미생물의 세계

미생물의 세계 미생물의 세계

한약효능 / 미생물학연구실

도 은 수 교수

Chapter 1

미생물이란 무엇인가 ?

Chapter 1

미생물이란 무엇인가 ?

미생물의 세계로 들어서며 미생물의 세계로 들어서며

□ 인간이란 ?

○ 무한한 상상력을 가진 존재

□ 인간 상상력의 표현 방법

○ 공상과학소설이나 영화 형태

ο 소설 『쥐라기 공원』 , 영화 < 매트릭스 >

○ 수억 광년 밖의 우주 , 깊은 바다 속 상상 ○ 눈에 보이지 않는 세계

ο 너무 작아서 보이지 않는 미생물이 지배하고 있는 세계

미생물의 세계로 들어서며 미생물의 세계로 들어서며

□ 미생물에 대한 일반적 생각

○ 단지 더러운 행주에 붙어 있는 bacteria ○ 습기 찬 벽지 위에 자란 검은 곰팡이

⇒ 큰 세계를 간과하는 것

○ 입 속의 혀를 전자현미경으로 1 만배 확대한 모습 ο 다양한 모양의 미생물이 혀 표면에 엉겨 있음 ο 우리 눈에 보이지 않으니 다행

□ 미생물들이 인간에게 미치는 영향

○ 대부분의 미생물들은 대부분 우리에게 전혀 해를 주지 않음 ○ 오히려 건강에 이로운 역할을 하기도 함

○ 미생물이나 세균은 해롭다고 무조건 몸 밖으로 밀어내려고 하지 말라

미생물의 세계로 들어서며 미생물의 세계로 들어서며

□ 지금도 우리 몸 안에 수억 마리의 미생물이 생기고 없어짐

□ 건강한 사람과 함께 살고 있는 미생물의 수

○ 너무 작아서 안보일 뿐 , 지구 전체 인구보다 많음

○ 우리 몸 안팎에 붙어사는 미생물 수는 무수히 많고 , 종류도 다양

한 숟가락 흙 속에

정 현 종

미생물이 1 억 5 천만 마리래 ! 왜 아니겠는가 , 흙 한 술 , 삼천대천세계 가 거기인 것을 ! 알겠네 내가 더러 개미도 밟으며 흙 길을 갈 때 발바닥에

기막히게 오는 그 탄력이 실은 수십억 마리 미생물이 밀어 올리는 바로 그 힘이었다는 걸 !

미생물의 세계로 들어서며 미생물의 세계로 들어서며

□ 지구에 살고 있는 미생물의 수 ○ 상상을 초월할 만큼 많음

○ 육안으로도 보이지 않으며 그 수는 천문학적임 ○ 미생물의 수를 정확히 파악하려는 자체가 무리 ο 빠르게는 20 분마다 생식

○ 현재 미생물학자들이 추정하는 지구 내 미생물의 수

ο 50,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 마리

□ 모든 미생물의 무게

○ 5 만조 ton - 지구상의 모든 생물체 무게의 60% 에 해당

○ 무게로 보면 지구의 주인은 미생물임 ○ 숫자만 많다고 무조건 중요한 건 아님

미생물의 세계로 들어서며 미생물의 세계로 들어서며

□ 미생물이 인간 , 지구 전체 생태계에 미치는 중요한 역할 ○ 미생물이 멸종하면 식물과 동물은 같이 멸종

○ 반대로 식물과 동물이 사라져도 많은 수의 미생물은 생존 ○ 식물과 동물은 미생물 조상으로부터 진화한 생물

○ 동식물의 멸종은 단지 수십억 년 전의 과거로 돌아가는 것일 뿐

□ 미생물이 지구에서 사라질 경우 생기는 문제점 ○ 지구 생태계에서 광합성이 중요

○ 광합성은 생물이 햇빛에너지를 받아서 스스로 물질을 생산하는 것

○ 광합성을 하는 생물은 식물뿐만이 아님

○ 지구에서 일어나는 광합성의 절반 이상을 미생물이 담당 ○ 미생물은 우리에게 공기와 같은 존재

ο 미생물이 없어지면 인간의 존재도 위협을 받음

미생물의 세계로 들어서며 미생물의 세계로 들어서며

□ 미생물 (Microorganism)

○ 크기도 아주 작을 뿐만 아니라 육안으로는 볼 수 없는 작은 생물 ○ 미생물 세계의 이해

ο Think small, 즉 작게 생각 하여야 함

ο 가장 중요한 건 스스로 마음껏 상상하여야 함 ο 그래야 제대로 미생물의 세계를 이해할 수 있음

생물과 분자생물학 생물과 분자생물학

□ 현대 생물학의 주류는 분자생물학

○ 절대 유물론적인 관점에서 본 생물학

○ 생체 내에서 일어나는 모든 현상은 물질 또는 분자의 상호작용에

의해

일어난다고 해석

□ 생물의 본질

○ 생물이란 무엇인가 ?

○ 생물을 객관적으로 어떻게 정의할 수 있을까 ? ○ 책은 왜 생물이 아니고 , 우리는 왜 생물인가 ?

생물과 분자생물학 생물과 분자생물학

□ “ 생각할 수 있는 것이 생물이다 ? ”

○ 꼭 틀리는 것은 아니지만 과학적인 답변은 아님 ○ 먼저 생각한다 의 정의가 무엇인가 ? ‘ ’

□ 영국의 동물학자 제인 구달 (Jane Goodall, 1934~ ) 박사 ○ 지난 수십 년간 아프리카에서 자연 상태의 침팬지를 연구 ○ 연구 결과

ο 침팬지나 다른 영장류는 모두 분명히 생각 을 한다 . ‘ ’

ο 음향으로 서로의 의사를 전달하는 돌고래도 생각 을 한다 . ‘ ’

□ 청국장에 들어 있는 bacteria 의 일종인 고초균은 과연 생각 을 하는가 ‘ ’

?

□ 느타리버섯은 프라이팬 위에서 볶아지면서 , ‘ 생각 을 하는가 ? ’

□ 일반적으로 미생물이 생각을 한다 고 느끼는 사람은 거의 없을 것 ‘ ’

생물과 분자생물학 (Molecular biology) 생물과 분자생물학 (Molecular biology)

□ 생물에 대한 관념적 정의

○ 생물은 생각을 한다 또는 영혼이나 의식이 있다 ‘ ’ ‘ ’

□ 생물에 대한 유물론적 정의

○ 생체 내에서 일어나는 모든 현상은 물질 또는 분자의 상호작용에 의 함

○ 유물론적인 정의를 만족시키기 위한 두 가지 조건 ο 첫째 , 유전을 할 수 있어야 한다 .

즉 , 자신과 같은 , 또는 최소한 비슷한 유전자를 가진 자식을 낳아야 함

ο 둘째 , 외부로부터 에너지를 얻어서 살아가야 한다 .

- 인간은 동물 , 식물 , 미생물로 만들어진 음식으로부터

- 미생물인 고초균 (Bacillus subtilis) 은 청국장의 콩으로부터 - 느타리버섯 (Pleurotus ostreatus) 은 죽은 나무로부터

- 나무나 풀과 같은 식물은 태양으로부터

DNA 는 지구 생명의 유전물질 DNA 는 지구 생명의 유전물질

□ 생물학에 있어서 2003 년의 의미

○ 생물학에 있어서 큰 경사가 있던 해 ○ DNA 를 발견한 지 50 년이 된 해

DNA : 1953 년 영국인 크릭 (Francis H. C. Crick, 1916 ~ 2004) 과

미국인 왓슨 (James D. Watson, 1928~ ) 이 발견 ] ○ 10 년 이상 연구한 인간 유전체 프로젝트의 최종본이 완성된 해

□ 유전체 (genome)

○ 생물체의 모든 정보를 담고 있는 청사진 ‘ ’ ○ 인간의 유전체

ο 약 31 억 2 천만 개의 염기 쌍으로 된 DNA 로 구성

ο 2003 년 노벨상 수상자이자 DNA 의 발견자인 Watson 박사 에 의해 발표

영국인 Francis H. C. Crick(1916

~ 2004)

과 미국인 James D.

Watson( 1928~ )

DNA 는 지구 생명의 유전물질

DNA 는 지구 생명의 유전물질

DNA 는 지구 생명의 유전물질 DNA 는 지구 생명의 유전물질

□ DNA(Deoxyribose Nucleic Acid)

○ 단위물질이 연결돼서 만들어진 고분자 물질 ○ 염주와 같은 형태

○ 염주 알로 쓰이는 단위물질은 A, G, C, T 등의 4 개의 염기 ○ 궁극적으로 이 4 가지 염기의 조합으로 모든 생명체가 표현

○ DNA 는 A, G, C, T 등 4 개의 알파벳으로 이루어진 일종의 언어

□ 만약 4 개 이외의 염기로 구성된 DNA 발견 ○ 아마도 외계 생물체일 가능성

○ TV 시리즈 < 엑스 파일 >

ο 스컬리 요원을 감염시킨 외계 virus 의 DNA 가 기존의 4 개의 염기

이외에 새로운 제 5 의 염기로 되어 있다고 묘사

□ 미생물부터 사람에 이르기까지 지구의 모든 생물체 ○ 4 개의 염기로 구성된 DNA 를 유전물질로 사용 ‘○ 지구 생명의 기원은 하나 라는 가설에 큰 증거’

단백질은 일하는 분자 단백질은 일하는 분자

□ DNA 는 4 개의 알파벳으로 구성된 언어

○ 그 언어가 바로 모든 생명의 청사진

□ DNA 분자는 반응성이 없어서 생물체 내에서 아무 일을 못함

□ 우리 몸 , 특히 세포 안에서 실제로 일을 하는 물질은 무엇일까 ? ○ 그것은 DNA 보다도 훨씬 먼저 알려진 단백질이라는 물질

□ 간세포 , 근육세포 , 뇌세포 등 인간의 모든 세포

○ 수만 개의 서로 다른 단백질이 협조해서 다양한 생명 현상이 유지 ○ 만약 중요한 단백질이 일을 못하게 되면 암과 같은 질병이 발생

□ DNA 가 4 개의 염기라는 단위물질로 되어 있음

□ 단백질은 20 개의 아미노산이라는 단위물질로 되어 있음 ○ 다시 말해 단백질은 20 개의 알파벳으로 된 언어

단백질은 일하는 분자 단백질은 일하는 분자

□ DNA 가 유전물질

□ 단백질은 이 유전물질을 청사진으로 하여 만들어진 생체 기계

□ 단백질의 생성

○ DNA 로부터 바로 만들어지는 것이 아님 ○ RNA 라는 중간 단계를 거침

○ 생물학자들은 이것을 중심도그마 (central dogma) 라고 함

세포 내에서 일어나는 중심도그마

DNA 는 단백질의 설계도면이며 , 단백질 은 생명유지를 위한 모든 활동을 담당한다 .

유전체 (genome) 와 유전자 (gene) 유전체 (genome) 와 유전자 (gene)

□ 유전체 (genome) 이란 무엇인가 ?

○ 사람의 경우 하나의 세포에 약 60 억 개의 염기로 된 DNA 가 존재 ○ 하나의 세포 내에 있는 DNA 의 총합

□ 사람의 유전체 DNA 상에 약 2 만 5 천 ~5 만개의 유전자가 존재 ○ 술을 분해하는 알코올 탈수소화효소 유전자가 그중의 하나

□ 인간의 모든 생물학적인 활동

○ 각각의 유전자가 만드는 다양한 단백질에 의함

○ 교수가 강의를 하는 것 , 학생들이 강의를 들으면서 필기를 하는 것 등

○ 모두 세포 안의 단백질들이 제대로 기능을 하기 때문에 가능

□ 모든 단백질을 만드는 설계도 또는 청사진 ○ 유전체를 구성하는 DNA 에 나타남

유전체 (genome) 와 유전자 (gene) 유전체 (genome) 와 유전자 (gene)

□ 미생물의 경우 인간보다 간단한 유전체를 가짐

○ 대표적인 bacteria 인 대장균 (Escherichia coli) 의 경우

ο 사람의 1,500 분의 1 인 4 백만 개의 염기로 구성된 유전체를 가짐

ο 유전자의 수도 인간의 10 분의 1 정도인 4 천 개 정도 ο 유전체를 구성하는 DNA 의 90% 이상을 유전자로 사용 - 자기 DNA 의 대부분을 유전자로 사용 - 효율적임 ο 사람은 20% 이내의 DNA 만 유전자로 사용

ο 나머지 80% 의 DNA 는 유전자가 아닌 쓸모 없는 부분으로 ‘ ’ 볼 수 있음

ο 이러한 DNA 를 쓰레기라고도 부름

ο 왜 쓸모 없는 DNA 를 이렇게 많이 가지고 있는가 ? - 현재까지 밝혀지지 않음

유전자는 진화한다 . 유전자는 진화한다 .

□ DNA(Deoxyribose Nucleic Acid)

○ 생명체의 모든 활성을 포함하고 있는 청사진인 동시에 유전물질 ○ 우리가 부모로부터 받는 것

ο 단백질 , 탄수화물 , 지질이 아니라 바로 DNA 임 ○ DNA 가 생명의 설계도 또는 청사진

ο 결국 , 우리는 부모로부터 청사진만 받게 되는 것임

계통수의 일종인 가계도의 예

유전자는 진화한다 . 유전자는 진화한다 .

□ 부모가 자식에게 유전자를 전달하는 방식 ○ DNA 를 반드시 복제해야 함

○ 복사를 할 경우 원본과 조금씩 다르게 복사가 되는 경우가 있음 ○ 만약 돌연변이가 단위 시간에 일정한 확률로 일어난다면

ο 후대 생명체의 유전자를 비교해서 멸종한 조상의 진화 경로 역추 적 가능

○ 과거에 일어났던 진화 또는 계통의 관계 ο 계통수 형태로 재구성

○ 계통수에 대한 이해

ο 사람의 진화와 관련 예

계통수 보는법

원숭이가 우리의 조상인가 ? 원숭이가 우리의 조상인가 ?

□ 인간의 유전체 분석에 이어 최근 침팬지의 유전체가 분석 ○ 인간의 진화에 대해 많은 사람들이 관심을 갖게 됨

○ DNA 정보로만 보면 인간과 침팬지는 99% 이상 같아서 아주 비슷하 기 때문

□ “ 인간의 조상이 원숭이인가 ?”

○ 19 세기에 찰스 다윈 (Charles Robert Darwin, 1809~1882) 이 진 화론을 발표

하면서 받은 질문 ○ 이 질문에 대한 대답

“ 인간의 조상은 원숭이가 아니다” ○ 조금 더 정확한 답

“ 인간과 원숭이는 조상이 같고 , 그 조상은 지금 지구상에 없다”

원숭이가 우리의 조상인가 ? 원숭이가 우리의 조상인가 ?

□ 인간과 비슷한 거대 유인원의 진화적인 관계

○ 지난 수십 년간 다방면으로 연구가 이루어지고 있음

○ 의견 충돌이 많아 생물학 분야에서 가장 논란이 되는 영역

○ 이 논란거리의 해결책 가운데 하나가 바로 유전자의 계통수를 분석하 는 일□ 계통수로 본 유연관계

○ 현존하는 동물 중 인간과 진화적으로 가깝다고 여겨지는 침팬지 , 고 릴라 ,

오랑우탄의 조상 관계 유전자 분석 ο 두 가지의 계통수

계통수의 예

원숭이가 우리의 조상인가 ? 원숭이가 우리의 조상인가 ?

□ 계통수로 본 유연관계 ○ 왼쪽의 계통수 A

ο 인간과 침팬지의 조상이 같고 , 그 조상이 고릴라의 조상과 조상이 같음 ○ 오른쪽의 계통수 B

ο 침팬지와 고릴라의 조상이 같고 , 시간을 더 거슬러 올라가면 이 조상이 인간의 조상과 같아짐

○ 계통수 A 에서 인간과 침팬지가 형제간이면 고릴라는 이들과 사촌간이 됨 계통수 B에서 침팬지와 고릴라가 형제가 되고 인간은 사촌간이 됨

계통수의 예

원숭이가 우리의 조상인가 ? 원숭이가 우리의 조상인가 ?

□ 계통수로 본 유연관계

○ 그 동안 인간은 다른 유인원과는 많이 다르다고 생각

ο 심정적으로 계통수 B 에 나타난 진화 경로가 옳을 것이라고 생각 ○ 많은 유전자 분석에 이어 , 침팬지의 전체 유전체가 분석되는 지금 ο 계통수 A 에 나타난 가설에 더 큰 무게가 실리고 있음

○ 유전체 분석에 따르면 , 침팬지는 고릴라보다 사람에 더 가까움

계통수의 예

DNA 정보로만 비교하면 인간과 침팬지는 99% 이상 같음

작은 것은 모두 미생물인가 ? 작은 것은 모두 미생물인가 ?

□ “ 미생물이란 무엇인가 ?”

○ 미생물은 한자로는 微生物 , 영어로는 micro-organism ○ 풀이하면 모두 작은 생물이란 뜻 ‘ ’

□ 작은 것은 모두 미생물일까 ?

○ 알레르기를 유발하는 진드기 같은 생물 ○ 아주 작아서 육안으로 확인하기 어려움

○ 그러면 진드기도 미생물인가 ? 아니다 . 진드기는 엄연히 동물

적은 것은 모두 미생물인가 ? 적은 것은 모두 미생물인가 ?

□ 미생물의 학문적 정의

○ ‘ 육안으로는 보이지 않고 현미경을 이용해야만 보이는 ,

대개 단세포나 단세포의 간단한 덩어리 형태로 된 생명체 ’ ○ 예외 ] 버섯

ο 버섯은 분류학적으로 미생물의 한 종류인 곰팡이 ο 대부분의 곰팡이는 가느다란 실과 같은 균사를 형성 - 균사는 아주 작아서 육안으로 잘 볼 수 없음

ο 일정한 조건 ( 적당한 온도와 습도 ) 충족

- 균사 중 일부는 서로 뭉쳐서 커다란 덩어리를 형성

- 과실체 또는 자실체 버섯 - – 대개 죽은 나무속에서 나무를 분해 - 눈에 보이지 않는 균사로 생장

- 생식을 위해 자실체를 형성

ο 식용 : 느타리버섯 , 표고버섯 , 양송이버섯 등 ο 약용 : 상황버섯 , 영지버섯

ο 대개 죽은 나무를 먹이로 사용 영지버섯

Ganoderma lucidum

작은 것은 모두 미생물인가 ? 작은 것은 모두 미생물인가 ?

□ 최근에 발견된 초대형 bacteria

○ 보통 bacteria 의 크기는 1~10 ㎛에 불과 ο 육안으로는 보이지 않음

○ 초대형 bacteria 가 발견

ο 1999 년 아프리카의 남미비아 앞바다 ο 눈으로 확인할 수 있을 정도의 크기 ο 독일 연구진

- 100 미터 깊이의 바다 밑에서 발견

- Thiomargarita namibiensis 라는 이름의 bacteria - 크기가 곤충인 초파리의 머리와 비슷

○ 단세포 생물인 bacteria 만 하더라도 크기가 엄청나게 다양

지구상에서 가장 큰 생물은 무엇일까 ? 지구상에서 가장 큰 생물은 무엇일까 ?

대왕고래흰긴수염고래의 일종 지구상에서 가장 큰 동물

몸길이 34 m, 몸무게 약 190 ton

삼나무

가장 큰 몸집을 가진 식물

미국 캘리포니아 세콰이어 국립 공원

나이 약 3 천년 , 키 84m, 지 름 11m,

둘레 31m, 무게 ( 뿌리포함 ) 2 천 ton

꿀버섯 Armillaria ostoyae 스위스 앵가딘 국립공원에서 발견 괴물 버섯 , 나이 약 천년

축구장 크기 약 8 배의 크기

가로 500 m, 세로 800 m, 35 ha 가장 큰 버섯

미국 오리건주 맬휴어 국립삼림지대 면적 890 ha

지구상에서 ,

가장 큰 생물체 : 미생 가장 작은 생물체 : 미생물물

미생물의 정확한 정의 미생물의 정확한 정의

□ 미생물 : ‘ 동물과 식물을 제외한 생물체’ ○ 어떤 생물이 있다면 ,

일단 동물인지 식물인지를 잘 관찰하고 , 이것도 저것도 아닐 경우 ‘ 미생물이다’라고 하는 것

○ 식물과 동물이 아닌 다양한 생물을 모두 모아놓은 잡동사니 같은 집 단

○ 생물과 무생물의 중간적인 성격의 virus 도 미생물에 포함

□ 미생물이라고 부르는 생명체는 매우 다양함

미생물의 정확한 정의 미생물의 정확한 정의

□ 미생물의 다양성

○ 동물과 식물은 모두 호흡을 함 ○ 동식물의 호흡에는 산소가 필요

○ 반면에 미생물의 경우 산소로 호흡하지 않는 것도 많음

ο 이들 미생물은 산소 대신에 철 이온 , 황산 , 질산염 등 다양한 무기물을

이용해서 호흡

○ 우리가 상상도 할 수 없는 방법으로 살아가는 미생물을 얼마든지 많 음

지구의 모든 생물을 한 페이지로 정리하기 지구의 모든 생물을 한 페이지로 정리하기

□ 지구상의 수많은 생물을 하나의 기준으로 정리하려는 노력 ○ 아리스토텔레스 때부터 이어져온 숙제

○ 모양 , 조직 , 형태 등에 따라 생물을 분류 - 한계가 많음 ○ 모양이 비슷한 미생물을 분류하는 데는 더 큰 어려움

□ 미생물 비교를 통한 서로 다른 두 종류의 미생물 ○ 매우 비슷하게 생김

○ 미생물학자들은 동그랗게 생긴 것을 구균이라고 통칭 ○ 구별 안 되는 비슷한 두 종류 미생물의 유전적인 차이는 ? ο 매우 많은 차이가 있음

ο 화학적인 조성도 상당히 다름

ο ‘ 보이는 것이 전부가 아니다’라는 것이 미생물 세계의 법칙

메탄생성 Ar- chae

폐렴구균

지구의 모든 생물을 정리하기 지구의 모든 생물을 정리하기

□ 모양은 비슷하지만 , 유전적으로 완전히 다른 미생물을 구별하기 시작한 시 기

○ 불과 30 년 전

○ 이러한 것을 가능하게 한 것이 바로 DNA 이고 유전자 분석

□ 유전자를 이용하여 생물을 분류하는데 필요한 가정

○ 첫째 , 지구의 모든 생명체가 태초에 하나의 생명체로부터 진화하여 오늘날에 이르렀다는 것

○ 둘째 , 각각의 유전자 또는 DNA 가 시간이 지남에 따라 조금씩 일정 하게

변한다는 것 , 즉 진화한다는 것

지구의 모든 생물을 정리하기 지구의 모든 생물을 정리하기

□ 앞의 2 가지 가정을 충족할 때

○ 현존하는 생물체의 유전자 염기서열을 조사하여 과거의 진화를 역 추 적

○ 생물체 진화의 경로를 계통수 형태로 얻을 수 있음 ○ 지구상의 모든 생명체가 형제 , 사촌 또는 먼 친척 ○ 이런 유전적 관계를 하나의 가계도로 정리할 수 있음

□ 지구상 생명체의 계통수를 그리기 위해 전 세계의 수많은 생물학자들이 생명체의 유전자를 분석

○ 수천 종의 미생물을 분석 , 자료를 모두 database 로 정리 ○ 계통수를 그림으로 표현

○ 지구상의 모든 생명체가 포함 - 서로의 조상 관계가 나타남 ○ 이것을 우리는 생명의 계통수 (phylogeny tree) 라고 함 바로 지구의 모든 생물의 조상 관계를 한 페이지에 정리

지구의 모든 생물을 정리하기 지구의 모든 생물을 정리하기

□ 생명의 계통수에 따른 지구 생물체

○ 뿌리가 되는 원시 조상 생물로부터 크게 3 개 큰 가지로 진화

□ 생물체의 3 가지 큰 group

1. Bacteria group : 대장균 , 유산균과 식중독을 일으키는 이질균 등 2. Archae group

ο 생명의 계통수에서 가운데 위치하는 생물체들 , 비교적 최근에 발견

ο 모양이 bacteria 와 비슷한 단세포 생명체

유전자분석으로 나타난 생명 의 계통수

지구의 모든 생물을 정리하기 지구의 모든 생물을 정리하기

ο Archae의 종류

- 80℃ 이상의 고온에서 사는 초고온성 archae

- 염전과 같이 염분농도가 아주 높은 곳에서 사는 호염성 archae - 메탄을 생성하는 메탄생성 archae

- 대개 자연계의 극한 환경에서 주로 서식 - 사람의 대장 속에도 archae 가 서식

3. 인간을 포함하는 진핵세포군 (Eukaryotes group) ο Bacteria 와 archae 는 세포 안에 핵이 없음 ο 진핵세포군에 속하는 생물체는 핵이 있음

ο 모든 진핵세포는 에너지 생산 소기관인 mitochondria 존재

ο 진핵세포 크기는 bacteria 나 archae 에 비해 수배에서 수십 배 큼 ο 진핵세포군에서 놀라운 점

- 계통수의 오른쪽 끝을 보면 상대적으로 하등하게 여겨지는 곰팡이가 동물 , 식물과 나란히 계통수의 가장 말단에 위치

생물체의 상대적 크기 비교

□ 생물체의 3 가지 큰 group

3. 인간을 포함하는 진핵세포군 (Eukaryotes group) ο 곰팡이 (Fungi)

- 버섯 , penicillin 을 생산하는 푸른곰팡이 , 술 제조 때 쓰이 는 효모 등

ο 계통수에서 동물 , 식물 , 곰팡이를 제외한 모든 진핵세포류는 Protists

- 아메바 , 짚신벌레 , 말라리아 원충 , 점균류 등

- 최근에 문제가 되고 있는 적조를 일으키는 Cochlodinium ○ 생명의 계통수에 널리 퍼져 있는 생물들 중에서 동물과 식물을 제 외한

모든 생물체가 현재의 기준으로 미생물 ○ 미생물은 잡동사니의 집합 ‘ ’

지구의 모든 생물을 정리하기 지구의 모든 생물을 정리하기

Protists : 1 개의 핵을 가진 단세포생물 , 가장 원시적인 생물

Cochlodinium : 일명 바다의 식충식물 , 식물성플랑크톤 , 우리나라 적조의 주범

지구의 모든 생물을 정리하기 지구의 모든 생물을 정리하기

□ 생물체의 계통수

○ 생물체 사이의 가지의 길이가 유전적인 차이를 나타냄

○ 미생물 사이의 유전적인 변이가 동물이나 식물에 비해 매우 크고 , 다양

○ 유전적 다양성이 존재

ο 동식물이 살수 없는 극한 환경에서도 미생물은 살 수 있음

ο 자연계의 물질 순환에 있어서 동식물이 할 수 없는 절대적인 역 할을

미생물이 할 수 있음

미생물 관찰하기 미생물 관찰하기

폐렴구균위 : 광학현미경 (1,000 배 )아 래 : 전 자 현 미 경 (26,000배 )

미생물은 지구 역사의 산 증인 미생물은 지구 역사의 산 증인

□ 약 46 억 년 전 태어난 태초의 지구 상태

○ 아주 뜨거웠고 , 당시의 대기는 지금과는 많이 달랐음

○ 공기 중에 20% 가까이 존재하는 산소가 당시에는 전혀 없었음 ○ 산소가 없으므로 오존층도 없음

ο 강력한 자외선을 태양으로부터 직접 받았을 것

- 유전물질인 DNA 에 손상 , 생명체에게는 치명적 , 피부암도 발생

○ 온도가 매우 높아 모든 물은 수증기의 형태로 존재

○ 액체 형태의 물의 존재는 생명 유지의 가장 큰 전제 조건 ○ 초기의 지구 조건은 분명 생명체가 존재하는 데는 부적합 ○ 시간이 지나고 지구가 식으면서 액체 형태의 물이 존재

○ 증거 : 그린란드남서부에서 발견된 약 38 억 전에 형성된 퇴적암 ο 침전물이 굳은 퇴적암이 있었다 - 물이 액체 상태로 존재했음을 의미

ο 너무 오래 전에 일어난 일이라서 최초의 생명체 연구에 대한 확고 한

과학적인 증거는 거의 없는 상태

미생물은 지구 역사의 산 증인 미생물은 지구 역사의 산 증인

□ 어떻게 최초의 생명체가 발생하였을까 ?

○ 현재로서는 알 수가 없지만 , 그것이 미생물 중에서도 bacteria 나 ar- chae 와

비슷한 형태였다는 점만은 분명 ○ 최초 생명체의 증거

ο Bacteria 모양의 화석에서 찾아볼 수 있기 때문 ○ 지금까지 발견된 가장 오래된 생명체의 화석

ο 호주 서부에서 발견된 stromatolite ο 긴 줄 형태의 광합성을 하는 bacteria 가 퇴적되면서 생긴 미생물 화석

미생물화석

Stromatolite 의 단 면

미생물은 지구 역사의 산 증인 미생물은 지구 역사의 산 증인

○ 지금까지 발견된 화석 중 가장 오래된 것은 약 35 억 년 전의 것

○ 미국의 플로리다나 호주의 바닷가에서는 지금도 stromatolite 가 만들

어지는

것을 볼 수 있음

○ 지금의 bacteria, archae, 진핵세포의 공동 조상은 이미 38 억 년 전 지구에 출현

○ 지구 환경의 급속한 변화

ο 미생물도 더불어 다양하게 진화하기 시작 ○ 어려운 환경에서 적응하며 살아남는

미생물들이 많이 나타남

35억년 전의 미생물화석 Stromatolite 내부에서 발견

긴 줄 형태 , 광합성 했을 것으로 추 정

□ 초기 지구에 살던 광합성 미생물들

○ 지금의 식물처럼 CO₂ 를 마시고 O₂ 를 내뿜는 광합성을 하지 않았음 ○ 약 30 억 년 전쯤에 광합성을 하는 bacteria 의 일종인 Cyanobac- teria 가 출현

○ Cyanobacteria 의 출현

ο 지구 생물의 역사에 있어서 가장 큰 변화의 기폭제 ο 지구에 드디어 O₂ 가 생겨나기 시작했기 때문

○ 이후 Cyanobacteria 의 지속적인 역할 ο 지구의 O₂ 농도는 점점 증가

ο 8 억 년 전쯤에는 지금처럼 약 20% 에 이르게 됨 ○ O₂ 가 생기면서 동식물이 탄생할 수 있는 여건 조성 ○ 우리가 호흡하는 O₂

ο 모두 수십억 년 동안 O ₂ 를 만들어온 Cyanobacteria 덕택

미생물은 지구 역사의 산 증인 미생물은 지구 역사의 산 증인

Cyanobacteria (Blue-green algae)

우리 세포와 미생물의 더불어 살기 우리 세포와 미생물의 더불어 살기

□ Bacteria 와 Archae 가 비교적 큰 형태의 변화 없이 지금까지 진화

□ 진핵세포군의 큰 변화

○ 진핵세포의 조상은 Bacteria 나 Archae 보다 세포의 부피가 커짐 ○ 진핵세포 조상 중 하나에 Bacteria 의 일종인 Proteobacteria 가 들어 감

ο Proteobacteria : 자연계에 다양하게 존재 , 대장균 , 이질균 , 살 모넬라 등

○ 진핵세포와 Proteobacteria 는 한 지붕 식구가 되어 공생 ○ 시간이 지나면서 두 세포는 역할 분담

ο 셋방을 살던 Proteobacteria 는 산소 호흡을 통해 영양분으로부터 에너지를 생산하는 일을 전담

○ 이것이 우리 세포 속에 있는 mitochondria ^{Mitochon-dria}의 정체

우리 세포와 미생물의 더불어 살기 우리 세포와 미생물의 더불어 살기

□ 식물의 경우 또 다른 공생

○ 지구에 O₂ 를 제공한 Cyanobacteria 가 식물 세포 안으로 들어가서 공생

○ 식물 세포와 공생하게 된 Cyanobacteria

ο 이미 자리를 잡고 있던 미토콘드리아처럼 분업을 시작

ο 다른 일은 하지 않고 전적으로 광합성을 담당 - 현재의 식물 엽록 체

□ 식물은 진핵세포 , Proteobacteria, Cyanobacteria 가 공생 ‘○ 한 지붕 세 가족 형태의 세포 ’

□ 동물 , 식물 , Proteobacteria 의 산소 호흡 방식이 같음

□ 식물의 광합성 방법이 지금의 Cyanobacteria 와 같음

□ ‘ 공생설’ 은 여러 가지 과학적인 증거에 근거를 두고 있으며 , 학계에서도 일 반적

으로 인정

1. 바다 밑의 화산이 폭발하고 ,

액적으로 둘러싸인 가스를 방출 2. 액적 내부에서

가스들이 농축되 고

반응하여 간단한 유기분자들을 생 산

3. 액적이 충분히 길게 지 속 되어 표면위로 올라오게 되었을 때 , 액적이 터지고 , 공기 중에 내용물을 방출

4. 태양의 자외선 , 번개 및 다른 에너지원에 의해 충격을 받아서 , 간단한 유기분자들이 액적으로부터 방출되고 , 반응을 하여 더욱 복잡한 유기분자들을 형성

5. 더욱 큰 복잡한 유기 분자들이 빗방 울과 함께 바다로 다시 떨어진다 . 바다에서 다시 복잡 한 유기분자들 은 액 적으로 둘러싸 이게 되고 , 다시 그 과정 을 시작한다 .

Bubble Hypothesis( 액적 가설 )

25 억년 된 암석에서 미세화석 (microfossils) 이 발견되었다 . 원핵생물 (prokaryotes) 과 유사함

더 복잡한 진핵생물에 있는 핵 (nucleus) 이 없다 .

원핵세포 화석의 횡단면

오스트레일리아에서 발견된 이 미세 화석들은 고대의 남세균들이다 .

이 전자현미경 사진에서 세포벽이 뚜 렷이 보인다 .

Earliest Cells( 초기 세포 )

특수한 환경에서 특이한 형태와 대사를 하는 잔존생물 산소 없이 고온상태에서 살아가는 원핵생물

원핵세포의 극단적 조건 (extreme-condition prokaryotes) 세포벽에 펩티도글리칸 (peptidoglycan) 이 없다 .

메탄생성균 (methanogens) – 이산화탄소와 수소원자를

메탄가스 (CH

) 로 전환하고 , DNA, 지질 세포막 , 세포벽을 가지며 ATP 를 가지고 대사를 한다 .

호염세균 (extreme halophiles) 호열세균 (extreme thermophiles) 20 억년전 다른 세균으로부터 갈라졌을 것으로 생각됨 .

메탄생성균 이 고세균은 대사활동의 결과 메탄가스를 만들어내므로 메탄생성균이라고 한다 .

Archae bacteria( 고세균 )

원핵세포 (prokaryotes) 의 두번째 중요한 그룹 강한 세포벽 (strong cell walls)

더 간단한 유전자 구조 (simpler gene structure) 오늘날 대부분의 원핵생물 (prokaryotes)

광합성 세균 (photosynthetic bacteria) 을 포함한다 . - 남조류 (cyanobacteria; blue green algae)

현생 남세균

다세포생물은 아니지만 , 이 세균 은 여러 개의 세포가 모여서 기다란 사슬을 형성할 수 있다 .

Bacteria( 세균 )

진핵생물 (eukaryotes) 은 약 15 억년 전에 출현하였다 .

미토콘드리아 (mitochondria) 와 엽록체 (chloroplasts) 처럼 내부와 결합된 막 구조 (membrane-bound structures) 의 생성 내부공생 (endosymbiosis) 을 통하여 진화

에너지를 생산하는 세균 (energy-producing bacteria) 이 더 큰 세균 (larger bacteria) 으로 빨려 들어 갔다 .

- 유익한 공생관계 (beneficial symbiotic relationship)

First Eukaryotic Cells( 최초의 진핵세포 )

핵과 소포체의 기원

많은 원핵세포는 원형질막이 내부로 접혀들어간 구조물을 가지고 있다 . 진핵세포의 내부막계인 소포체와 핵막은 이로부터 진화한 것으로 보인다 .

First Eukaryotic Cells( 최초의 진핵세포 )

내부공생설 . 이미 내부막계를 가지는 원시 진핵세포가 호기성 세균을 삼 켰는데 , 이 삼켜진 세균이 미토콘드리아로 진화하였다 . 렵록체도 이와 유 사하게 광합성 세균으로부터 생겨났다 .

Endosymbiosis( 내부공생 )

지구 역사 다시 둘러보기 지구 역사 다시 둘러보기

□ 지구의 역사를 한 달의 시간으로 환산한 역사 기록

□ 최초에 지구가 만들어진 이후

○ 3 일째 : 최초의 생명체가 지구에 출현 ○ 14 일째 : Cyanobacteria 출현

광합성을 통한 대기의 O₂ 농도를 높이기 시작 ○ 20 일째 : 미생물 형태의 최초의 진핵세포 출현 ○ 24 일째 : 다세포로 된 생명체의 출현

○ 27 일째 : 수생 동식물이 다양하게 진화 ○ 28 일째 : 동식물이 육상으로 진출

○ 29 일째 : 공룡이 지구를 지배하고 최초의 곤충과 포유류가 지구에 출현 ○ 30 일째 : 최초로 새가 지구의 하늘을 날고 , 꽃을 피우는 현화식물이 출현 ○ 인류가 지구에 출현한 시기

ο 마지막 날 자정이 거의 다 된 시각인 자정 10 분 전

ο 인간이 역사를 기록한 기간은 한 달이라는 지구 역사 중에서 마지막 30 초 에 불과

지구역사를 한달로 본 달력

원시인류 출현 인류의 출현

지구 역사 다시 둘러보기 지구 역사 다시 둘러보기

□ 인간과 미생물의 최후의 운명

○ 현재는 인간이 마치 지구의 주인으로서 모든 권리가 있는 것처럼 지구 의

구석구석을 파괴하고 있음

○ 장구한 지구의 역사를 볼 때 얼마나 미미한 존재인지 새삼 느낄 것 ! ○ 인류가 내일 멸종한다면 ,

ο 지구 역사 한 달 중에서 인류가 존재했던 10 분의 의미는 거의 없 음

○ 반면에 지구 역사의 대부분을 함께 한 미생물 ο 가장 오래된 생명체로 지금도 존재

ο 앞으로도 끝까지 지구와 함께 할 것

바이러스는 생물인가 무생물인가 ? 바이러스는 생물인가 무생물인가 ?

□ Virus 라는 말은 라틴어의 독 ( 毒 ) 에서 유래

□ Virus 가 일으키는 질병들

○ 간염 , AIDS, SARS, 독감 , 조류독감 , 구제역 등등

□ Virus 들의 정체가 무엇일까 ?

□ 왜 Virus 들은 인간을 이처럼 괴롭힐까 ?

□ 생명의 계통수를 보면

○ 유심히 보면 virus 가 빠져 있음

○ 생명의 계통수에서 빠져 있으니 , virus 는 생물체가 아닌가 ?

□ Virus 란 ?

○ Virus 는 완전한 생명체라고 보기 어려움 ○ 그렇다고 무생물로 볼 수도 없음

○ 자신의 유전자를 가지고 있고 , 감염을 통해 증식을 할 수 있기 때문

바이러스는 생물인가 무생물인가 ? 바이러스는 생물인가 무생물인가 ?

□ Virus 와 다른 생명체가 어떻게 다른가 ?

○ 아이들에게 홍역을 일으키는 홍역 virus 와 치명적인 식중독을 일으키 는

bacteria 인 Listeria monocytogenes 를 비교

○ 두 생물체 모두 동그란 모양으로 막에 싸여 있음 ( 그림 참조 ) ○ 모두 유전물질을 그 안에 가지고 있음

Listeria monocytogenes 식중독균 , 그람양성세균 토양에 널리분포

치사율 20%

홍역 virus Measles virus

Paramyxoviridae 등

어린이에게 고열 , 가려움 동 반전염성 강함

한번 걸리면 평생 면역

□ Virus 와 다른 생명체가 어떻게 다른가 ?

○ Bacteria, Archae, 진핵세포군을 포함한 모든 생명체의 경우 ο DNA 를 유전물질로 가짐

○ Virus 의 경우

ο DNA 이외에 RNA 를 유전물질로 가진 것도 존재

ο 홍역 virus 이외에도 AIDS, SARS, 조류독감을 일으키는 virus - RNA 를 유전물질로 가지고 있음

○ Virus 와 bacteria 사이의 큰 차이

ο Bacteria 인 Listeria 의 경우 - 중심도그마 (central dogma) 가 가능

- 세포 안에서 DNA 로부터 단백질을 만드는 전사와 번역 스스로 가능

ο Virus 의 경우

- 유전물질인 DNA 나 RNA 만 있음

- Central dogma 를 자체적으로 할 수 있는 단백질을 가지지 않음

바이러스는 생물인가 무생물인가 ?

바이러스는 생물인가 무생물인가 ?

바이러스는 생물인가 무생물인가 ? 바이러스는 생물인가 무생물인가 ?

□ Virus 도 자신이 가지고 있는 유전자를 이용하려면 Central dogma 를 이

행해야 함

□ 어떻게 virus 가 central dogma 와 같은 작용을 수행하는가 ? ○ 모든 virus 는 반드시 숙주 ( 宿主 ) 로 사용되는 세포가 있음

○ 숙주는 bacteria, archae 또는 진핵세포군에 속하는 완전한 생물체여 야 함

○ Virus 는 숙주의 central dogma 에 사용되는 단백질을 빌려서 , 자신의 유전자로

부터 단백질을 만들게 됨

○ 숙주세포는 virus 의 유전자를 자신의 유전자인 줄 알고 속아서 virus 유전자로

부터 단백질을 만들어주고 , 심지어는 virus 의 유전체까지 복제

○ Virus 는 central dogma 를 스스로 해결하지 못하기 때문에 숙주생물에 기생

하는 생물체

○ 결론적으로 virus 는 완전한 생물체라고 보기 어려움 ο ‘ 생물과 무생물의 중간’이라고 함

바이러스는 어디서 온 건가 ? 바이러스는 어디서 온 건가 ?

□ Virus 는 어디서 온 것일까 ?

□ 생명의 계통수

○ Virus 를 제외한 모든 생물이 하나의 조상 세포로부터 진화한 증거

□ Virus 도 하나의 조상으로부터 진화한 것인가 ?

○ Virus 의 유전자 분석결과 , 이들이 서로 유연관계가 없음

ο 독감을 일으키는 influenza virus 와 AIDS virus 의 유전자 - 전혀 연관성이 없음

바이러스는 어디서 온 건가 ? 바이러스는 어디서 온 건가 ?

□ 현재 일반적으로 인정하는 학설

○ Virus 가 기존에 존재하는 생명체로부터 빠져 나온 유전자 조각이라는 가설

○ Bacteria 로부터 우리 인간에 이르기까지 모든 생명체

ο 유전체 안에 자기 스스로 움직이는 유전자 조각이 존재 - 유전체 위에서 위치를 옮길 수 있음

- 복사본을 다른 곳에 만들 수 있음 - 다른 생명체로 옮겨갈 수도 있음

○ 이렇게 “옮겨 다니는 유전자 조각” 이 변해서 만들어진 결과물이 virus 이다

□ Virus 도 미생물인가 ?

‘○ 동물과 식물을 제외한 생물이 미생물 이라고 정의’ ○ 그러한 정의로 보면 virus 도 미생물

바이러스는 어디서 온 건가 ? 바이러스는 어디서 온 건가 ?

□ 광우병을 일으키는 주범

○ 프리온 (Prion) 이라는 물질인데 , 이것은 생물도 아니고 virus 도 아 님

○ 광우병에 걸린 소의 고기를 먹으면 사람도 같은 질병에 걸림 ο 전염성이 있음

○ 프리온 (Prion) 은 단순히 단백질임

ο 유전물질이 아니기 때문에 생물로 볼 수 없음

ο 그럼에도 Prion 을 일종의 미생물처럼 다루기도 함

보이지 않는 세계의 지배자를 찾아서 보이지 않는 세계의 지배자를 찾아서

베르나르 베르베르 (Bernard Werber) 의 소설 『개미』 중의 한 구 절“ 인간의 존재는 그들 ( 개미 ) 이 전적으로 지구를 지배하는 동안에 일어난 짤막한 삽화에 지나지 않는다 . 개미들은 우리보다 더 , 한없이 그 수가 많 다 .

그들이 더 많은 도시를 가지고 있고 훨씬 더 많은 생태 구역을 차지하고 있 다 .

그들은 어떤 인간도 살아남을 수 없는 건조지대 , 한랭지대 , 열대지대 , 습 지대에 살고 있다 . 우리의 눈길이 미치는 어느 곳에나 개미들이 있다 . 개미들은 우리가 여기에 있기 1 억 년 전에도 있었고 , 원자 폭탄을 견디어 낸 희귀한 유기체들 가운데 하나였다는 점으로 미루어볼 때 , 우리가 지구에 서 사라지고 난 1 억 년 후에도 틀림없이 여기에 남아 있을 것이다 .

3 백만 년에 걸친 우리의 역사는 그들이 역사에 비하면 하나의 사건에 지나 지 않는다 .”

보이지 않는 세계의

지배자를 찾아서

보이지 않는 세계의

지배자를 찾아서

□ 지구상에서 가장 성공한 생명체

○ 그 중의 하나인 개미에 대한 예찬

□ ‘ 인간 ⇒ 개미 , ‘’ ‘ ’ 개미 ⇒ 미생물’ ‘ ’

○ 개미는 어떤 동물보다도 다양한 곳에 존재

○ 다양한 모든 곳에는 개미와 함께 수많은 미생물이 존재 ○ 심지어 개미 한 마리의 몸 속에 수억 마리의 미생물이 존재 ○ 개미가 살 수 없는 곳에도 미생물은 존재 가능

ο 현재 100℃ 에 가까운 온천 물에서 살 수 있는 생물체는 미생물 뿐 ο 지구상 어느 곳에서나 미생물이 존재

○ 인류의 역사는 수백만 년 , 개미의 역사는 수억 년

열심히 잎을 잘라 나르고 있는 잎꾼개미

잎꾼개미 (Atta cepbalotes)는 모은 잎으로 미생물 농장을 만드 는데 , 개미 한 마리의 몸 속에는 수억 마리 이상의 미생물이 살고 있 다 .

보이지 않는 세계의 지배자를 찾아서 보이지 않는 세계의 지배자를 찾아서

□ ‘ 인간 ⇒ 개미 , ‘’ ‘ ’ 개미 ⇒ 미생물’ ‘ ’ ○ 미생물

ο 지구 최초의 생명체 , 38 억 년의 역사 ο 지구 역사 대부분의 주인공이 미생물임

ο 개미의 역사도 미생물의 역사에 비하면 하나의 장 ( 章 ) 에 불과 ο 지구상에 존재하는 다양한 미생물

- 숫자가 엄청나게 많아 정확하게 헤아리기 어려움

- 개미를 비롯한 모든 동물을 합친 숫자보다도 수만 배 이상 - 우리 몸 안에 살고 있는 미생물의 수 : 지구의 인구보다 많음

보이지 않는 세계의 지배자를 찾아서 보이지 않는 세계의 지배자를 찾아서

□ Bernard Werber 의 의견

○ 인류가 사라진 1 억 년 후에도 개미는 살아남을 것 ○ 개미가 사라진 1 억년 후에도 미생물은 살아남을 것 ○ 만약 지구상에서 미생물이 사라진다는 것

ο 지구 생물체가 모두 멸종했음을 의미