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생물·생명
Q. 유투브를 보다가 고릴라가 동물원에서 짝짓기하는데
인간과 유전적으로 가장 가까운 동물은 침팬지입니다.연구 결과에 따라 다르기는 하지만, 인간과 침팬지는 유전적으로 약 98.8%의 DNA가 같은 것으로 알려져 있습니다. 이는 고릴라의 약 98.4%나 오랑우탄의 약 97%보다 높은 수치입니다. 이처럼 유전자가 매우 유사하다는 것은 인간과 침팬지가 비교적 최근에 공통 조상으로부터 분리되었음을 뜻하는 것이죠.
생물·생명
Q. 물관을 통한 물의 수송에서 응집력과 장력이 작용할 때 수소 결합은 어떤 역할을 하나요?
식물체 내 물의 수송에서 수소 결합은 물 분자 간의 응집력과 물 분자와 물관 벽 사이의 부착력을 형성하는 핵심적인 역할을 합니다.물 분자는 산소 원자가 부분적으로 음전하를, 수소 원자가 부분적으로 양전하를 띠는 극성 분자입니다. 이러한 극성 때문에 한 물 분자의 수소 원자가 다른 물 분자의 산소 원자와 서로 끌어당기는 수소 결합이 형성됩니다. 이 결합 덕분에 물 분자들은 서로 강하게 뭉쳐 끊어지지 않는 물기둥을 형성하게 됩니다.식물 잎의 증산 작용으로 물이 증발하면 물관 내부에 장력이 발생해 아래의 물기둥을 위로 끌어올립니다. 이때, 수소 결합으로 인한 물의 강한 응집력이 물기둥을 끊어지지 않게 유지하며, 부착력이 중력에 저항하여 물기둥을 지탱해 줍니다.따라서 수소 결합은 물이 중력을 거슬러 식물 꼭대기까지 이동하는 응집-장력설의 원리를 가능하게 하는 근본적인 힘이라 할 수 있습니다.
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Q. 식물 뿌리에서부터 물의 흡수 경로는 어떻게 나타나나요?
식물 뿌리의 물 흡수 경로는 물이 이동하는 공간에 따라 세 가지로 나뉩니다.첫번째는 물이 세포 내부로 들어가지 않고 세포벽의 틈을 따라 이동하는 방식입니다. 이 경로는 빠르게 물을 운반하지만, 뿌리 내피의 카스파리 선에 의해 차단되게 됩니다.두번째 물이 세포 내부의 세포질을 통해 이동하는 방식입니다. 인접한 세포들은 원형질 연락사로 연결되어 있어 물이 연속적으로 이동할 수 있습니다.세번째는 물이 세포벽과 세포막을 반복적으로 통과하며 이동하는 방식입니다. 물은 세포막의 아쿠아포린이라는 단백질을 통해 이동하며, 이 경로는 식물이 물 흡수량을 조절하는 데 중요한 역할을 하게 됩니다.
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Q. 식물 세포벽은 원핵생물이나 균류의 세포벽과 어떤 점에서 차이가 있나요?
식물이나 원핵생물, 균류의 세포벽은 각기 다른 주요 성분으로 구성되어 있어 차이가 있습니다.먼저 식물 세포벽의 주성분은 셀룰로스로, 촘촘한 섬유 구조를 이루어 세포의 형태를 지지하고 단단하게 만듭니다.반면 원핵생물(세균) 세포벽은 주로 펩티도글리칸이라는 독특한 당-아미노산 복합체로 이루어져 있어, 삼투압 변화로부터 세포를 보호하는 역할을 합니다.그리고 균류 세포벽은 키틴이라는 단단한 다당류로 구성되어 있으며, 이는 곤충의 외골격과 유사한 물질입니다.
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Q. 세포벽을 구성하는 펙틴과 헤미셀룰로오스는 어떻게 합성하나요?
펙틴과 헤미셀룰로오스는 세포막이 아닌 골지체에서 합성됩니다.골지체 내부의 당류 전이 효소들이 다양한 당 분자들을 결합시켜 펙틴과 헤미셀룰로오스 중합체를 합성합니다. 이렇게 만들어진 다당류는 작은 소포에 담겨 세포막으로 이동합니다. 소포가 세포막과 융합하면서 그 내용물인 펙틴과 헤미셀룰로오스가 세포 외부로 분비되어 세포벽에 통합되는 것입니다.따라서 펙틴과 헤미셀룰로오스는 세포막에서 직접 만들어지는 셀룰로오스와는 다른 경로를 통해 세포벽으로 보내지는 것이죠.
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Q. 식물의 1차세포벽과 2차 세포벽은 구조적으로 어떤 차이가 있나요?
먼저 세포가 처음 분열하고 생장할 때 형성되는 것이 1차 세포벽이며, 세포의 생장이 멈춘 후 특정 세포에만 형성되는 것이 2차 세포벽입니다.구조적으로 본다면 1차 세포벽은 모든 식물 세포에 존재하며, 유연하고 신축성이 있는 얇은 층입니다. 주성분은 셀룰로스 미세섬유와 펙틴으로 이루어져 있는데, 셀룰로스 미세섬유들이 불규칙하게 배열되어 있어 세포의 생장과 신장이 가능합니다.반면 2차 세포벽은 주로 목질화된 조직의 세포에서 1차 세포벽 안쪽에 형성됩니다. 1차 세포벽보다 훨씬 두껍고 단단하며, 리그닌이라는 물질이 풍부하게 함유되어 있습니다. 리그닌은 세포벽을 경화시켜 강성을 높이고 방수 기능을 가지게 하며, 셀룰로스 미세섬유는 규칙적인 층을 이루어 배열되어 있어 강한 지지력을 가집니다.기능적으로는 1차 세포벽은 주로 세포의 생장과 형태 유지를 담당합니다. 유연성이 있어 세포가 팽창하면서 크기를 키울 수 있도록 하고 또한, 세포 간 물질 교환이 이루어지는 통로인 원형질연락사가 존재하여 세포 간 소통을 가능하게 합니다.반면 2차 세포벽은 주로 식물체에 기계적 강성과 지지력을 가지게 합니다. 리그닌의 함량 덕분에 물관 세포처럼 단단하고 뻣뻣한 구조를 형성하여 물의 수송을 돕고, 외부 압력에 견딜 수 있게 하는 것이죠. 그 덕분에 식물은 나무와 같은 거대한 크기로 자랄 수 있게 됩니다.
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Q. 뿌리털이 토양으로부터 무기 이온을 흡수할 때 수동수송과 능동수송은 각각 어떻게 일어나나요?
수동 수송과 능동 수송, 이 둘의 가장 큰 차이점은 에너지를 사용하는지 여부와 물질의 농도 기울기에 따라 이동하는 방식입니다.수동 수송은 에너지를 소모하지 않고 물질이 고농도에서 저농도로 자연스럽게 이동하는 현상입니다. 비유하자면 강물이 위에서 아래로 흐르는 것과 같은 것입니다. 뿌리털의 무기 이온 흡수 과정에서 수동 수송은 주로 확산을 통해 일어납니다.반면 능동 수송은 에너지를 소모하여 물질이 저농도에서 고농도로 이동하는 현상입니다. 비유하자면 마치 강물을 거슬러 올라가는 것과 같아서 에너지가 필요합니다. 식물은 세포 호흡을 통해 얻은 ATP 에너지를 사용하여 능동 수송에 사용합니다.
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Q. 토양의 염류 농도가 높을 경우 식물의 무기이온 수송과 수분 흡수에 어떠한 문제가 생길 수 있나요?
결론부터 말씀드리면 토양의 염류 농도가 높으면 식물은 삼투 현상 때문에 물을 제대로 흡수하지 못합니다.뿌리 주변의 염류 농도가 높아지면 토양 용액의 삼투압이 뿌리세포보다 높아져, 뿌리 안의 물이 오히려 토양으로 빠져나가게 됩니다. 그래서 식물은 주변에 물이 많아도 마치 가뭄 상태인 것처럼 생리적 가뭄 상태에 빠져 시들고 고사할 수 있습니다.또한, 과도하게 쌓인 염류는 식물체 내에 흡수되어 독성을 일으킵니다. 이러한 이온들은 식물 성장에 필수적인 칼륨이나 칼슘 같은 다른 무기이온들의 흡수를 방해하여 양분 불균형을 초래하여 식물의 무기이온 수송 체계가 교란되어 생장이 늦어지거나, 잎이 마르거고 황화되는 등의 현상이 발생합니다.
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Q. 체관과 물관 세포가 서로 맞닿아 있는 것은 동화산물을 수송할 때 어떠한 장점이 있나요?
효율적인 수송이 가능합니다.잎에서 만들어진 당이 체관으로 이동하면, 체관 내부의 삼투압이 높아집니다. 이때, 바로 옆에 있는 물관으로부터 물이 체관으로 들어와 팽압이 증가합니다. 이 압력은 마치 수도관의 수압처럼 작용하여, 체관 내의 당 용액을 뿌리나 열매와 같은 저장 기관으로 밀어내게 됩니다.그리고 당이 사용되거나 저장된 후에는 체관의 삼투압이 낮아지고, 물은 다시 물관으로 돌아갑니다. 이런 과정이 계속 발생하며 당을 운반하기 때문에, 식물은 에너지를 크게 들이지 않고도 필요한 곳으로 양분을 공급할 수 있게 되는 것이죠.결과적으로, 체관과 물관이 맞닿아 있는 것은 압력 차이를 이용한 능동적인 흐름을 통해 양분 수송의 효율을 극대화하는 장점이 되는 것입니다.
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Q. 진핵생물에서 조직 특이적 유전자 발현이 나타날 수 있는 원리는 무엇인가요?
나름의 유전자 발현조절이 가능하기 때문입니다.그 중에서도 가장 중요한 조절 단계는 전사 조절입니다.특정 세포에만 존재하는 전사인자라는 단백질이 특정 유전자 근처의 DNA에 결합하여 해당 유전자의 전사를 촉진하거나 억제합니다. 예를 들어, 췌장 세포의 전사인자는 인슐린 유전자의 전사를 활성화하여 인슐린을 생산하게 하지만, 간 세포의 전사인자는 이 유전자를 활성화시키지 않는 것이죠.또한, 후생 유전학적 조절도 중요한 역할을 합니다. DNA 메틸화나 히스톤 변형과 같은 과정을 통해 유전자의 접근성이 조절되어, 특정 유전자가 영구적으로 비활성화되거나 활성화될 수도 있습니다.이러한 조절 시스템이 동일한 유전자 정보를 바탕으로 다양한 조직과 기관의 특이적인 기능을 가능하게 하는 것이죠.