일 대변과 함께 쓸려나간 대장 벽 세포를 만들어 내고 있고 최대 수명이 네 달 정도인 적혈구도 매일 만들어지고

반려견이나 반려묘 같은 동물과는 달리 식물들은 특별히 먹을 것을 챙겨 주지 않아도 잘 자라는 것을 볼 수 있다. 화분에 식물을 키우다 시들시들해지면 얼른 물을 주고 빛이 잘 드는 곳으로 옮겨 주면 언제 그랬냐는 듯이 원기회복을 한다. 식물이 먹는 것이라고는 물과 약간의 비료뿐인 것 같은데 2㎏의 묘목이 5년이 지나면 70㎏이 된다. 늘어난 68㎏은 어디에서 왔을까. 식물의 엽록체는 빛에너지로 ATP와 NADPH라는 화학에너지를 만든다. 식물은 이 두 가지의 화학에너지를 이용해서 자신이 ‘먹을 것’을 스스로 만든다. 여기서 ‘먹을 것’이란 당을 말한다. 당을 만들려면 탄소, 수소, 산소와 같은 재료가 있어야 한다. 식물은 잎에 있는 기공이라는 구멍을 통해 탄소의 원료인 이산화탄소를 흡수한다. 그리고 뿌리에서 흡수한 물을 물관을 통해 줄기, 가지를 지나 잎까지 수송한다. 그러면 당을 만들 수 있는 모든 재료가 확보된다. 엽록체는 루비스코라는 효소를 이용해서 이산화탄소의 탄소를 탄소가 5개인 분자와 결합시켜 탄소 6개인 분자를 만든다. 이 분자는 불안정해 금세 둘로 갈라져 탄소 3개인 분자로 바뀐다. 탄소를 고정해서 얻은 최초의 분자가 탄소 3개인 분자이기 때문

과학자들은 꽤 오래전부터 바이러스의 존재를 간접적으로 인지하고 있었다. 그러던 중 성장에 제약이 있는 담배를 관찰하다가 잎에 흰색 무늬들이 모자이크 형태로 나타나는 것을 발견했다. 1883년 한 과학자는 이런 증상을 나타낸 식물의 수액을 다른 식물에 뿌린 뒤 관찰했다. 예측대로 건강했던 식물은 담배모자이크병에 걸렸다. 이를 통해 담배모자이크병 증상을 나타낸 식물의 수액 내에 전염성을 가진 병원체가 있을 것으로 추측했다. 이후 또 다른 과학자는 이 병에 걸린 식물의 수액을 추출해 세균이 통과하지 못하는 필터로 걸러 냈다. 필터를 통과한 액체를 건강한 담배에 뿌렸더니 이 담배 역시 병에 걸렸다. 세균보다 작은 이 입자는 바이러스로 명명됐다. 바이러스는 많은 시도에도 불구하고 생물 밖에서 배양되지 않았다. 나중에 담배모자이크병을 유발하는 입자를 결정화해 그 모양이 원통형임을 관찰할 수 있었다. 담배모자이크바이러스의 발견 이후 수많은 바이러스가 관찰됐는데 이들의 크기는 20~200나노미터(㎚)고 모양은 공, 다면체, 막대, 복잡한 구조 등 다양하다. 그렇지만 바이러스의 구성은 단순하다. DNA나 RNA로 이뤄진 유전물질과 단백질로 구성돼 있다. 바이러스는 배지에서

우리의 일상을 바꿔 놓은 이번 코로나바이러스에 의한 질병 이름은 COVID-19다. 세계보건기구(WHO)에서 코로나바이러스와 발생 연도 2019를 조합해 명명했다. 그리고 국제바이러스분류위원회에서 부여한 코로나19의 원인 바이러스 이름은 2003년 발생한 사스(중증급성호흡기증후군) 바이러스와 유전적으로 비슷하다는 관찰 결과를 근거로 ‘SARS-CoV-2’라고 했다. 이 바이러스의 중간 숙주는 어떤 동물인지 확실하지 않다. 메르스(중동호흡기증후군)나 사스처럼 박쥐에서 시작됐을 가능성이 있지만 확언할 수 없다. 그러나 코로나19 바이러스는 사스를 일으킨 원인 바이러스의 변이인 것은 확실한 것 같다. 새로운 바이러스 질병은 기존의 바이러스가 변이를 일으켜 생긴다. 코로나바이러스는 모두 한 가닥의 RNA를 유전물질로 갖고 있다. RNA는 복제 과정에서 실수가 생기기 쉬워 변이가 쉽게 나타난다. 신종 바이러스 질병은 생태계가 파괴되거나 교통수단의 발달로 인해 발생하고 확산되는 경우가 대부분이다. 바이러스든 세균이든 전염은 증식을 위한 수단이다. 그러려면 숙주를 많이 확보해야 한다. 그런데 병을 일으키는 바이러스나 세균의 독성이 강할수록 숙주가 죽거나 약해지므로 전염

얼마 전 필리핀에서 화산이 폭발했다. 화산이 폭발하면 분출되는 화산재가 하늘을 가려 암흑천지가 된다. 지구에서 5번의 생명체 대멸종이 있었는데, 최악의 화산 폭발 때문인 것으로 알려져 있다. 특히 생물종 90%가 사라진 페름기 대멸종은 약 2억 5200만년 전 엄청난 넓이의 시베리아에서 용암이 분출되고 화산재가 광범위하게 퍼지면서 발생한 일이다. 화산재가 빛을 차단했고 그로 인해 식물의 광합성이 불가능해졌기 때문이다. 사람은 다른 생물을 먹어야 살 수 있다. 사람은 육식동물, 초식동물, 식물 등 어떤 것이든 먹는다. 육식동물은 초식동물을 먹고 초식동물은 식물을 먹는다. 결국 인간은 식물로부터 에너지를 얻는 것이다. 그런데 식물은 빛에서 에너지를 얻는다. 다시 말해 식물이 빛에너지를 이용해 다른 생물들이 먹을 수 있는 화학에너지로 전환되기 때문에 사람을 포함한 지구상의 거의 모든 생물이 살아갈 수 있는 것이다. 식물이 얻는 빛에너지는 지구에 도달하는 태양에너지에서 얻는다. 지구에 도착한 태양에너지는 대부분 반사돼 우주로 나가거나 땅, 바다, 대기에 흡수돼 열로 전환된다. 그리고 남은 1%만 광합성에 의해 화학에너지로 바뀌는 것이다. 이 양은 지구상의 거의 모

우리는 세포호흡을 통해 음식물로부터 전자에너지를 얻는다. 호흡으로 우리 몸에 들어온 산소가 음식물의 전자를 끌어당기는 성질을 이용해 ATP라는 에너지를 얻는다. 음식물의 전자를 산소에 전달하는 셔틀버스 역할을 하는 분자가 NAD+이다. 셔틀 분자 NAD+는 음식물에서 분리된 전자 그리고 수소이온과 결합해 NADH로 만들어지게 된다. 만약 산소가 부족하거나 없다면 셔틀버스 역할을 하는 NADH가 전자를 산소가 아닌 다른 상대에게 전달한다. 이렇게 전자가 산소 아닌 다른 분자에 전달되는 과정이 바로 ‘발효’이다. NADH가 전자를 아세트알데히드에 전달하면 에탄올이 만들어져 알코올 발효가 되고 피루브산에 전달하면 젖산이 만들어져 젖산 발효가 된다. 숨이 찰 정도로 운동을 하면 우리 몸은 산소가 부족한 상태가 된다. 이런 상태에서 우리 몸은 ATP를 만들게 되고 발효가 일어나 젖산이 만들어지게 된다. 우리 몸에서 젖산 발효가 일어나면 근육이 뻐근해진다. 젖산 발효 과정에서 여러 부산물이 생기기 때문이다. 발효 과정에 다른 생물을 이용하면 여러 유용한 물질을 얻을 수 있다. 젖당을 분해하는 균을 사용하면 우유를 발효해 버터밀크, 요구르트, 치즈 등을 만들 수 있고

우리는 코로 숨을 쉰다. 숨을 내쉬고 들이쉬는 것을 호흡이라고 하고 영어로 ‘breath’라고 한다. 생물학 교과서를 보면 ‘breath’ 말고 ‘respiration’이라고 부르는 ‘세포호흡’이라는 또 다른 호흡이 등장한다. ‘respire’는 ‘spire’라는 어근을 사용한 단어 중 하나로 이 어근을 사용한 단어들은 숨을 거두다, 열망하다, 탄식하다, 땀을 흘리다 등 생명 활동과 관련되어 있다. 사실 세포호흡은 관찰하기는 어렵다. 하지만 다른 유사한 과정으로 세포호흡 과정을 이해할 수는 있다. 수소가스에 불을 붙이면 폭발이 일어난다. 이 현상은 수소 분자 구조를 유지하는 전자에너지가 순식간에 열로 바뀌면서 나타나는 것이다. 전자에너지가 열로 바뀌는 것은 수소가 에너지를 가진 전자를 끌어당기면서 일어난다. 수소가 전자와 결합하려는 경향이 크기 때문이다. 생물은 에너지를 가진 전자를 산소를 이용해 끌어당긴다. 다만 전자에너지를 제공하는 물질이 산소가 아닌 음식물이고 폭발처럼 순식간에 에너지를 열로 모두 방출하게 하지 않는다는 점이 다르다. 생물체는 세포호흡으로 산소를 이용해 음식물이 가진 전자를 당기는데, 이때 전자전달계라는 장치를 이용한다. 이 장치는 여

1만년 전쯤 인류는 곡물로 술을 만들면서 시행착오를 겪은 끝에 보리에서 효과적으로 필요한 당분을 얻을 수 있다는 것을 알게 됐다. 그래서 맥주의 역사는 다른 술보다 길다. 또 농부들은 콩과(科)식물을 심었던 밭에 다른 작물을 심으면 생산성이 높아진다는 것을 경험으로 알고 있었다. 보리나 콩과식물에 공생했던 뿌리혹박테리아는 효과적으로 당분을 얻을 수 있고 다른 작물의 수확량을 늘리는 데 도움을 주는 효소를 제공한다. 효소는 생명의 모든 화학작용에 관여한다고 해도 지나친 말이 아니다. 어떤 분자든 합성되면 일정한 구조를 유지하게 되는데 이를 위해 필요한 에너지가 바로 활성화에너지다. 이 에너지가 없다면 포도당과 과당이 합쳐져 만들어지는 설탕 분자는 곧바로 포도당과 과당 상태로 되돌아간다. 모든 분해 작용이 그렇듯 설탕의 분해도 언젠가는 일어난다. 문제는 설탕이 포도당과 과당으로 분해될 때까지 활성화에너지가 줄어들도록 마냥 기다려야 한다는 점이다. 이때 설탕 분해 효소를 더해 주면 설탕의 활성화에너지가 낮아져 화학반응이 빠르게 일어난다. 효소는 일어나지 않을 반응을 만들어 내지는 못하지만 일어날 반응을 매우 빠르게 진행시키는 촉매 역할을 한다. 효소는 아주 낮은