미생물의 세계 : 1강 “미생물의 종류와 진화”

미생물의 세계는 화학의 기초와 같이 3강으로 이루어져 있습니다.

1강은 “미생물의 종류와 진화”, 2강은 인간의 몸이 미생물의 생태계인 “마이크로 바이옴”, 3강은 미생물로 부터 식품을 지키자는 “식품 보관법 및 보존료”가 그 주제들 입니다.

미생물은 화학의 기초에서 할 수 없었던 실험을 병행합니다.

1강의 실험은 “곰팡이의 정원” 입니다. 우리가 어떻게 미생물의 세계 속에 살고 있는지, 직접 눈으로 확인하는 실험입니다.

경기도 중학교 학생들과 같이 했던 이 실험은 다음 포스트에 올립니다.

1. 미생물이란 무엇일까요?

미생물은 너무 작아서 현미경으로만 볼 수 있는 생물들을 말합니다. 이들은 우리의 일상생활과 지구 환경에서 매우 중요한 역할을 합니다. 미생물에는 여러 종류가 있으며, 각기 다른 특성과 기능을 가지고 있습니다.

2. 미생물의 종류

박테리아 (Bacteria)

특징: 단세포 생물로 가장 흔하고 다양한 미생물군입니다.
예시: 대장균 (Escherichia coli), 황색포도상구균 (Staphylococcus aureus)
세포벽: 펩티도글리칸으로 구성

고세균 (Archaea)

특징: 박테리아와 유사하지만, 유전적으로는 크게 다릅니다. 극한 환경에서 주로 발견됩니다.
예시: 메탄 생성 고세균 (Methanogens), 초염 고세균 (Halophiles)
세포벽: 다양한 구조로 구성, 펩티도글리칸 없음

원생생물 (Protists)

특징: 진핵생물로, 단세포 혹은 다세포 생물로, 대부분 수생 환경에서 생활합니다.
예시: 아메바 (Amoeba), 유글레나 (Euglena)

진균류 (Fungi)

특징: 진핵생물로, 단세포 혹은 다세포 생물로, 주로 분해자로 작용합니다.
예시: 효모 (Yeast), 곰팡이 (Mold)
세포벽: 키틴으로 구성

바이러스 (Viruses)

특징: 독립된 생명체로 간주되지 않으며, 숙주 세포에 의존해 증식합니다.
예시: 인플루엔자 바이러스 (Influenza virus), HIV

이처럼 미생물은 생물학적으로 매우 다양한 종류가 있습니다. 어떻게 보면 고양이와 느티나무의 차이만큼 진화적으로 다릅니다. 미생물들이 다 비슷비슷하다고 생각할 수 있지만, 박테리아와 고세균의 진화적 분기(나누어 진 것)가 35억 년 전이면, 고세균에서 진핵생물의 선조가 분기되기까지 15억 년이 필요했습니다. 이는 미생물들이 얼마나 다른 생명체인지를 보여줍니다.

3. 미생물의 진화

1. LUCA (마지막 보편 공통 조상 Last Universal Common Ancestor)

개념: 모든 생명체의 마지막 공통 조상으로, 약 38억 년 전에 존재했던 단순한 원핵생물입니다.
분기: LUCA로부터 박테리아와 고세균/진핵생물이 약 35억 년 전에 분기되었습니다.
원핵생물: 세포 안에 핵이 없는 생물.
진핵생물: 세포 안에 핵이 있는 생물.

전형적인 원핵세포 (Typical Prokaryote Cell)

DNA의 가닥(strand of DNA): 원핵세포는 핵막이 없는 단순한 세포 구조를 가지고 있으며, 유전물질(DNA)는 세포질 내에 자유롭게 존재합니다.

전형적인 진핵세포 (Typical Eukaryote Cell)

핵(nucleus, contains DNA): 진핵세포는 핵막으로 둘러싸인 핵을 가지고 있으며, 이 안에 유전 물질(DNA)이 포함되어 있습니다.
미트콘드라아(mitochondria): 진핵세포는 에너지를 생산하는 미토콘드리아를 가지고 있습니다. 이는 내생공생 이론에 따라 초기 진핵세포가 알파 프로테오박테리아를 흡수하여 형성된 것으로 추정됩니다.

LUCA는 모든 현대 생명체의 공통 조상으로, 현재 알려진 모든 생명체의 기원과 연관이 있습니다. LUCA에 대한 연구는 생명의 기원과 초기 진화를 이해하는 데 중요한 단서를 제공합니다.

2. 박테리아와 고세균의 분기

박테리아: 다양한 환경에서 살아가며, 펩티도글리칸으로 구성된 세포벽을 가지고 있습니다.
고세균: 극한 환경에서 살아가며, 다양한 세포벽 구조를 가지고 있습니다.

3. 진핵세포의 기원과 진화

공통 조상과의 분기: 약 20억 년 전에 고세균과 진핵세포가 공통 조상에서 분기되었습니다. 초기 진핵세포는 고세균과 유사한 구조와 기능을 가지고 있었습니다.
내생공생 이론: 초기 진핵세포는 고세균과 박테리아와의 공생을 통해 복잡한 세포 구조를 형성했습니다.
- 핵: 고세균이 초기 진핵세포에 흡수되어 핵이 형성되었습니다.
- 미토콘드리아: 알파 프로테오박테리아가 흡수되어 미토콘드리아가 되었습니다.
- 엽록체: 남세균이 흡수되어 엽록체가 되었습니다.

생명의 나무(계통수) : 박테리아, 고세균, 진핵생물

4. 다세포 생물의 출현 (약 10억 년 전)

단세포 생물들의 협력: 단세포 생물들이 협력하여 다세포 생물로 진화했습니다.
다양화: 진핵생물은 단세포 생물에서 시작하여 점차 다세포 생물로 진화했습니다. 이 과정에서 세포 간의 상호작용과 분화가 중요했습니다.

주요 그룹의 분기

식물: 약 10억 년 전, 광합성을 통해 에너지를 생산하는 능력을 발달시키며 식물로 진화했습니다.
동물: 약 6억 년 전, 다세포 조직과 복잡한 생리적 기능을 발달시키며 동물로 진화했습니다.
진균: 분해자로서의 역할을 하며 진균으로 진화했습니다.

진균(Fungi)

특징: 효모, 곰팡이, 버섯 등을 포함하는 생물 군.
효모: 단세포 진균.
곰팡이, 버섯: 다세포 진균.

5. 새로운 능력: 내생공생

내생공생 (Endosymbiosis)

정의: 한 생명체가 다른 생명체 내부로 들어가 공생 관계를 맺는 현상.
초기 진핵세포의 새로운 능력: 고세균과 박테리아를 흡수하여 공생하는 능력을 가지고 있었습니다. 이는 세포막의 유연성과 세포골격의 발달로 가능했습니다.

세포 내부화 기작 (Cellular Internalization Mechanisms)

세포막 재구성: 초기 진핵세포는 세포막을 재구성하여 다른 세포를 내부화하는 능력을 가지고 있었습니다.
액포 형성: 액포(vesicle) 형성, 막 함입(infolding), 세포골격의 재구성을 통해 외부 물질을 흡수하고 소화할 수 있었습니다.

두 개의 독립된 박테리아가 있습니다.
한 박테리아가 다른 박테리아를 흡수합니다.
흡수된 박테리아는 내부에서 살아갑니다.
두 박테리아 모두 이 공생 관계에서 이익을 얻습니다.
내부 박테리아는 다음 세대로 전달되어 지속적인 공생 관계가 유지됩니다.

핵의 진화 과정에서의 주요 특징

이중 막 구조:

진핵세포의 핵은 이중 막으로 둘러싸여 있으며, 이는 핵막이 세포막에서 기원했음을 시사합니다.

핵공 (Nuclear Pores):

핵막에는 핵공이 존재하여 핵 내부와 세포질 사이의 물질 이동을 조절합니다. 이러한 구조는 고도로 발달된 세포 내 물질 교환 시스템의 결과로 여겨집니다.

유전자 조절:

핵의 형성은 진핵세포가 유전 정보를 보다 효율적으로 보호하고 조절할 수 있게 했습니다. 이는 복잡한 다세포 생물의 진화에 중요한 역할을 했습니다.

4. 미생물 진화를 연구하는 과학자들과 방법론

미생물학자 (Microbiologists)

역할: 미생물의 구조, 기능, 생태 및 유전학을 연구.
방법론: 실험실 배양, 현미경 관찰, 유전자 분석.

분자생물학자 (Molecular Biologists)

역할: 미생물의 유전자와 단백질을 연구하여 생명 현상을 분자 수준에서 이해.
방법론: DNA 시퀀싱, PCR, 유전자 클로닝.

생화학자 (Biochemists)

역할: 미생물 내의 화학적 과정과 물질 대사를 연구.
방법론: 효소 분석, 대사 경로 연구, 화학적 합성.

생물정보학자 (Bioinformaticians)

역할: 생명 과학 데이터를 분석하고 해석하는 데 컴퓨터 기술을 적용.
방법론: 데이터베이스 검색, 유전자 및 단백질 서열 비교, 시스템 생물학.

진화생물학자 (Evolutionary Biologists)

역할: 생물의 진화 과정을 연구하고 생명체의 유전적 변화를 분석.
방법론: 화석 기록 분석, 분자 시계, 계통수 작성.

방법론

유전자 분석 (Genetic Analysis)

DNA 시퀀싱: 미생물의 유전자를 분석하여 진화적 관계를 밝힘.
유전자 클로닝: 특정 유전자를 분리하여 연구.

현미경 관찰 (Microscopy)

광학 현미경: 세포의 구조를 관찰.
전자 현미경: 세포 내부 구조를 고해상도로 관찰.

배양 기술 (Culturing Techniques)

고체 배지: 미생물을 고체 배지에서 배양하여 관찰.
액체 배지: 액체 배지에서 미생물을 배양하여 대량 증식.

생화학적 분석 (Biochemical Assays)

효소 활성 측정: 효소의 기능과 역할을 연구.
대사 경로 분석: 미생물의 대사 과정을 분석.

5. 결론

진화를 바라보는 시각을 정확히 해야 합니다. 현재 우리가 관찰하는 미생물들은 다 지구상의 모든 진화의 최종단에 있는 종들입니다. 박테리아와 고세균이 38억 년 동안 진화를 겪지 않았다고 생각하기 쉽지만, 이들 종들은 현재 지구 생태계에서 가장 잘 진화한 종들입니다. 어떤 종들은 더 간단한 형태로, 어떤 종들은 더 복잡한 형태로 진화했을 것입니다. 그래서 35억년전의 미생물의 형태에 대해 이해하려고 할때, 현재의 미생물을 기준으로 생각해서는 안됩니다. 2가지 관점에서 얘기를 드리는 겁니다. 하나는 박테리아가 진화해서 인류가 되었다는 오류이며, 박테리아와 초기의 같은 진화의 조상이 진화를 위한 선택한 그 길이 한 쪽으로 포유류, 즉 우리 인간으로 이끌었다는 것으로, 우리가 진화, 즉 발전한 종이라는 개념은 버려야 한다는 겁니다. 둘째는 현재의 박테리아류에 있는 박테리아들이, 38억년전의 박테리아와 같을 것이다, 즉 진화를 하지 않았다고 생각해서는 안됩니다. 더 복잡한 형태로, 혹은 살아남기 위해 더욱 간단한 형태로 진화를 한 결과가 현재의 박테리아입니다. 진화의 나무에서 원 뿌리가 있다면 우리들 모두는 그 겉가지 마지막에 위치해 있습니다. 뿌리부터 겉가지 마지막을 제외한 모든 종들은 지구에서 이미 사라졌습니다. 즉 “멸종 했습니다.

우주에서는 이와 반대의 상황이 벌어집니다.

“마치 천체망원경에 포착된 별은 현재의 모습이 아니라 아득한 과거의 모습인 것과 같습니다.”

미생물의 진화는 유전체학적, 생화학적, 분자생물학적 연구들을 통해 밝혀졌으며, 생명체의 기원과 진화 과정을 이해하는 데 중요한 단서를 제공합니다. 박테리아와 고세균, 진핵세포는 각각의 독특한 진화 경로를 걸어왔으며, 공생과 내생공생 사건을 통해 복잡한 구조와 기능을 획득했습니다.