생명의 화학적 이해

생물의 기능은 화학적 원소에서 시작된다

생물학자 토마스 아이즈너는 생물의 기능이 화화적 원소에서 시작된다고 설명한다.
다른 생태학자들과 마찬가지로 아이즈너 박사는 자연환경에서 생물들 간의 상호작용을 관찰하면서 환원적 접근 방법을 사용하여 생물을 구성하고 있는 일부 호은 단 한 종류의 부자까지 연구함으로써 생물학 연구를 시작한다. 유전에 대해 우리가 알고 있는 대부분은 DNA 분자연구에서 시작되었다.

 

 

분자와 생태계는 생물구조의 구성 체계에서 양극에 위치한다.
환원주의자들은 생물 구성 체계의 제일 밑에 위치한 분자에서 시작한다 이에 반해 전체론자는 구성 체계의 윗부분인 생물기관에서부터 시작한다. 그러나 이 두 가지를 모두 인정하고 있는 생물학자들은 다음의 원리를 인식하고 있다. 
즉 구성체계의 간 단계는 바로 밑에 위치한, 좀 더 단순한, 낮은 단계의 단위들이 복합되어 이루어지며 각 단계마다 개체의 단일 단위에서 나타나지 않았던 특성이 한 단계 높은 구성 단계에서 나타난다는 사실이다.

한 단계 낮은 단계에서 나타나지 않았던 특이 성질이 한 단계 높은 단계에서 나타나는 것과 구조와 기능과의 관계에 대한 사례연구를 단백질 분자인 액틴의 예를 들어, 분자 단위에서 나방이 나는 데 필요한 기관인 날개근육 단계까지 궁성 체계를 올라가며 살펴보자
액틴은 나방의 날개를 움직이는 근육수축작용에 결정적인 역할을 하는 단백질 분자이다 작은 공은 원자를 말하고 이작은 조각들이 모여 분자를 만들게 된다
액틴분자는 원자들이 특정하게 배열하여 선과 같은 구조를 이루며 적절한 기능을 하게 된다. 근 수축작용에서 액틴섬유는 서로 미끄러져 겹치면서 근육을 수축시킨다.
그러나 액틴분자를 분리하여 모아놓으면 아무 일도 하지 못한다 액틴의 운동은 우선 다른 단백질인 미오신과 함꼐 일정한 방법으로 가느다란 근원섬유를 만들고 이 근원섬유 안에서 미오신 섬유가 액틴 분자를 밀면서 서로 겹치게 된다
근원섬유는 하나의 소기관이며 세포내에서 일정한 기능을 담당하고 있는 구조에 대해 일컫는 일반 용어이다 근원섬유는 세포 내에 존재하는 대부분의 더 큰 단위인 근육세포이다 세로줄은 근원섬유 단백질인 액틴과 미오신이 규칙적으로 배열되었을때 셍기는 것이다
여기에서 보면 근육수축작용은 세포 수준에서 일어남을 알수 있다
왜냐하면 근육이 수축하기 위해서는 다른 소기관과의 협동이 필요하기 때문이다.
근육조직에서는 많은 근육세포가 함께 일을 한다.  이제 비행 근육기관 수준에서 생각해 볼 차례이다. 날개의 근육은 몇 가지 서로 다른 조질이 모여 이루어 진다. 예를 들어 신경세포는 근육세포가 수축하도록 신호를 보내는 역할을 하면 날개의 근육은 수축과 이완작용을 번갈아 하면서 날개를 움직이며 날개는 나방의 다른 부위와 함께 작용하여 날 수 있게 된다. 이러한 예는 나방과 상호관계를 맺고 있는 나무와 거미가 구성하고 있는 생태계 수준까지 확장해서 생각할 수 있다
이제 생물의 가장 기본인 기초 화학에서 시작해서 생물의 구조에 이르기까지 가장 기본적인 단계를 좀 더 가까이에서 살펴보기로 하자. 환원적 접근 방법으 추구할 때는 가장 기초적인 화학원소의 배열에서부터 점점 더 높은 단계로 생물체가 구성되면 생물의 낮은 단계에서 나타나지 않았던 새로운 고유 특성이 나타난다는 것을 기억해 두어야한다. 

 

생명체에는 약 25종의 화학원소가 필요하다

 

생명체는 공간을 차지하면서 질량을 갖는 물질로 이루어져 있으며 이러한 물질은 화학원소로 구성되어 있다. 

원소는 통상적인 화학적 방법으로 더 이상 쪼갤 수 없는 단위이며 생명체에는 약 25종의 화학원소가 필요하다.
현재까지 자연계에는 금, 구리, 탄소, 산소를 포함해서 92가지의 원소가 밝혀졌다. 자연계에 있는 92종의 원소 중 약 25종은 생명체에 필수적이다. 이들 중 산소, 탄소, 수소, 질소 등 4종이 사람 몸의 약 96%를 차지하고, 칼슘, 인, 칼륨, 황과 몇몇 다른 원소들이 나머지 4%를 구성한다. 미량원소는 아주 작은 양이기는 하지만 적어도 몇몇 생명체에서는 필수적이다. 철과 같은 원소는 모든 생물에서 극히 미량이 요구되며 어떤 미량원소는 일부 종류에서만 요구된다.
예를 들면 요오드의 경우 사람에게 1일 평균 약 0.15mg이 필요하지만부족하면 갑상샘의 기능이 방해를 받아 갑상샘종이 되어 갑상샘이 비정상적으로 커진다 대부분의 나라에서는 소금에 요오드를 첨가하여 사용함으로써 갑상샘종 발생률을 줄이고 있다
요오드 소금을 만드는 데는 아주 적은 비용이 드는데 불행히도 개발도상국에서는 이 정도의 적은 비용조차도 충당하지 못하는 경우가 있다. 또한 요오드를 과잉 섭취하는 것도 갑상샘종의 원인이 된다.

 

 

원소가 모여 화합물을 만든다

 

각각의 원소가 모여 화합물을 만드는데, 액틴은 둘 또는 그 이상의 원소가 일정한 비율로 이루어진 화합물이다. 자연계에는 순수한 원소보다 화합물이 훨씬 많으며 단지 두개의 원소로 구성되어 있는 경우도 많다.
예를 들면 소금은 나트륨과 염소가 같은 비율로 구성되어 있다. 반면에 생명체에 있는 대부분의 화합물은 적어도 셋 또는 네 가지의 서로 다른 원소로 구성되어 있다. 이들은 주로 탄소, 수소, 산소, 질소 등이다. 단백질의 경우도 액틴처럼 주로 이들 네 가지의 원소로 구성되어 있지만, 이들 원자의 다양한 배열로 인해 각 화합물의 특성이 결정된다.