세포의 발견
1660년 사람의 살을 현미경으로 바라본 결과 가느다란 혈관을 발견했다. 이것은 모세혈관으로 서로 합쳐져서 동맥이 되고, 나중에는 정맥으로 흘렀다. 모세혈관의 발견으로 1628년 혈액의 순환 이론이 입증되었다.
1687년 영국 과학자 아이작 뉴턴은 '자연철학의 수학적 원리'라는 저서를 통해 빛을 포함한 모든 물질이 더는 깨지지 않는 작은 입자로 이뤄져 있다는 개념을 널리 퍼트렸는데, 과학자들은 그때부터 생명체도 여러종류의 입자로 이뤄져 있지 않은지 궁금해하기 시작했다.
1830년 독일 식물학자 마티아스 슐라이덴은 새로운 세포를 만드는 원천이 핵이라는 이론을 제시, 그의 동료인 동물학자 테오도어 슈반은 자신이 올챙이 세포에서 본 것과 닮았다며 동물도 마찬가지로 핵이 새로운 세포를 만들것이라고 확신한다.
슈반은 세포와 세포 사이 공간에서도 이 핵을 관찰했다고 생각했으며, 모든 핵은 세포아체라는 가상 물질로부터 만들어진다는 가설을 제안했다. 그러다가 다음과 같은 3가지 이론에 근거해 세포 이론을 최초로 확립한다.
- 첫째, 모든 생명체의 모든 부위는 세포로 이뤄졌거나 세포에 의해 만들어졌다
- 둘째, 살아있는 유기체는 그안의 세포가 살아있으므로 그 삶을 이어나갈 수 있다.
- 셋째, 세포는 세포아체 안에서 생겨나거나 그것에 의해 다른 세포들 가까이 모인다.
분열하는 세포
그러나 1840년 로베르트 레마크라는 학자가 "세포는 이미 존재하는 세포가 분열하여 생겨난다"는 사실을 알아냈다. 1855년 루돌프 피르호는 레마크 관찰 결과를 눈으로 확인하고 현대적인 세포 이론을 확립, "모든 세포는 다른 세포로부터 생겨난다" 고 알렸다. 이 발상과 이론정립이 생물이 성장하고 생식하는 과정을 이해하는, 종의 흥망성쇠와 진화과정을 이해시켜주었다.
핵은 세포분열 과정에서 사라지는 것이 아니라 여러 조각으로 나뉜다. 그렇게 분열결과 생기는 두 개의 "딸세포'에게 핵을 나누어준다. 1882년 발터 플래밍은 핵의 조각을 이루는 물질을 염색질이라고 이름 붙였는데 나중에 '염색체'라는 이름을 얻었다.
세포의 핵 안에서 염색된 조그만 가닥들이 분열하는것을 체세포 분열이라고 불렀다. 체세포 분열을 연구하는 생물학자들은 딸세포 각각이 염색질을 아무렇게나 나눠 가지지 않는다는 사실을 알아냈다. 이들은 서로 같은 염색체 조를 한 짝씩 나눠가졌다.
염색체와 유전
19세기 후반 생물학자들은 난세포와 정세포의 핵이 보통 인체조직에 비해 염색체가 절반이라는 사실을 발견했다. 수정이 일어나면 두개의 핵이 서로 합쳐져 새롭고 완전한 염색체 조가 만들어진다. 이것은 어머니나 아버지의 염색체 조와도 다르다. 이런 방식으로 부모 양쪽이 각각 수정 결과 만들어진 새로운 개체의 염색체 조에 똑같이 이바지하게 된다.
염색체가 유전과 관계가 있다는 사실은 명확하다. 유전적 특징을 대대로 전하는 과정에 참여하기 때문이다. 염색체는 세포의 살림살이에 지시를 내리며, 독특한 하나의 유기체를 구성하기 위한 지시도 내린다. 이 2가지 지시 사항이 모두 조그만 세포의 조그만 기관에 들어있다.
1860년 멘델은 유전의 법칙을 알아내고자 완두콩을 재료로 실험, 독일 생물학자 테오도어 보베리는 멘델이 말한 유전 요소가 염색체를 통해 옮겨진다는 사실을 깨달았고, 유전법칙이 세포핵 안에서 적용된다는 사실도 알아냈다.
1909년 빌헬름 요한센은 이 새로운 과학분야에 유전학이라는 이름을 붙였고, 멘델이 말했던 염색체가 운반하는 요소들은 유전자라고 불리게 되었다. 그러다가 염색질이 무엇이고 어떤 방식으로 정보를 전달하는지 살피다가 분자생물학이라는 새로운 분야가 생겨났다
하나의 세포란 기본적으로 화학물질이 든 주머니와 다름없다. 그러므로 세포를 이해하려면 그 내용물을 알아야 한다. 19세기 생화학자들은 식물세포 엽록체가 포도당과 녹말을 생산한다는 사실을 알아냈다. 이들의 화합물은 에너지원으로 사용되는 탄수화물이다. 이 물질들은 서로 결합해서 섬유소라는 더 큰 분자가 된다.
지방과 담백질
그뿐만 아니라 과학자들은 세포가 지방을 함유하고 있다는 사실도 알아냈고, 단백질을 생산한다는 사실도 알아냈다. 단백질은 대부분 생물학적 재료의 주요 구성성분이다. 머리카락과 손톱은 거의 단백질로 이뤄져 있으며, 피부 역시 콜라겐과 엘라스틴이라는 2가지 단백질로 강도와 탄력을 얻는다.
1870년대 생물학자들은 효소를 발견, 효소란 화학적 반응을 촉진하는 촉매다. 효소는 단백질의 일종이긴 한데 단백질이 유전정보를 전달하는 매개체는 아니었다.
핵산의 발견
1870년 알브레히트 코셀이 백혈구 세포 핵속에서 정체 알 수 없는 화학물질을 분리해냈는데 '핵산'으로 불렀으며 핵산 안에도 아데닌, 시토신, 구아닌, 티민, 우라실 5가지 물질이 있다는 사실을 알아냈다. 이들은 염기성을 띠므로 핵염기라고 불렀다.
핵산에도 2가지 종류가 있었는데 처음에 발견된 위치를 따라 효모 핵산과 이자 핵산이라고 불렀다가, 효모 핵산은 리보스라고 불리는 당이 들어있으므로 리보핵산(RNA)라고 부르기로 하였으며, 이자 핵산은 리보스와 비슷한 옥시 리보스라는 당이 들어있었으므로 데옥시리보핵산(DNA)라고 부르기로 했다.
RNA에는 핵염기가 C, G, A, U만 있으며, DNA는 C,G,A,T만을 포함한다는 사실을 알아냈다. 아데닌(A) - 시토신(C), 구아닌(G), 티민(T), 우라실(U) 이후 DNA 분자 구조를 밝혀내면서 현대 분자생물학을 탄생시킨다. 엑스선 결정학을 이용해 DNA를 이루는 분자들의 상대적 위치를 연구, DNA 생김새가 이중나선 구조라는 사실을 느러냈다. 전체적인 모양은 줄사다리와 비슷했는데 사다리 가로대를 이루는 것은 핵 염기였다.
그들은 당·인산을 등뼈 삼아 두 가닥으로 줄사다리의 줄을 만들었다. 이 2개의 줄은 가운데에 이어지는 부분이 있어 서로 분리되지 않았다. 등뼈를 따라 이어지는 핵염기의 순서가 바로 유전정보를 운반했다. 이 글자들은 특정 단백질을 만들어내는 조리법을 나타냈다.
1960년 핵염기 A, C, T, G로 이뤄진 암호가 단백질을 만들도록 지시한다는 사실을 알아냈으며, 세포 안에서 단백질이 만들어지면 DNA 이중나선 사다리 두 가닥이 풀리고, 그것의 복제분으로 해당 유전자를 암호화하는 RNA가닥이 만들어진다. RNA조각은 특정 유전자 암호에 해당하는 단백질을 만드는 주형으로 사용된다.
이때 단백질을 실제로 만들어내는것은 리보솜이라는 분자로 된 기계이다. 유기체의 새포핵에 들어있는 모든 염색체 속 DNA를 통틀어 나타내는 핵 염기의 전체 배열을 그 유기체의 게놈이라고 부른다. 분자생물학은 유전학과 함께 생명체를 살아있게 하는것이 무엇인지를 이해하는데 한걸음 더 나아가도록 했다.
진핵생물과 원핵생물
지구의 모든 생명체는 진핵생물과 원핵생물(세균, 고세균)으로 나뉜다. 진핵세포에는 세포의 핵이 존재, 지구의 모든 세포는 DNA를 활용해 유전물질을 운반하는데, 진핵세포는 핵 안에 DNA가 있다. 반면 원핵생물은 핵이 존재하지 않는다.
대부분의 세포는 호기성이다. 세포는 계속 살아가기 위해 에너지를 방출하는 세포호흡을 하는데, 이때 산소에 의존하기 때문에 호기성이다 ( 산소를 사용하지 않는 세포는 혐기성이다) 이때 이산화탄소는 세포호흡 과정의 노폐물이므로 세포에서 떠나야 한다.
대부분 세포는 세포호흡을 할때 연료인 포도당이 필요하다. 하지만 포도당은 산소 분자처럼 인지질 이중층을 통과할 수 없다.