생물과학 생물과학이란 생명체를 연구하는 학문이다. 생물들이 주변 환경과 어떻게 상호 작용하고 있는가를 다루는 과학 생물학의 기초가 되는 학문은 화학과 물리학이며, 이러한 기본적인 물리법칙을 생명체에 응용한 분야이다. 의학, 작물학, 식물육종, 야생생물 관리 (실용생물학) 미생물생리학, 광합성 생화학, 식물분류학, 동물행동학 등과 같은 보다 이론적인 생물학과 조화를 이루고 있다. 곤충채집과 조류관찰과 같은 간단하고 재미있는 생물학분야.

생명의 특성 에너지와 물질을 이용하는 능력은 생명체만이 갖는 독특한 성질이다. 생명의 특성(물질대사) (1) 대사작용 (2) 생식작용 (3) 반응작용 (4) 조절작용 (5) 독특한 구조적 체제

대사작용 metabolic processes 한 생물개체 내에서 일어나는 모든 화학반응과 연관된 에너지의 변환 과정을 총칭하는 것. 이러한 반응들은 보통 대사(metabolism)라는 용어로 사용 됨. 에너지는 일을 할 수 있는 능력, 또는 물질을 이동시키는 능력이다. 생물체가 사용하는 에너지는 복잡한 분자의 화학결합 속에 저장되어 있다. 에너지나 기본 물질을 생명체에 제공하기 위해 사용되는 화학 반응은 정교하게 조절되고 있으며, 순차적으로 일어난다(영양물의 흡수, 영양물의 처리, 노폐물의 제거 단계로 이루어짐).

(2) 생식작용(발생과정) generative processes 한 생명체의 크기가 증가하는 성장(growth)이나 그 생물집단의 개체수가 증가하는 생식(reproduction)의 반응 이다. 성장이 이루어지는 동안에 생물은 그 구조가 추가되고 손상된 부위를 복원하며 남은 영양물질을 저장한다. 성장과 생식은 대사과정과 직접적으로 연관되어 있는데, 이들 두 과정은 적절한 영양물질의 획득과 처리과정이 없다면 둘 다 일어나지 않기 때문.

(3) 반응작용 생물은 자신의 몸 속이나 자신을 둘러싼 환경의 변화에 대하여 의미 있는 방법으로 반응을 나타냄. 반응과정 : 자극감수성(irritability) 개체 적응(individual adaptation) 개체군 적응(population adaptation) 또는 진화(evolution)

(4) 조절작용 (제어과정) control processes 조절작용은 통합과 조절에 의한 제어과정이다. 제어과정은 한 생명체가 적절한 순서(통합)와 적당한 속도(조절)에 따라 모든 대사 활동을 수행하게 해 주는 기전이다. 한 생물 개체의 모든 화학반응은 특별한 경로에 의해 서로 통합되고 연결되어 있다. 이 반응들이 전체적으로 조화를 이룸으로써 생명을 유지하는데 필요한 영양물질들이 순차적으로 조절된다.

생물체에 전형적으로 나타나는 이상의 네 가지 기본적 과정 외에도, 생물체는 몇 가지 기본적 구조의 동질성을 공유 모든 생물체는 복합적인 구조를 이루고 있다. 구조의 단위 : 세포(cell) 생물 : 단세포생물(세균, 효모, 아메바) 다세포생물(식물, 동물)

인간과 같은 생명체는 생물(개체 organism)이라고 불리는 독립적인 기능 단위를 만들기 위해 상호작용 하는, 특수한 능력을 가진 수 조개의 세포들로 이루어져 있다. 인간과 같은 대형의 다세포생물에서 세포들은 서로 협동하여 조직(tissues)이라고 불리는 단위로 조합된다. 조직이라는 집단은 기관(organ)이라는 보다 큰 단위로 조합되며, 순차적으로 기관은 기관계를 형성하게 된다. 세포<조직(근조직)<기관(심장)<기관계(순환계)<개체(몸)

세포 구성물질의 기능 핵 : 인과 염색질이 들어있으며, 유전역할과 관계(DNA합성) 소포체 : 망상구조, 선택적 투과성으로 막내부로의 물질의 출입을 제한. 리보소옴 ; 세포 속의 단백질 합성의 중심, 모든 조직세포의 생활에 꼭 필요. 미토콘드리아 : 세포호흡에 관여하는 에너지 생산(세포의 발전소) 골기체 : 세포 속에서 물질의 운반역할 라이소솜 : 세포 밖으로부터 취한 물질이나 노폐물질을 소화 분해. 색소체 : 엽록체, 잡색체, 백색체(엽록체 : 광합성) 세포막 : 세포의 안과 밖으로 물질의 출입조절

20장. 동물의 구조와 기능의 통합

서론 강모의 끝에 있는 둥근 주걱모양의 구조 도마뱀붙이 발에 있는 강모(털)의 배열

동물의 구조는 기능에 적합한 형태를 가지고 있다. 동물의 구조는 기능에 적합한 형태를 가지고 있다. 생물의 구조에 관한 학문 : 해부학(anatomy). 기능에 관한 학문 : 생리학(physiology) => 서로 다른 접근에도 불구하고 모두 구조와 기능의 상관관계를 연구. 예) 도마뱀붙이의 다리근육, 새의 비행기구(날개 깃털, 날개를 구성하는 근육과 뼈)

그림 20.1

2. 동물의 구조는 단계별로 조직되어 있다. 세포(cell) 단계 조직(tissue) 단계 기관(organ) 단계 기관계(organ system) 단계 개체(organism) 단계

그림 20.2

3. 조직은 공통적인 구조와 기능을 가진 세포집단이다. 3. 조직은 공통적인 구조와 기능을 가진 세포집단이다. 모든 동물에서 대부분의 조직은 세포로 구성되어 있다. 조직을 구성하는 세포들은 특수화되어 있는데, 특수한 임무 수행이 가능하도록 독특한 구조를 가지고 있다. 조직(tissue)은 라틴어로 ‘ 엮어 만들다’라는 뜻이며, 일부 조직은 생명력이 없는 섬유소 그물망과 세포주위를 둘러싸고 있는 세포외 물질로 구성되어 있어 직물을 짜놓은 듯한 모양을 하고 있다.(상피조직, 결합조직, 근육조직, 신경조직)

4. 상피조직은 체표면이나 기관내벽을 둘러싸고 있다. 4. 상피조직은 체표면이나 기관내벽을 둘러싸고 있다. 상피조직(epithelial tissue) 혹은 상피(epithelium)는 체표면이나 기관과 강 내벽을 싸고 있는 얇은 세포층이다. 상피조직의 한쪽면은 섬유성 단백질과 견고한 다당류로 구성된 바닥막(기저막, basement membrane)에 연결되어 있으며, 반대편인 자유면(free surface)은 기관의 바깥층, 관이나 통로의 안쪽과 맞닿아 있다. 상피조직의 세포와 바닥막은 촘촘하게 짜여 방어벽을 구성하거나, 다른 쪽의 액체나 공기를 교환하는 표면을 만든다. 세포층의 수에 따른 분류 : 단층상피(simple epithelium), 중층상피(stratified epithelium) 세포의 모양에 따른 분류 : 편평(squamous)상피, 입방(cuboidal) 상피, 원주(columnar)상피.

그림 20.4

단층편평상피 : 매우 얇고 물질이 새어 나오기가 쉬어 확산에 의한 물질교환에 적합한 조직(혈관의 내피나 허파꽈리를 싸고 있는 상피). 중층편평상피 : 바닥막 근처의 세포들이 분열함으로써 빠르게 재생되며, 노화된 세포가 떨어져나감에 따라 분열된 세포가 위쪽으로 이동(식도와 같이 마모되기 쉬운 기관의 벽) 샘상피(glandularepithelium) : 여러가지 화학물질을 생산하고 분비하도록 특수화된 상피조직(다양한 샘과 점막형성) 예) 점막(mucous membrane) : 표면을 부드럽고 습기 있게 해주는 점액(mucus)을 분비. 기도의 점막 : 점막에 붙어있는 섬모의 운동으로 먼지,꽃가루, 분비물 속의 여러 입자를 기도 밖으로 밀어내 허파를 깨끗하게 유지.

5. 결합조직은 다른 조직에 결합해서 지지하는 역할을 한다 5. 결합조직은 다른 조직에 결합해서 지지하는 역할을 한다 결합조직(connective tissue) : 세포외 바탕질(세포외기질, extracellular matrix)에 듬성듬성 퍼져 있는 세포들로 구성. - 종류 - 성긴 결합조직(loose connective tissue) 섬유성 결합조직(fibrous connective tissue) 지방조직(adipose tissue) 물렁뼈(cartilage) 뼈(bone) 혈액(blood)

그림 20.5

6. 근육조직은 움직임에 관여한다 근육조직(muscle tissue)은 근육섬유라고 부르는 긴 세포다발로 이루어져 있으며 동물에서 가장 많은 조직이다. 척추동물은 3가지 형태의 근육조직으로 이루어져 있다. 뼈대근육(skeletal muscle) 심장근육(cardiac muscle) 민무늬근육(smooth muscle)

그림 20.6

골격근(skeletal muscle) : 수의근으로 중추신경계의 조절을 받는다 심근(cardiac muscle) : 심장을 구성하는 근육. 골격근처럼 빠르게 수축할 수 있지만 신경계의 자극이 필요 없다. 그러나 신경 자극은 심장의 수축 속도를 빠르게 또는 느리게 할 수 있다. 평활근(smooth muscle) : 소화관, 혈관, 생식기관 같은 근육성 내부기관의 벽을 형성. 신장(stretched)에 대한 반응으로 수축하는 성질이 있으며, 불수의근으로 신경계로 직접 정보를 받지 않더라도 스스로 수축할 수 있다.

7. 신경조직은 전달 체계망을 형성한다. 신경조직(nervous tissue)은 자극을 느끼고, 몸의 한 부분에서 다른 부분으로 정보를 빠르게 전달. 기본단위 : 뉴런(neuron) = 특수화된 신경세포(nerve cell). 뉴런의 구조 : 핵을 내포하는 세포체(soma 또는 cell body) 와 하나의 신경섬유인 길다란 원형질성 돌기 몇 개로 구성. 신경섬유 : 축색돌기(axon)-정보를 세포체로부터 멀리 전달 수상돌기(dendrite)-정보를 세포체 쪽으로 전달 신경세포 : 축색돌기 하나에 수상돌기 여러 개의 구조를 가진다.

뉴런의 구조

그림 20.7

8. 의학적 목적으로 인조조직이 이용 되고 있다. 조직의 성장과 발달을 이해함으로서 이전에는 복구가 불가능했던 조직을 치료하는 새로운 방법을 개발 예) 인조피부(더머그라프트)

9. 조직이 특이하게 배열하여 기관을 형성한다. 해면동물과 몇몇 자포동물을 제외한 모든 동물은 조직들이 특수한 기능을 담당하도록 배열하여 기관(organ)을 형성한다. 예) 심장 : 상피조직, 결합조직, 신경조직 등 분포 작은 창자 : 조직이 여러 층으로 배열. 기관은 조직에 비해 더 고도화된 구조를 지니며 기관을 구성하는 조직들이 단독으로는 할 수 없는 기능들을 수행한다. 기관의 기능은 조직의 협동작용으로 이루어지는데 협동작용은 동물 구조의 모든 단계에서 나타나는 기본적인 특징이다.

그림 20.9

10. 기관계는 협동하여 몸의 기능을 수행한다. 특수화된 세포들이 조직을 생성하고 여러 종류의 조직들이 기관을 형성하듯이, 다양한 기관들로 이루어진 기관계(organ system)가 몸의 주요 기능을 담당. 척추동물에는 12가지의 중요한 기관계가 있으며, 상호의존적이며 기능을 원활히 수행하는 생물체가 되기 위해 서로 협동한다.

그림 20.10A 소화계 입 식도 간 위 작은창자 큰창자 항문 그림 20.10A 사람 기관계의 기능

그림 20.10B 호흡계 코속공간 후두 기관 기관지 허파 그림 20.10B 사람 기관계의 기능

그림 20.10C 순환계 심장 혈관 그림 20.10C 사람 기관계의 기능

순 환 순환계는 몇 개의 기본적인 부분으로 구성. 심장, 동맥, 모세혈관, 정맥 1) 심장(heart) : 유동성의 혈액을 신체의 한 부분에서 다른 곳으로 보내는 힘, 즉 펌프(pump) 작용을 한다. 2) 동맥(arteries) : 심장은 기관들에게 혈액을 공급하는 동맥으로 혈액을 펌프질 함. 3) 모세혈관(capillaries) : 혈액은 점차 가는 동맥을 지나 매우 작은 혈관으로 흐르게 됨(모세혈관 벽을 통해 조직과 혈액 사이에 물질의 교환이 일어남). 4) 정맥(veins) : 모세혈관을 지난 혈액은 정맥으로 들어가고 이들은 더 굵은 정맥으로 합쳐져, 혈액을 조직으로부터 심장으로 돌려준다.

그림 20.10D~E 면역계 림프계 뼈속질 가슴샘 지라 림프절 림프관 그림 20.10D~E 사람 기관계의 기능

그림 20.10F 배설계 콩팥 요관 방광 요도 그림 20.10F 사람 기관계의 기능

그림 20.10G 내분비계 뇌하수체 갑상샘 가슴샘 부신 이자 정소(남자) 난소(여자) 그림 20.10G 사람 기관계의 기능

그림 20.10H 신경계 뇌 감각기관 척수 신경 그림 20.10H 사람 기관계의 기능

신경계(nervous system) : 신체 구석구석에 정보를 전달시키는 섬유성 돌기를 가진 세포들의 망(network)으로 구성. 내분비계(endocrine system) : 다수의 선으로 구성되어 있어서, 서로서로 연락할 뿐만 아니라 생물 구석구석에 산재되어 있는 화학물질을 통하여 다른 조직과도 연락. 신경계와 내분비계 : 항상성을 유지하기 위하여 필수적으로 자극을 통합하여 적절한 반응으로 유도.

호르몬 에피네프린(epinephrine) , 노르에피네프린(norepinephrine) : 신장 근처에 위치한 부신 수질에서 분비되는 호르몬으로 분비되면 개체의 행동이 빠르게 변한다. 심장박동 증가, 혈압 상승, 혈액이 근육으로 모임, 호흡이 가파르게 됨, 항이뇨호르몬(antidiuretic hormone, ADH) : 뇌의 기부에 있는 뇌하수체 후엽에서 분비되며, 개체의 행동을 느리게 작용함. 신체에서 신장을 통해 수분이 소실되는 속도를 조절. 인슐린(insuline) : 위 근처에 위치한 췌장에서 생성되어 근육, 간, 지방세포들을 자극하여 혈액으로부터 당을 흡수하게 함. (탄수화물 섭취 후 당 수준 상승 -> 인슐린 증가 -> 세포들의 당분 흡수 -> 당 수준 떨어짐)

성장자극호르몬(growth-stimulating hormone, GSH) : 뇌하수체 전엽에서 생성되어 인간을 성장하게 함. 성적으로 성숙한 후에 성장자극호르몬의 양은 일반적으로 매우 낮은 수준으로 떨어져 신체 성장이 멈춤. 테스토스테론(testosterone) : 남성의 정소에서 생성되는 남성 성호르몬. 남성 생식 기관을 성장 시켜 남자의 체형으로 변화. 에스트로겐(estrogen) : 여성의 난소에서 생성되는 여성 성호르몬. 여성 생식기관을 발달시켜 여성의 체형으로 변화.

신경계 : 중추신경계(central nervous system) 와 말초신경계(peripheral nervous system) 중추신경계 : 뇌와 척수로 구성되어 있으며, 두개골과 척주의 척추로 둘러싸여 있다(감각기관으로부터 정보를 수용하고, 분석하여, 반응을 일으킴). 말초신경계 : 두개골과 척주의 외부에 위치, 길다란 축색돌기 다발과 수상돌기로 구성된 신경(nerve). – 운동신경(motor neuron)과 감각신경(sensory neuron)

그림 20.10I 피부계 머리카락 피부 손톱 그림 20.10I 사람 기관계의 기능

그림 20.10J 뼈대계(골격계 물렁뼈 뼈 그림 20.10J 사람 기관계의 기능

그림 20.10K 근육계 뼈대근육 그림 20.10K 사람 기관계의 기능

그림 20.10L 생식계 남자 여자 전립샘 자궁관 정관 요도 난소 음경 자궁 정소 질 그림 20.10L 사람 기관계의 기능

내분비계에서 분비되는 호르몬은 성장을 조절. 성장자극호르몬(GSH) : 수년 동안 생성되어 신체를 구성하는 대부분 구조들의 크기를 증가. 어린 시절에 상당히 많이 꾸준한 성장을 일으키다가, 어른이 되면 호르몬의 수준이 떨어져 성장이 멈춤. 사춘기에 생성되는 테스토스테론은 뼈와 근육의 성장에 영향을 주어, 남자가 여자 보다 더 크고 더 근육질 신체로 되게 하며, 음경과 후두가 성장하고, 수염과 체모도 자람. 여성호르몬인 에스트로겐은 생식기관을 성장시키고 가슴조직을 발달시키며, 다른 호르몬과 함께 주기적인 자궁 내막의 성장과 탈락에도 관련.

11. 새로운 영상기술로 신체의 내부를 밝힐 수 있다 X 선 : 고에너지 방사능으로서 피부, 신경이나 근육과 같이 연한 조직을 쉽게 통과하므로 뼈나 충치를 검사하는데 사용. CT : X선 방법인 컴퓨터단층촬영법으로 신체를 얇은 층으로 나누어 연속촬영으로 영상을 만들어내는 방법 MRI : X 선이나 다른 고에너지를 사용하지 않고 대신 물을 구성하는 수소원자를 이용. 모든 연조직은 물을 많이 함유하고 있어 MRI로 잘 볼 수있는 특성 때문에 뼈로 둘러싸인 신경조직에 있는 문제점을 발견하는데 유용. MRM : 자기공명현미경은 더욱 강력한 형태의 MRI로서 매우 작은 구조를 3차원적인 상으로 재구성하여 볼수 있다. PET : 양전자단층촬영법은 신체특정 부위의 대사과정에 대한 정보를 알아낼 수 있는 기술이다.

그림 20.11A

그림 20.11B

그림 20.11C

그림 20.11D

12. 동물의 구조는 동물과 환경의 교환이 잘 이루어지도록 적응되어 있다. 12. 동물의 구조는 동물과 환경의 교환이 잘 이루어지도록 적응되어 있다. 환경과 물질교환을 할 수 없다면 동물은 생존하지 못하며, 이러한 교환은 세포수준에서도 유지되어야 한다. 산소와 영양분은 세포 안으로 들어가야 하고 이산화탄소와 대사노폐물은 밖으로 배출되어야 한다. 예) 히드라, 고래

그림 20.12A

세포가 성장함에 따라 부피가 커지게 되면 이에 따라 대사량도 증가 됨. – 세포와 주위환경 사이에 교환되는 물질의 양도 증가. 세포의 크기는 제한되어 있음. 제한요소 : 세포막의 강도. 세포의 표면적, 표면적 대 부피의 비(surface-area-to-volume ratio, SA/V). 표면적 대 부피의 비(surface-area-to-volume ratio, SA/V) : 부피의 증가는 표면적의 증가보다 빠른 것을 알 수 있으며, 세포 내외로의 물질수송능력은 세포표면적에 의해 결정되는 반면 세포의 대사요구량은 세포부피에 의해 결정. 커다란 세포 일수록 그 대사요구량을 만족시키기 어렵다. 그러므로 표면적을 늘리기 위해 고도로 접혀진 세포막을 통해 표면적을 충분히 증가시킨다. 미세융모 (microvilli) : 소장 내벽을 형성하는 세포 또는 많은 량의 영양 물질을 수송하는 세포

물질수송을 제한하는 세포막의 표면적 문제 이외에도 큰 세포들은 확산의 문제점을 갖는다. 확산 : 짧은 거리에서는 매우 빠르지만 먼 거리에서는 매우 늦다. 확산 과 표면적 대 부피비율에 의한 제한 때문에 생명의 기초단위인 세포는 작은 크기로 유지. 단세포생물 : 크기가 작아서 세포막을 통해 분자교환을 함. 다세포생물 : 물질의 교환과 수송을 맡을 여러 상호연관 된 체계를 지니고 있기 때문에 각 세포가 대사적 요구를 충족 함.

물질의 교환은 표면적에 의해 제한되므로 모든 기관계는 필요한 물질교환을 위한 넓은 표면적을 제공하기 위해 특별한 형태가 필요. 대부분의 동물들은 외부 환경과 물질교환을 하기 위해 체표면 대신 특수한 표면 구조를 이용. 복잡한 몸의 구조를 가진 동물의 4가지 기관계 : 순환계, 소화계, 배설계, 호흡계 순환계 : 펌프역할을 하는 심장과 인체의 모든 부분에 혈액을 공급하는 혈관으로 구성. 호흡계 : 폐와 폐 안으로 공기를 출입시키는 폐와 연결된 관들로 구성. 소화계 : 음식물을 분해하는데 관여. 배설계 : 우리 몸의 여과체제.

그림 20.12B

13. 동물은 내부 환경을 조절할 수 있다. Claude Bernard : 동물에서 두 가지 환경, 즉 동물을 둘러싼 외부 환경과 세포들이 실제로 살고 있는 내부 환경이 중요하다는 것을 알게 됨 : 항상성(homeostasis)원리 척추동물의 내부환경은 세포 주위의 공간을 채우고 있는 세포사이액(간질액)이며, 동물들의 대다수는 내부 환경을 비교적 일정한 상태로 유지할 수 있다. 우리의 몸은 체액의 염과 물이 균형을 이루도록 하며, 체액 또한 37℃ 정도로 유지할 수 있다.

그림 20.13A

항상성(homeostasis)원리 신체는 늘 일정한 수준의 산소, 이산화탄소, 포도당을 혈액 속에 유지하게 하며, 혈액의 pH 와 체온을 일정하게 유지 (몸의 다양한 기관계의 작동상태를 추적하여 변형함으로써 일정한 내부환경을 유지하는 과정.) 동물의 외부환경은 크게 변하지만 동물의 내부 환경은 내부 환경을 조절하는 항상성 기작 때문에 거의 변동이 없게 된다. 항상성이란 역동적인 상태로서 내부 환경을 변화시키려는 외부의 힘과 이러한 변화에 대항하는 내부 조절 기작 사이의 상호작용을 말한다. 동물의 항상성 조절계는 생명체의 대사 과정이 일어날 수 있는 일정한 범위 안에서 내부 조건을 유지한다.

그림 20.13B

14. 항상성은 음성되먹임에 의해 조절된다. 음성되먹임(negative feedback) : 어떤 변화가 같은 방향으로 계속 발생했을 때 그 변화를 억제하기 위한 조절 기작을 작동시키는 것. 예) 자동온도조절기 설정온도 이하로 온도가 떨어지는 자극(stimulus)을 받아들이는 이 감지기 : 수용기(receptor) 반응(열, response)을 발생시키는 난방기 : 효과기(effector) 수용기로부터 받은 정보를 진행시켜 반응을 나타냄. 조절기: 조절중추(control center) 동물의 경우 조절중추는 대부분 뇌에 위치해 있다.

그림 20.14

내분비계의 선들은 서로 상호 작용하여 호르몬의 생산을 조절. 음성 되먹임 조절작용(negative feedback control) : 한 호르몬의 양이 증가하면 연쇄적으로 다른 호르몬의 생산을 방해. 갑상성자극호르몬(thyroid-stimulating hormone, TSH)의 생산 증가하면 뇌하수체는 티록신 (thyroxine) 과 트리요오드티로닌 (triiodothyronine) 생산 자극 -> 생산된 호르몬의 양 조절 됨 -> 갑상선자극 호르몬의 생산이 줄어들어 갑상선 호르몬의 수준이 감소.