원자와 영양물질 순환

제3장 원자와 영양물질 순환

영양물질이 무엇인가와 그들이 환경과 생물체 사이에서 어떻게 순환되고 있는가를 3장에서 다룬다.

3.1 무생물환경내의 원자와 결합

3.1.1. 원자, 원소, 화합물

  모든 물질들은 원자라 부르는 기본적인 입자로 구성되어 있다. 세상에는 100여개 이상의 원자의 종류가 있다. 원자는 매우 작으며 안정하다.

  같은 종류의 원자로 이루어진 물질은 원소(element)라 하고 2-3종류의 원자로 이루어진 물질을 화합물(compound)라한다.

3.1.2. 원자와 결합

1) 원자의 구조

  한 원자는 중심부에 1개 이상의 양성자와 수소를 제외하고는 1개 이상의 중성자를 가지고 있다. 핵 주위에는 전자라는 입자들이 있다. 양성자는 양저하를 가지고 있고 전자는 음전하를 가지고 있으며 중성자는 아무런 전기적 성질이 없다.

2) 원자의 결합

  원자의 결합은 인접해있는 원자중의 전자들간의 상호작용으로부터 일어난다. 결합에는 공유결합과 이온결합이 있다.

가) 공유결합

  공유결합에서는 인접원자들 간에 전자를 공유한다.

(1) 물: 물은 산소원자와 수소원자들의 공유결합 생성물이다. 두개의 수소원자는 1개의 산소원자와 결합되어 있다. 그러므로 두개의 수소원자와 한개의 산소원자의 별개의 단위체가 형성된다. 2개 이상의 원자들이 별도로 결합된 것을 분자라고 한다. 원자들이 결합하였을 때 그들의 화학적, 물리적 특성은 순수상태의 원소들과는 현저히 다르다. 분자의 수소가 있는 쪽 끝에는 약간 음전하를 띄는 산소가 있는 쪽과 비교해볼 때 약간 양전하를 띈다. 한 분자의 양쪽 끝 사이의 전기적 성질의 차이는 극성이라 부른다. 서로 다른 전기적 성질은 서로 당기므로 이러한 극성은 물분자간의 끌어당기는 역할을 한다. 냉각, 증발, 응축 등 물리적 관점에서도 분자 그 자체는 변화하지 않고 분명한 물분자의 구조 H2O를 유지한다. 변하는 것은 물분자들 간의 상대적인 끌어당기는 힘이다.

(2) 공기: 공기는 여러 가지 기체의 혼합물이다. 산소는 공기중의 1/5, 질소는 약 4/5를 차지하며 공기의 아주 작은 부분을 탄산가스가 차지한다. 공기중의 모든 분자들은 서로 임의적으로 섞어서 움직이고 있다. 따라서 개별 분자들은 자유로운 이동 특성을 가지며 통상의 온도와 압력 아래서 액상이나 고상과는 달리 기체상태로 공기가 존재하게 된다.

나) 이온결합

대부분의 원자들과 많은 공유 결합된 원자들은 1개 이상의 전자를 얻거나 잃어버리는 경향이 있어서 양 또는 음전하를 띄게 된다. 양 또는 음의 전하를 띄는 원자와 원자그룹을 이온이라 부른다. 서로 다른 전하끼리 끌어당김으로써 이온들이 결합하는 것을 이온결합이라한다. 자연적으로 양이온과 음이언은 수많은 방법으로 조합을 이루고 함께 모아져서 바위와 무기 토양입자들을 생산해낸다.

3.1.3 용액

물질간의 수많은 상호작용이 있는데 특히 중요한 것은 용매로 작용하는 물의 능력이다. 극성을 가진 물분자가 그의 극성으로 인하여 주위의 이온들을 끌어당겨 이온들을 한곳에 모은다. 이것은 이온들 사이의 끌어당기는 힘을 약화시키고 이온들은 결정체 표면을 떠나 물분자들에 의하여 부유하게 된다. 한 화합물의 용해성 즉 얼마나 쉽게 화합물이 물에 녹느냐 하는 것은 이온과 이온사이의 끌어당기는 힘과 이온과 물 사이의 끌어당기는 힘의 상대성에 따른다.

3.1.4 화학반응

각각의 원자는 개별적 특성을 유지하지만 원자간의 결합은 변한다. 모든 화학작용은 최종적으로 분석해보면 원자들이 각기 결합한 방법의 단순한 변환이다. 반응되어지는 반응물질과 반응으로부터 생성되는 생산물 사이에는 잠재적인 에너지의 차이가 있다. 에너지를 방출하는 과정은 자연발생적으로 일어난다. 그러나 화학작용은 에너지가 그 체계내로 들어오면 꺼꾸로 일어날 수 있다. 이러한 에너지 개념은 생태계내 에너지 흐름과 연관된다.

3.1.5. 산과 염기

산소와 수소원자가 참여하는 화학작용의 다른 범주는 산과 염기에 관한 사항이다. 한용액의 상대적인 산성 혹은 염기성은 다른 화합물과 뷴자들의 용해성에 상당한 영향을 미치고 또한 살아있는 생물체에 직접적 영향을 주므로 매우 중요하다. 산의 특성은 용액중에 수소이온, 염기성 혹은 알카리의특성은 용액중에 수산이온의 결과이다. 수소이온이 많으면 그 용액은 상성을 띄고 수산이온이 많으면 용액은 염기성이 된다. 산과 염기가 결합하면 물을 형성한다.

3.2 생물체내의 원자와 결합

3.2.1 체조직의 체계

생물체들은 여러 단계의 조직을 가지고 있어서 복잡한 생물체를 구성한다. 세포는 세포분열을 통하여 성장하고 재생산되는 기본적인 기능단위이다. 세포는 수많은 세포소기관을 가지고 있어 특별한 기능을 수행하고 있다. 살아있는 생물체는 원자들이 분자내에 종합되고 차례로 더욱 복잡한 구조로 종합되어 있는 조직이다. 생명체의 화학작용은 원자간의 재조정을 말한다.

3.2.2 생물체내의 거대분자와 역할

생물체의 세포들은 공유결합원자들이 수천 또는 수백 만개씩 존재하는 거대한 분자로 구성되어 있다. 이렇게 기관의 구조를 형성하는 거대한 분자를 거대분자라 부른다. 이들은 단백질, 탄수화물, 지방질 및 핵산의 4종류의 거대분자로 대별된다.

1) 단백질

  모든 동물조직의 세포는 거의 다 단백질로 구성되어 있다. 단백질은 모든 세포들의 화학적 기능에 필수적이 역할을 하고 있다. 효소와 인슐린 호르몬 등도 단백질이다.

2) 탄수화물

녹말, 설탕 등 탄수화물은 식물과 동물의 에너지 저장 및 방출의 필수요소이다. 이 외에 식물의 구조는 셀루로즈라 부르는 탄수화무렝 상당히 의존하고 있다.

3) 지방질

지방질은 유지와 기타 유사화합물이다. 유지는 모든 생물체내에서 에너지의 저장과 방출에 중요한 역할을 한다. 인지질은 원형질 구조에 중요한 요소이다.

4) 핵산

핵산은 유전정보의 저장과 변환기능을 하는 거대분자들이다. 유전성분자인 DNA(디옥시리보뉴크레익에시드)는 핵산이다.

3.2.3 거대분자의 일반구조

거대분자들은 모두 공유 결합한 탄소원자들로 구성된 기본골격을 갖고 있다. 탄소화물은 수소와 산소원자가 산소 1개당 수소 2개 배율로 탄소고리에 결합되어 있다. 단백질은 기본적으로 탄소, 수소 및 산소원자 외에 상당수의 질소원자로 구성되며 핵산은 탄소, 수소, 산소 및 질소 외에 인을 함유한다. 거대분자들의 다른 특징은 수많은 작은 분자들 여러개가 연결되어 고리형태를 이루는 것이다. 녹말과 셀루로스는 포도당이 서로 연결된 것이다. 단백질은 아미노산분자들의 결합니다. 핵산은 뉴크레오티드라는 네 종류의 구성체가 상이한 배열을 이루어 구성되는 것이다.

3.2.4 성장과 물질대사

생물체 대부분이 단백질, 탄수화물, 지방질 및  핵산으로 구성되어 있어 성장, 보완 그리고 재생산을 위해서는 이러한 분자들의 꾸준한 생산이 요구된다. 생물체의 임무는 이용 가능한 여러 가지 영양분으로부터 이들 분자들을 생산하는 것이다. 생물체내에서 유기분자를 생산하고 분해하는데 일어나는 모든 화학작용을 물질대사라 부른다.

3.2.5 천연 및 합성유기분자

유기성은 생물체 혹은 생물체로부터의 뜻이다. 그러므로 지방질, 탄수화물, 단백질, 핵산 등은 유기분자다. 즉 공유결합의 탄소원자들을 기본구조로 한 분자들은 유기분자이다. 천연유기분자들은 생물체에 의하여 만들어진 것이고 합성유기분자들은 화학자에 의하여 만들어진 것이다.

3.3 원소, 식물영양물질 및 식물성장

3.3.1 필수원소와 영양물질

1) 필수원소

유기분자의 주요 종류는 탄소, 수소, 산소, 질소, 인 및 유황의 여섯 가지 원소들로 구성된다. 이들 분자들은 식물이 유기분자를 만드는데 필수적인 것이다. 100여가지 원소 중 단지 17종의 원소가 대부분 식물의 성장에 필요하다. 이중 9종은 상대적으로 다량 필요하고 7종은 극소량이 필요한 미량원소이다.

2) 식물영양물질

식물영양물질이란 식물이 취하여 사용할 수 있는 분자 또는 이온형태의 필수원소이다. 필수원소와 식물영양물질 사이에는 분명한 차이가 있다. 식물은 상이한 분자와 화합물을 흡수하거나 사용하는데 제한된 능력을 가지고 있다. 주어진 분자 혹은 화합물은 이 필수원소를 함유하였어도 식물이 그것을 흡수하거나 사용할 수 없으면 그 물질은 영양물질로 고려될 수 없다.

식물의 기타 필수 요소들은 토양 광물질에 이온으로써 존재하며 그 공급원으로부터 식물에 흡수된다.

3) 질소와 질소순환

질소가스는 대부분의 식물에서 이용할 수 없는 분자형태로 나타나는 필수원소이다. 질소는 흡수 이용되기 전에 질산이온이나 암모늄이온 형태로 있어야한다. N2형태의 질소원자를 NH3로 재결합시키는 관정을 질소고정작용이라 하며 이러한 과정을 행할 수 있는 박테리아와 청녹조류는 질소고정생물체 혹은 질소고정자라 한다. 암모니아는 질화박테리아라고 알려진 토양박테리아에 의하여 사용되어 질산이온으로 바뀐다. 이 과정은 질화작용이라 한다. 암석이나 토양광물에는 질소가 거의 없으므로 대부분의 육상생태계는 유용질소의 공급원으로 콩과식물의 질소고정박테리아 그리고 질화작용에 의존한다.

4) 인순환

인산은 식물의 뿌리에 의하여 수용액을 통하여 토양 중 관물지로부터 흡수되고 식물에 의하여 여러가지 유기화합물로 변환된다. 유기화합물 내에 있는 인산은 흔히 유기인산으로 불린다. 유기인산은 식물로부터 동물의 먹이로써 이송되어 새울체의 세포내 호흡관정에서 산화되면서 무기인산으로 변하고 이는 폐기물로 동물체로 부터 방출되어 환경에 재진입하게 되며 그 순환이 계속된다. 인산의  순환에는 기체상태가 없어 숙계에 축적되고 적은 수만이 순환된다.

3.3.2 유기분자내 무기영양물질

1) 광합성작용: 포도당 생산

  광합성 작용은 빛에너지를 사용하여 탄산가스와 물로부터 포도당을 생산하는 것이다. 산소는 이때 부산물로 나온다.

  화학적 공식은 다음과 같다.

                                ↓빛

                   6CO2 + 6H2O  →   C6H12O6 + 6O2

  광합성공식은 광합성의 전체작용을 나타내주는 것일 뿐 실제의 광합성 작용은 작은 단게별 작용의 복잡한 연속과정으로 이루어진다. 엽록체는 태양에너지에 의해 포도당을 만들어 낸다. 태양에너지의 수용테인 엽록소분자는 빛에너지를 흡수하고 빛에너지는 효소를 사용하는 힘을 공급하고 효소는 이산화탄소와 물로부터 포도당을 만든다. 산소는 이과정의 부산물이다.

2) 다른 유기분자와 포도당

광합성의 제1차 산물인 포도당은 식물이 다른 유기분자를 생산하는데 이용된다.

가) 셀루로즈와 세포벽

 세포벽을 위한 셀루로즈는 포도당 분자들을 긴고리로 연결시킴으로써 만들어진다. 세포벽은 나무와 기타 식물조직의 기본적 구조를 이룬다.

나) 단백질

단백질은 아미노산을 긴 고리로 연결시킴으로써 만들어진다. 아무노산은 약 20개의 종류가 있는데 그들을 여러가지 모양으로 연결시킴으로써 상이한 단백질을 만들 수 있다.

다) 핵산

아미노산, 당분과 그리고 인이온이 결합하여 핵산구조체를 이루고 핵산구조체는 사슬을 이루어 핵산이 된다.

라) 지방질

지방질의 특성인 긴 탄화수소고리 역시 포도당분자로부터 얻을 수 있다. 두개의 탄ㄴ소원자를 함유한 부분은 포도당으로부터 얻어져서 긴고리로 결합된다. 이 과정에서 포도당분자의 수산기는 제거되고 수소원자가 첨가된다. 탄화수소의 연결자 또한 포도당 분자로부터 얻어진다.

3) 에너지와 세포호흡

  빛으로 에너지를 이용할 수 없을때 에너지는 세포호흡과정을 통하여 포도당으로부터 나온다. 세포호흡의 전체과정은 광합성작용의 반대이다.

                     C6H12O6 + 6O2 →  6CO2 + 6H2O

                                     ↓ 에너지

4) 포도당의 저장과 사용

  성장을 위해서는 원료물질과 에너지의 공급원이 필요하며 포도당은 이들의 공급원이다. 성장기동안 식물은 많은 량의 포도당을 씨, 구근, 덩이줄기와 다른 조직체에 저장한다. 포도당을 지방질로 바꾸는 것은 적은 공간에 더 많은 양의 에너지를 저장하는 방법이다.

5) 식물의 대사작용의 요약

식물의 대사작용은 다섯 개의 범주로 나뉜다.

첫째, 광합성과정은 빛에너지를 사용하여 이산화탄소와 물로 포도당을 만든다. 둘째, 포도당분자의 일부는 서로 연결되어 셀루로즈를 만든다.

셋째, 일부 포도당분자는 단백질, 핵산, 지방질 및 기타 유기분자가 된다.

넷째, 약간의 포도당은 호흡을 통해 분해되어 에너지를 방출한다.

다섯째, 식물은 포도당을 저장하여 미래의 성장에 필요한 에너지를 공급한다.

3.3.3. 제한인자, 최적조건, 내성의 정도

식물성장에 필요한 인자가 부족할 때 이것은 제한인자가 된다. 어느 성장인자의 경우 적당한 중용상태가 있게되어 식물이 최대성장을 이루는데 이를 최적 조건이라한다. 식물은 최적조건의 상하 어느 정도까지 즉 내성의 정도 안에서는 성장할 수 있고 그 한계를 초과하면 죽는 내성의 한계가 있다.

1) 온도

온도는 광합성과 호흡에 모두 영향을 미치고 있고 성장의 정도는 광합성과 호흡의 균형여부에 달려있다.

2) 미량원소

17가지 필수 원소 중 어느 요소 한 두개가 부족하여도 생장은 제한된다.

3) 물

광합성의 원료로 물은 사용된다. 증산에 의해 손실되기도 하기 때문에  많이 필요하다.

4) 빛

햇빛은 통상적으로 광합성에 충분하나 응달에서는 제한요인이 되기도 한다.

5) 수소이온농도

대부분의 식물은 수소이온농도 6내지 7에서 잘자란다.

6) 공간

식물이 밀착되어 있으면 성장을 방해하고 넒은 공간을 갖게되면 영양물질과 빛이 효과적으로 사용되지 못한다.

3.4 식물에서 동물로 그리고 환경으로의 회귀

3.4.1 필요식품

  녹색식물의 영양적필요는 식물이 유기분자를 생산하고 물질대사기능을 수행하기 위하여 이용하는 무기영양물질에 의해서 결정된다.

1) 성장, 유지 및 조절을 위한 식품

  성장, 유지 및 조절을 위한 영양물질은 정생애를 통하여 공급되어야 한다.

가) 단백질: 주요한 체조직과 효소는 단백질이어서 단백질의 공급이 매일매일 필요하다.

나) 비타민: 조효소의 기능을 가진 비타민은 체내에서 합성할 수 없고 매우 적은 양이 필요한 유기분자이다.

다) 미량원소

  종속영양생물도 식물과는 다른 기능을 위해 필요하지만 광물질을 필요로 한다.

2) 에너지용 식품

  에너지의 공급이 없으면 성장, 유지관리 및 조절이 일어날 수 없는데 종속영양생물은 에너지를 유기부자를 분해함으로 얻는다. 에너지를 공급하기 위하여 유기분자를 분해하는 것은 세포호흡과정을 통하여 일어난다.

                C6H12O6 + 6O2 →  6CO2 + 6H2O + 에너지

3.4.2 영양물질 순환의 완성

  영양물질 순환의 생태학적 연구는 각 요소를 분리하고 한 개 이상의 생물체를 통하여 환경내 영양물질의 통로를 추적하는 것이다. 탄소순환, 인산순환, 질소순환 등이 육상생태계와 수생태계에서 나타난다.

3.4.3 인간생태계의 불완전순환

  인간은 순환되어야만 하는 원소들을 자연에 거슬려 영양물질의 흐름을 조작하고 있다. 이는 경제적인 이익이 뒷받침되었으나 앞으로 자원이 희귀해지면서 커다란 타격을 받을 것이다.