01 생명 과학의 발달 과정
생명 과학의 특성과 생명 과학
(1) 생명 현상의 특성
– 세포로 구성된다.
– 자극에 대해 반응을 한다.
– 물질대사를 하고, 항상성을 유지한다.
– 생장과 발생을 한다.
– 생식과 유전을 한다.
– 환경에 적응하고, 진화한다.
(2) 생명과학: 생명체를 과학적인 방법으로 관찰하고 실험하여, 생명체 내에서 일어나는 생명 현상을 이해하는 학문이다.
생명을 바라보는 생각의 변화
자연 발생설
(1) 자연 발생설: 생물은 우연히 생겨났다는 학설이다.
– 기원전 4세기 아리스토텔레스가 주장했던 생명의 기원에 관한 가설이다.
– 저서 ‘동물지’, ‘동물 발생론’에서 곤충, 새우, 장어 등이 자연 발생한다고 주장하였다.
– 생명의 기초가 되는 생명의 배가 물질을 조직하여 생명이 생겨난다고 믿어왔다.
– 르네상스 시대까지 의심 없이 받아들여져 왔다.
(2) 자연발생설에 대한 의심
– 1665년 레디에 의해 자연 발생설을 부정하는 실험이 수행되었다.
– 공기에 생기는 애벌레는 스스로 발생하지 않고 파리에 의해 생긴다.
(3) 여전한 자연 발생설에 대한 믿음
– 17세기 헬몬트의 쥐 자연 발생 실험은 자연 발생설을 믿는 사람들에게 힘을 안겨주었다.
– 현미경의 발달로 인해 미생물이 관찰되면서 미생물이 스스로 생겨났는지에 대한 논란이 있었다.
생명 속생설
(1) 생명 소생설: 생명은 생명으로부터 생겨난다는 학설이다.
(2) 파스퇴르의 백조목 플라스크 실험
– 플라스크 안에 넣은 유기물 용액을 가열하여 미생물을 모두 죽인 후 미생물의 침투를 막기 위해 플라스크의 주둥이를 백조목 모양으로 늘린 다음 공기가 들어가는 상태에서 보관하여도 미생물의 증식을 찾아볼 수 없었다.
– 파스퇴르는 1861년 ‘자연 발생설 비판’이라는 논문을 저술하였다.
생명 과학의 주요 발견
고대 생명과학(기원전 4000년~100년)
(1) 식량을 얻기 위해 농작물을 기르고 동물을 사육하면서 생명 과학이 발달하였다.
– 발효 기술을 이용하여 빵과 와인을 제조하였다.
– 인공 수분으로 대추야자의 품종을 개량하였다.
(2) 아시아에서 양조 기술, 염장 기술, 콩 발효 기술이 개발되었다.
(3) 아리스토텔레스: 동물학의 창시자, 동물 분류 연구, 자연 발생설을 주장하엿다.
(4) 히포크라테스: 고대 의학의 창시자이다.
현미경으로 본 작은 세상(17세기)
(1) 16세기 현미경의 발명으로 눈에 보이지 않던 작은 생물의 세계를 볼 수 있게 되었다.
(2) 훅: 세포를 발견하였다.(1665년)
(3) 레이우엔훅: 여러 종류의 미생물을 관찰하였다.(1673년)
과학 지식의 발달(19세기)
(1) 다양한 분야에서 생명 과학 지식이 발달하였다.
(2) 슐라이덴: 식물 세포설을 확립하였다.(1838년)
(3) 슈반: 동물 세포설을 확립하였다.(1839년)
(4) 다윈: 자연 선택에 의한 진화론을 발표하였다.(1859년)
(5) 멘델: 완두 실험으로 유전 법칙을 발견하였다.(1865년)
(6) 파스퇴르: 생명 속생설을 증명하였다.(1868년)
(7) 코흐: 탄저균을 순수 배양하였다.(1877년)
(8) 엥겔만: 광합성과 광파장의 관계를 연구하였다.(1890년)
생명 과학의 실험적 접근(20세기 초)
(1) 다양한 실험 방법의 발달로 이를 통해 새로운 생명 과학 지식이 발달하였다.
– 플레밍: 항생 물질인 페니실린을 분리하였다.(미생물 배양)
– 스탠리: 담배 모자이크 바이러스를 분리하였다.(바이러스 배양, 전자 현미경 관찰)
– 크레브스: TCA 회로를 발견하였다.
(2) 염색체설, 유전자설에 의한 유전 물질에 대한 연구가 이루어졌다.
– 서턴: 염색체설을 확립하였다.(1903년)
– 모건: 염색체 지도, 유전자설을 확립하였다.(1926년)
(3) 에이버리, 허시, 체이스에 의해 DNA가 유전 물질임이 입증되었다.
– 에이버리: 폐렴 쌍구균의 형질 전환으로 유전 물질을 규명하기 위해 노력하였다.(1944년)
– 허시, 체이스: DNA가 유전 물질임을 증명하였다.(1952년)
DNA 시대(20세기 중후반)
(1) 왓슨과 크릭이 DNA 이중 나선 구조 규명 후 생명 과학은 새로운 시대를 맞이하였다.
(2) 유전자 재조합 기술의 발명: 유용한 유전자를 포함한 DNA 조각을 연결함으로써 새로운 형질을 가진 생물을 만드는 것이 가능해졌다.(1973년)
(3) 월멋이 체세포 복제 양 돌리를 만들어내었다.(1997년)
현대 생명과학(21세기)
(1) 유전자 변형 작물이 최초로 시판되었다.(1994년)
(2) 유전자 염기 서열 분석의 발달로 사람의 유전체 분석을 완료하였다.(2003년)
(3) 줄기세포 및 역분화 줄기세포에 대한 연구가 활발하게 이루어졌다.
02 생명 과학의 연구 방법
생명 과학 발달에 이바지한 주요 발견에 사용된 연구 방법
관찰법
(1) 해부학: 사람의 내부 구조를 관찰하여 어떤 장기가 손상되었는지를 확인하고 사람을 치료하였다.
(2) 현미경 관찰: 작은 미생물 관찰이 가능하게 되었다.
(3) 전자 현미경: 세포 소기관과 같은 생물의 미세구조와 바이러스 구조를 관찰하게 되었다.
(4) 형광 현미경: 형광 현상이란 특정 파장의 빛을 받은 물질이 일정한 파장의 빛을 내보내는 현상으로 이를 이용한 현미경이 형광 현미경이다. 형광 현미경을 통해 살아 있는 세포에서 물질의 위치를 관찰할 수 있게 되었다.
특정 병인론
(1) 코흐에 의해 고안된 연구 방법이다.
– 특정 질병에는 그 원인이 되는 하나의 미생물이 있고, 그 미생물을 순수 배양할 수 있다.
– 배양한 미생물을 실험동물에 주입하면 똑같은 질병이 유발된다.
– 그 병에 걸린 실험동물에서 다시 그 미생물을 분리할 수 있다.
(2) 오늘날 질병을 연구하는 데 중요하게 이용되고 있다.
자기 방사법
(1) 생명체 내에서 물질의 이동을 확인할 수 있다.
(2) 사례
– 광합성 산물의 생성 과정을 발견하는 데 사용되었다.
– DNA가 유전 물질임을 규명한 허시와 체이스의 실험에서 사용되었다.
돌연변이를 이용한 연구 방법
(1) DNA 유전 정보를 연구하는 데 중요한 연구 방법이다.
(2) 사례
– 모건은 초파리의 흰 눈 돌연변이를 이용하여 유전자가 염색체 위에 놓여 있다는 유전자설을 증명하였다.
– 비들은 붉은빵곰팡이 돌연변이를 이용하여 1유전자 1효소설을 주장하였다.
생물 정보학
(1) 컴퓨터를 이용하여 빅데이터를 얻고, 이 데이터를 통계적으로 처리하여 특정 질병이 걸릴 확률을 계산할 수 있다.
(2) 생명 과학에서 컴퓨터와 통계학을 활용한 분야이다.
1 생명 과학의 역사
(1) 세포와 생리에 관한 연구
- 혈액 순환의 원리(1628년): 하비는 관찰과 실험을 통해 혈액이 체내에서 순환한다는 사실을 알아냈으며, 하비의 실험적 연구는 근대 생명 과학을 발전시키는 계기가 되었다.
- 세포의 발견(1665년): 훅(Hooke, R)은 자신이 만든 현미경으로 코르크를 관찰하여 수많은 작은 벌집 모양의 구조가 배열되어 있음을 발견하고, 이를 세포(cell)라고 명명하였다. 현미경의 발명은 세포와 생명체의 연구에 크게 이바지하였다.
- 세포설의 등장과 확립
- 식물 세포설(1838년)과 동물 세포설(1839년): 슐라이덴은 식물체의 각 부위를 현미경으로 관찰한 후 식물체가 세포로 이루어져 있다는 식물 세포설을 주장하였고, 슈반은 동물체도 식물체와 마찬가지로 세포로 이루어져 있다는 동물 세포설을 주장하였다.
- 세포설의 확립(1855녀): 피르호는 모든 세포는 세포로부터 생성된다고 주장하고 세포설을 확립하였다. 세포설은 모든 생명체의 기본 단위가 세포임을 밝힌 것으로 세포에 관한 연구를 촉진하였다.
- 세포 소기관의 발견(1800년대 말): 현미경 제작 기술과 세포 염색 기술의 발달에 힘입어 미토콘드리아, 엽록체, 소포체, 골지체 등 세포 소기관과 염색체 등 세포 내 구조물이 발견되었다.
- 캘빈 회로 규명(1948년): 캘빈과 벤슨은 방사성 동위 원소인 14C와크로마코그래피를 이용하여 이산화 탄소로부터 포도당이 합성되는 경로를 밝혔다.
- 신경의 흥분 전도 연구(1950년대)와 호르몬의 작용 과정 연구(1960년대): 호짐킨과 헉슬리는 이온의 막 투과도에 따른 활동 전위의 발생을 규명하였고, 서덜랜드는 표적 세포에서 호르몬의 작용 과정을 밝혀내여 생리학 발달에 이바지하였다.
(2) 미생물과 감염병에 관한 연구
- 미생물의 발견(1673년): 레이우엔훅은 자신이 만든 단안 렌즈 현미경으로 침, 호숫물, 빗물 등을 관찰하였으며, 단세포 조류, 원생동물, 세균 등의 미생물을 처음 발견하였다.
- 종두법 개발(1796년): 제너는 사람에게 우두를 접송하여 천연두를 예방할 수 있는 종두법을 개발하였다.
- 백신의 개발과 감염병의 원인 규명(1800년대 후반)
- 파스퇴르는 백조목 프랄스크()를 이용하여 생물 속생설을 입증하였으며, 저온 살균법, 탄저병 백신과 광견병 백신 등을 개발하여 감염병 예방을 위한 기틀을 마련하였다.
- 코흐는 세균을 배양하고 연구하는 방법을 고안하여 감염병의 원인을 규명하는 과정을 정립하였으며, 탄저균, 결핵균, 콜레라균 등을 발견하였다.
- 항생 물질 발견(1928년): 플레밍은 세균 배양 접시에 핀 푸른공팡이에서 세균의 증식을 억제하는 물질인 페니실린을 발견하였다. 이후 항생제인 페니실린의 대량 생산이 가능해지면서 많은 사람들의 생명을 구할 수 있었다.
(3) 유전학과 분자생물학 분야의 연구
- 유전의 기본 원리 발견(1865년): 멘델은 완두의 교배 실험 결과를 분석하여 부모의 형질은 입자인 유전 인자의 형태로 자손에게 전달된다는 것을 알아냈다. 당시 멘델의 발견은 주목받지 못했으나 1900년대 무렵 여러 과학자에 의해 재발견되고, 그의 유전에 관한 주요 원리는 멘델의 법칙으로 불리게 되었다.
- 유전자설 발표(1926년): 모건은 각각의 유전자는 염색체의 일정한 위치에 존재한다(유전자설)는 것을 밝혀내고, 초파리의 염색체 지도를 완성하였다. 이후 초파리의 유전이 자세히 연구되면서 유전학이 크게 발달하였다.
- 유전자의 기능 규명(1941년): 비들과 테이텀은 하나의 유전자는 하나의 효소 합성에 관한 정보를 갖는다(1유전자 1효소설)고 주장하였다.
- 유전 물질의 본체 규명(1944년): 에이버리는 폐렴 쌍구균의 형질 전환 실험을 통해 DNA가 유전 물질임을 규명하였다.
- DNA 구조 규명(1953년): 왓슨과 크릭은 DNA 연기 조성의 특징과 X선 회절 사진 등을 종합하여 DNA의 구조를 규명하였다. 이후 DNA에 관한 연구가 진행되면서 분자 생물학이 급속히 발달하였다.
- 유전자 발현의 조절 과정 제시(1961년)와 유전부호 해독(1960년대): 자코브와 모노는 대장균에서 유전자 발현이 조절되는 과정(오페론설)을 밝혀냈고, 니런버그와 마테이는 인공 합성된 RNA를 이용하여 유전부호를 해독하였다. 이로써 염기 서열과 단백질의 아미노산 서열 사이의 관계를 알 수 있게 되었다.
- 유전자 재조합 기술(1973년) 개발과 DNA 증폭 기술(1983년) 개발: 코헨과 보이어는 제한효소, 프라스미드, DNA 연결 효소를 이용하여 유전자 재조합 기술을 개발하였고, 멀리스는 중합 효소 연쇄 반응(PCR, Polymerase Chain Reaction)을 이용하여 DNA를 짧은 시간에 다량으로 복제하는 기술을 개발하였다.
- 사람의 유전체 사업 완료(2003년): 사람 유전체의 염기 서열을 밝혔으며, 이에 따라 유전자 기능의 연구와 생명체 유전 정보 분석의 기틀이 마련되었다.
(4) 생물의 분류와 진화에 관한 연구
- 생물의 분류 체계 정리(1753년): 린네는 생물을 체계적으로 분류하는 방법을 제안하였으며, 분류의 기본 단위인 종이 개념을 명확히 하여 종의 학술 명칭(학명)의 표기법인 이명법을 고안하였다.
- 용불용설(1809년): 라마르크는 사용하는 형질은 발달하고 사용하지 않는 형질은 퇴화한다는 용불용설을 주장하였다.
- 자연 선택설의 등장(1859년): 다윈은 생물 개체 사이의 변이가 있고 환경에 잘 적응한 개체만 살아남으며, 이러한 변이가 누적되어 진화가 일어난다고 주장하였다. 다윈의 진화론은 생명 과학은 물론 정치와 사회적으로도 많은 영향을 주었다.
2 생명 과학의 연구 방법과 사례
(1) 관찰: 과학자는 관찰을 통해 자연 형상을 파악하고 자료를 수집하며, 관찰은 창의적 발상을 자극한다.
- 종두법(1796년): 제너는 우유 짜는 사람이 소의 천연두(우두)에 걸린 뒤에는 천연두에 걸리지 않는 다는 것을 관찰하고, 우두에 걸린 여성에서 채취한 고름을 한 소년에게 접종하여 천연두 예방에 성공하였다.
- 페니실린 발견(1928년): 플레밍은 세균을 배양하던 중 세균 배양 배지에 우연히 날아든 푸른 곰팡이 주변에 세균이 생존하지 못하는 것을 관찰하고, 푸름곰팡이로부터 세균을 죽일 수 있는 물질인 페니실린을 추출하였다.
(2) 실험: 과학자는 실험을 통해 자신의 가설을 검증한다. 실험을 수행하기 위해서는 문헌 조사가 선행되어야 하는 경우가 있고, 실험의 각 변인은 엄밀하게 통제되어야 한다.
- 파스퇴르의 탄저병 백신 실험(1881년): 파스퇴르는 대중이 지켜보는 가운데 자신이 개발한 탄저병 백신과 양을 이용한 실험을 통해 탄저병 백신의 효능을 증명하였다.
- 그리피스의 실험(1928년): 그리피스는 폐렴 쌍구균 실험을 통해 세균의 형질 전환을 확인하였고, 이후 에이버리의 후속 실험과 연구로 형질 전환을 일으키는 물질 즉 유전 물질이 DNA임이 밝혀졌다.
(3) 정보 수집과 분석: 다른 학자들의 연구 결과를 수집하고 분석함으로써 과학적 성과를 얻을 수 있다.
- DNA 구조 규명(1953년): 왓슨과 크릭은 샤가프에 의해 밝혀진 DNA 염기 조성의 특징과 프랭클린이 촬영한 DNA의 X선 회절 사진 등을 분석하여 DNA의 분자 구조를 규명하였다.
(4) 적절한 실험 기구의 사용: 실험 기구의 발전은 정밀한 관찰과 실험을 도와 생명 과학 발전에 핵심적인 역할을 하고 있다.
- 현미경: 광학 현미경의 발명은 세포의 발견으로 이어졌고, 세포를 염색액으로 처리하는 기술의 개발은 많은 세포 소기관의 발견으로 이어졌다. 전자 현미경은 세포의 미세 구조와 바이러스 연구에 핵심적인 역할을 하였다.
- 현대에 이르러서는 PCR기기, 염기 서열 분석기 등 다양한 장비들이 생명 과학 연구에 활용되고 있다.
(5) 창의적 발상
- 유전자 재조합(1973년): 코헨과 보이어는 제한 효소, 프랄스미드, DNA 연결 효소를 이용하면 원하는 유전자를 다른 생물의 DNA에 삽입할 수 있을 것으로 생각하고, 이를 실현해 유전자 재조합 기술을 개발하였다.
- 중합 효소 연쇄 반응(PCR)(1983년): 멀리스는 DNA 복제에 필요한 물질들만 잘 갖추어진다면 시험관에서도 DNA를 복제시킬 수 있을 것으로 생각하고, 이를 연구하여 중합 효소 연쇄 반응으로 실현시켰다.
참고자료: 지학사 생명과학2 교과서, EBS 수능특강 생명과학1
