안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. 인수공통감염병은 어떤 메커니즘으로 나타나는 것인가요?
질문해주신 '인수공통감염병'은 말씀하신 것과 같이 인간과 동물 모두 감염될 수 있는 병원체에 의해 발생하는 질병으로, 조류독감이나 광견병, 살모넬라 감염 등이 대표적인 예입니다. 이러한 병원체가 서로 다른 숙주에서 감염을 일으킬 수 있는 이유는 여러 가지가 복합적으로 작용하기 때문인데요 우선 병원체는 숙주 세포 표면의 특정 수용체와 결합하여 세포 안으로 침입하는데, 숙주 특이성이 변하거나 확장될 경우 다른 종의 세포에도 결합할 수 있습니다. 예를 들어, 조류독감 바이러스는 조류 세포에서는 α-2,3 결합 시알산과 결합하지만, 돌연변이를 통해 인간 호흡기 세포의 α-2,6 결합 시알산에도 결합할 수 있게 됩니다. 또한 RNA 바이러스와 같은 병원체는 복제 과정에서 돌연변이가 자주 발생하여 숙주 범위를 넓히거나 숙주 특이성을 변화시킬 수 있으며 인간과 동물 사이의 직접적 또는 간접적 접촉을 통해 병원체가 전달될 수 있으며, 예를 들어 조류독감의 경우 조류 분변이나 비말을 통해 인간에게 전파될 수 있습니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 세포 관찰 시에 포르말린이 세포를 고정하는 원리는?
네, 질문해주신 것처럼 세포를 관찰할 때에는 포르말린을 처리하여 세포를 고정합니다. 포르말린의 주성분인 포름알데히드는 작은 알데히드 분자로, 세포 내 단백질의 아미노기(-NH₂)와 반응하여 공유 결합을 형성하는데요, 이러한 결합은 단백질들을 서로 연결하여 3차원 구조를 안정화시키고, 리소좀에서 나오는 가수분해효소가 세포 구조를 파괴하는 것을 억제합니다. 또한 단백질들이 그물망처럼 서로 교차 결합되면서 세포 전체의 형태와 내부 구조가 실제 살아있는 상태와 유사하게 보존되기 때문에, 결과적으로 세포는 고정되어 현미경 관찰이 가능하며 장기간 보존할 수 있는 것입니다. 감사합니다.
생물·생명
Q. 광합성을 수행할 때 적색저하 효과가 나타나는 이유는 무엇인가요?
적색저하란 광합성 효율이 680~700 nm 이상의 장파장 빛 영역에서 급격히 감소하는 현상을 말하는 것인데요, 이때 빛의 파장이 길어질수록 광합성 속도가 떨어지고, 특정 파장 이후에는 거의 광합성이 일어나지 않습니다. 광합성은 빛에너지를 전자 에너지로 전환하여 ATP와 NADPH를 생성하는 과정인데요, 광계 반응 중심의 엽록소(P680, P700)는 빛 에너지가 특정 최소값 이상일 때만 전자를 여기시켜 전자 전달을 시작할 수 있습니다. 즉 이때 파장이 700 nm를 넘어가는 장파장 빛은 전자를 여기시키기에 충분한 에너지를 제공하지 못하기 때문에 전자 전달 효율이 감소하게 됩니다. 광계 II(P680)와 광계 I(P700)의 반응 중심은 각각 680 nm, 700 nm 파장에 최적화되어있는데요, 700 nm 이상의 빛은 P700의 전자 여기에도 충분하지 않기 때문에 전자 전달이 지연되고, ATP와 NADPH 생성 효율이 낮아지며 결과적으로 광합성 속도가 급격히 떨어지면서 적색저하 현상이 나타나는 것입니다. 감사합니다.
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Q. 광계1과 광계2가 흡수할 수 있는 파장에 차이가 나는 이유는?
질문하신 광계 I와 광계 II가 서로 다른 파장의 빛을 흡수하는 이유는 주로 반응 중심에 있는 엽록소 분자의 구조와 전자 배치 차이로 설명할 수 있습니다. 식물 엽록체의 틸라코이드 막에는 광계 I(PS I)와 광계 II(PS II)가 존재하는데요 이때 각 광계는 빛을 흡수하여 전자를 여기시키는 역할을 하며, 반응 중심에 특정 핵심 엽록소 a가 존재합니다. 이때 P680과 P700은 모두 엽록소 a 분자지만, 주변 단백질과 결합 환경이 달라 전자 분포와 에너지 준위가 달라지는데요, 광계 II(P680)는 상대적으로 높은 에너지를 가진 빛(짧은 파장, 680 nm)을 흡수하도록 구조가 조정되며, 반면에 광계 I(P700)는 낮은 에너지를 가진 빛(긴 파장, 700 nm)을 흡수하도록 구조가 조정됩니다. 또한 반응 중심 엽록소는 주변 단백질과 결합하며, 정전기적 상호작용과 수소 결합으로 인해 전자의 에너지 준위가 미세하게 조절되는데요, 이 때문에 동일한 엽록소라도 P680과 P700의 흡수 최대 파장이 다르게 나타납니다. 감사합니다.
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Q. 엽록체가 미토콘드리아보다 독립성이 떨어지는 이유는?
엽록체와 미토콘드리아는 둘 다 세포 내 공생 이론으로 설명되는 소기관으로, 각각 원래는 독립적인 세균이었지만 진핵세포 안으로 들어와 공생하게 된 것으로 알려져 있습니다. 우선 미토콘드리아의 경우 인간의 경우 약 37개의 유전자를 가지고 있으며, 주요 기능인 전자전달계 관련 단백질을 스스로 일부 합성 가능하며 나머지 단백질과 효소는 핵 유래 단백질과 협력하지만, 핵 의존도가 상대적으로 낮습니다. 반면에 식물 엽록체의 경우 약 100~120개의 유전자를 가지고 있습니다. 하지만 광계 I, II, ATP 합성효소 등의 광합성 복합체 구성 단백질의 대부분은 핵 유래 단백질에 의존하며 엽록체 자체로는 전체 광합성 장치를 완전히 구성할 수 없으며, 핵에서 합성된 단백질을 수송받아야만 기능을 할 수 있습니다. 감사합니다.
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Q. 식물은 언제 당을 설탕으로 저장하고 녹말로 저장하나요?
광합성을 통해 엽록체에서 생성되는 당은 포도당과 과당이며, 식물은 이를 결합하여 설탕으로 전환하는데요, 설탕은 가용성이어서 체관을 통해 식물의 다른 조직으로 쉽게 운반될 수 있습니다. 반면에 녹말은 불용성 다당류로, 주로 저장용으로 사용됩니다. 우선 설탕은 식물체 내에서 즉시 에너지 요구가 있는 곳으로 당을 운반할 때 사용하는데요, 예를 들자면 뿌리, 새싹, 꽃, 열매 등 성장 조직이 있습니다. 다음으로 즉시 사용하지 않을 에너지는 녹말로 전환하여 저장하며, 주로 엽록체나 뿌리, 덩이줄기, 씨앗과 같은 저장기관에 축적됩니다. 감사합니다.
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Q. 히스티딘은 어릴 때만 필수 아미노산에 해당하는 이유가 무엇인가요?
질문해주신 필수 아미노산은 체내에서 충분히 합성되지 않아 반드시 음식으로 섭취해야 하는 아미노산을 의미하는데요, 히스티딘은 어른과 어린이를 구분하여 조건부 필수 아미노산으로 분류되기도 합니다.어린 시절은 빠른 성장과 조직 발달이 일어나는 시기인데요, 어린이는 근육, 장기, 혈액, 효소 등 다양한 조직을 빠르게 합성하며 히스티딘은 특히 헤모글로빈, 히스타민, 효소 단백질 등 중요한 기능성 단백질의 전구체로 필요합니다. 이때 성인에서는 히스티딘을 다른 아미노산이나 5-아미노이미다졸 유도체를 통해 충분히 합성할 수 있지만 어린이는 이러한 합성 경로가 미성숙하여 충분히 작동하지 못하기 때문에 외부에서 섭취하지 않으면 부족해질 수 있습니다. 따라서 어린이의 경우에는 체내 합성 능력이 제한적이기 때문에 히스티딘은 필수 아미노산에 해당하는 것입니다. 감사합니다.
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Q. 호주 또는 아프리카의 곤충들을 보면 엄청난 크기 떄문에 놀라곤 합니다.
곤충은 변온동물이기 때문에 체온이 주변 환경에 크게 좌우되는데요, 추운 지역에서는 대사 속도가 느려져 성장 속도도 제한되지만, 열대 지방은 연중 따뜻한 기후 덕분에 곤충이 먹이를 꾸준히 먹고 더 오래 성장할 수 있으며 이런 환경은 곤충이 더 크게 자랄 수 있게 해줍니다. 열대우림이나 사바나 지역은 식물 다양성이 높고 먹이도 풍부한데요, 잎, 꽃가루, 과즙, 다른 곤충 등 영양원이 많기 때문에 큰 체구를 유지하는 데 필요한 에너지를 공급받을 수 있습니다. 반대로 척박하거나 계절적 제한이 큰 지역에서는 작은 체구가 더 유리합니다.즉, 호주나 아프리카 곤충의 큰 체구는 따뜻한 기후로 인해 긴 성장 기간을 가지게 되면서 활발한 대사와 풍부한 영양 공급, 생태적 선택압이 결합된 결과이며, 단순히 온도 때문만은 아니고, 먹이와 생태 환경이 함께 작용한 현상입니다. 감사합니다.
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Q. 성충인 장수풍뎅이 수컷은 얼마나 사나요?
장수풍뎅이의 수명은 애벌레 시기와 성충 시기를 나누어 생각해야 하는데요, 애벌레 시기는 보통 1년에서 길게는 2~3년까지 흙 속에서 자라며, 이 시기에 대부분의 시간을 보냅니다. 반면 성충으로 우화한 이후에는 수명이 매우 짧습니다.특히 성충인 장수풍뎅이 수컷은 평균적으로 약 1~3개월 정도밖에 살지 못하는데요, 자연 상태에서는 짝짓기와 먹이 활동에 에너지를 집중하기 때문에 빠르게 소모되어 수명이 더 짧아질 수 있습니다. 사육 환경에서 수액이나 젤리 같은 먹이를 꾸준히 주고, 온도와 습도를 잘 유지하면 길게는 4개월 정도까지 사는 경우도 보고된 바 있습니다. 즉, 지금 뒷산에서 발견한 개체가 이미 성충이라면 여름철 동안은 키워볼 수 있지만, 가을이 되기 전에는 대부분 자연스럽게 수명을 다하게 된다고 보시면 됩니다. 감사합니다.
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Q. 극지방 빙하에서 발견된 균들이 사람에게 감염을 일으킬 가능성?
네, 질문해주신 것처럼 극지방의 빙하와 영구동토층에는 수천~수만 년 동안 잠들어 있던 세균, 바이러스, 곰팡이 등이 포함되어 있을 수 있으며, 실제로 연구자들이 시추 과정에서 다양한 미생물을 분리·배양한 사례가 보고된 바 있습니다. 하지만 대부분의 고대 미생물은 당시 환경에 적응해 진화했기 때문에, 현대의 인체 환경에서 바로 증식하거나 감염성을 갖기는 어려운데요 특히 수천 년 동안 인간과 접촉하지 않았기에 인체 숙주에 맞춘 특화 능력이 떨어집니다. 하지만 일부 병원성 세균이나 바이러스가 여전히 생존력을 갖고 있다면, 인체에 새로운 감염원을 제공할 가능성은 배제할 수 없습니다. 실제로 시베리아의 탄저균 포자가 녹은 동토에서 살아남아 순록을 감염시키고, 사람에게도 피해를 준 사례가 보고된 바 있습니다. 만일 감염이 현실화될 경우에는 새로운 미생물이 인체에 감염성을 보일 경우, 기존 감염병과 마찬가지로 그 병원체의 항원 구조를 분석하고, 면역 반응을 유도할 백신을 설계할 수 있을 것입니다. 하지만 문제는 시간과 대응 속도인데요, 신종 감염병의 경우 병원체 분리, 유전체 해독, 백신 플랫폼 적용에 시간이 필요할 수 있습니다. 감사합니다.