글로벌 세계 대백과사전/생물II·식물·관찰/생명과 물질/물 질 교 대/물질 교대와 에너지 교대

생물은 안정된 구조와 기능을 항상 유지하고 있는 것처럼 보이지만 그것은 인간이 제작한 것과 같은 기계적 안정성은 아니다. 세포는 각기 수명을 갖고 있으며, 끊임없이 새로 생겨난다. 그리고 세포내에서도 그 구성 성분이 파괴되었다가 다시 만들어지는 화학 반응이 행해지고 있다. 이것으로 생명의 안정성이 유지되는 것이다.

예를 들어 인간의 적혈구수는 거의 일정하여 약 500만 개/mm3라고 한다. 그러나 이것은 매초 약 300만 개가 췌장이나 간에서 파괴되어 같은 수의 적혈구가 골수에서 생산되고 있는 결과이며, 총 적혈구수의 0.8%가 새로 만들어진다는 계산이 된다.

적혈구의 수명은 인간의 경우 120일 정도인데, 개는 107일, 고양이는 68일, 생쥐는 45-65일 등 동물마다 다르다. 또 간세포의 수명은 160-400일이라고 하는데, 그것을 만들고 있는 단백질의 약 70%는 4-5일 만에 다시 생성된다.

이와 같이 체성분이 다시 생성되는 화학 변화를 총칭하여 물질 교대(물질 대사) 또는 신진 대사라고 한다. 물질 교대는 수많은 화학 반응으로 이루어지며, 각각의 반응에 대해서는 시험관이나 플라스크 속에서 일어나는 반응으로 연구할 수 있다. 그러나 전체적으로는 아직 완전하게 밝혀지고 있지 않은 어떤 구조하에 일관되게 조절되고 있으며, 이것이 환경에 대한 적응, 장애나 질병의 회복, 성장이나 생식 등 모든 생활 활동의 기초가 되고 있다.

동화(同化)와 이화(異化)

생물은 체성분의 소재가 되는 물질을 양분이나 음식으로 외부에서 받아들여 이를 필요한 체성분으로 만들어낸다. 이러한 물질 교대의 과정을 동화라고 한다. 한편 생활 활동을 위한 에너지나 동화에 필요한 소재의 일부를 얻기 위해 체성분이 분해되어 불필요한 것은 몸밖으로 배출된다. 이러한 물질 교대 과정을 이화라고 한다. 동화와 이화는 환경과 물질 사이에 깊은 연관이 있으며, 그 구조는 오랜 생명의 역사를 거쳐 진화해왔다고 볼 수 있다.

태고의 지구에 최초로 나타난 원생 생물은 공중 방전이나 자외선 에너지에 의해 만들어진 환경 속의 유기물을 받아들여 생활한 것으로 추정된다. 그 동화력은 매우 빈약한 것이었음이 분명하다. 그러나 이윽고 그대로 이용할 수 있는 유기물이 감소함에 따라 제한된 소재에서 체성분을 만들어 살아남은 생물이 점차 출현한 것이라고 생각할 수 있다.

예를 들어 오늘날의 대장균은 유기물로 글루코오스만 있으면 염화 암모늄·인산 등 여러 종류의 유기물을 첨가한 배양기 속에서 37℃ 온도만 유지시켜 주면 한 시간에 세포막이 두 배로 늘어난다. 만약 여러 가지 아미노산이나 핵산의 소재가 되는 프린 염기와 피리미진 염기 등의 유기물을 더욱 첨가하면 세포는 20분 내에 두 배로 늘어난다. 처음 조건에서 40분이나 시간이 더 걸린 것은 무기질소 화합물과 글루코오스에서 아미노산이나 핵산 염기 등 유기질소 화합물을 만드는 질소 동화에 시간이 걸리기 때문일 것이다.

원시 생물에서도 동화 반응 중 에너지가 필요한 것은 ATP가 ADP와 인산으로 분해하는 반응처럼 에너지를 공급하는 반응과 조합하여 진행되었음이 분명하다. 소비한 ATP는 발효와 같은 이화에 의해 보충된다.

물질 교대의 진화에서 혁명적인 다음 단계는 광합성에 의한 탄소 동화이다. 가시광선 에너지에 의해 대기중의 이산화탄소와 물에서 글루코오스 같은 유기물을 동화하는 식물이 출현한 뒤부터는 그와 같은 능력이 없는 세균이나 동물도 식물의 동화력으로 살아갈 수 있게 되었다.

게다가 광합성의 부산물로서 만들어진 효소는 대기의 고층(高層)에 오존층을 만들어 유해한 짧은 파장의 자외선을 차단하게 되었다. 이로써 생물은 물 속에서 수면으로, 그리고 육상으로 생활 환경을 넓혀갔다. 생물 번영의 또 한 가지 주된 원인에는 이렇게 해서 생긴 효소를 이용하여 발효보다도 많은 ATP를 생산하는 호흡이라는 이화 과정이 진화한 것을 들 수 있다. 이와 같이 물질 교대의 진화가 지구의 환경을 바꾸고, 환경의 변화가 또 물질 교대의 진화를 가져온 것은 흥미있는 일이다.

물질 교대의 원동력

오늘날 지구에서는 모든 생물의 양분이나 먹이를 생산하는 녹색 식물과 이를 소비하는 동식물이 분해자인 세균 등의 미생물을 매개로 하여 끊임없는 물질 순환을 행하고 있다. 이때 그러한 물질 순환을 이루게 하는 원동력은 태양의 방사 에너지이다. 생물이 질서있는 구조를 유지하고, 여러 가지 생활 활동을 영위해 가려면 에너지가 필요하며, 그것은 유기물의 잠재 에너지, 즉 화학 에너지에 기초한 것이다. 그리고 이 에너지의 근원을 밝힌다면 태양의 방사 에너지에서 유래한다. 유기물이 만들어지는 요인이 공중 방전이나 자외선 같은 비생물적인 것에 의한 경우라도 그 점은 마찬가지이다.

태양 광선 에너지를 이용하여 유기물을 만들어 그 유기물이 갖는 에너지를 생물 체성분의 합성, 구조의 유지, 그리고 열·전기·운동 등 다른 에너지로 바뀌는 기초적인 구조가 물질 교대라는 견해로 보면 물질 교대는 동시에 에너지 교대이며, 이 둘은 표리 관계라고 할 수 있다.

결국, 에너지와 물질을 물질 교대에 의해 환경과 교환하는 것이 바로 생물의 특징 중 하나라고 할 수 있을 것이다.