글로벌 세계 대백과사전/생물II·식물·관찰/생명과 물질/물 질 교 대/화학 에너지의 사용 방법
생물은 계속 날고 있는 헬리콥터와 유사하다. 연료가 떨어지면 추락해 버리지만 비행중에 연료를 공급받으면 양력(揚力)과 추진력을 얻어 추락하지 않는다. 생물 에너지의 사용 방법을 헬리콥터에 비유하여 생각해 보자.
기초 대사와 대사율[편집]
절대 안정시의 대사량, 즉 생명 유지에 필요한 최소한의 에너지량을 기초 대사량이라 한다.
이는 헬리콥터가 양력만으로 같은 위치에 머물러 있는 상태와 같다. 그 에너지를 무게가 1kg인 물체를 1m 운반하는 데 필요한 물리학적 단위(kg·m)로 나타내면 우리 몸의 질소 1g당 하루에 인간은 1, 개는 3.3, 생쥐는 15.5kg·m이다.
이들 항온 동물은 몸의 체적에 비해 열방산이 행해지는 체표 면적이 넓은 동물일수록 많은 에너지를 필요로 한다. 또한 변온 동물은 약 0.6kg·m이다. 따라서 기초 대사 에너지는 체온을 유지하기 위한 열발생에 소비하는 양이 크다는 것을 알 수 있다. 그리고 생태계에서 분해자로서 작용하는 미생물은 기초 대사량이 매우 커서 효모가 40, 세균은 50kg·m이다.
인간의 기초 대사량은 보통 열량 단위로 환산하여 나타낼 수 있다.
몸무게가 50kg인 성인 남자의 기초 대사량은 체형이나 나이에 따라 다르지만 하루에 약 1,200-1,400Cal이다. 일상 생활에서는 일에 의한 에너지량이 더욱 증가하는데, 이는 대사율이라 하여 기초 대사량에 대한 비율로 나타낸다. 독서나 공부는 단위 시간당 0.1-0.2 정도인데, 100m를 전력 질주하면 200이나 된다.
화학 에너지의 해방과 운반[편집]
헬리콥터의 연료는 생물의 유체에서 생긴 석유에서 얻을 수 있다.
이는 탄화 수소를 주성분으로 하여 함유하며, 공기와 섞어 연소시켰을 때 기체의 용적이 팽창하여 생기는 압력이 에너지로 이용된다. 생물 연료 또한 유기물이며, 불꽃을 내지 않는 일종의 '연소'인 호흡에 의해 유기물에서 에너지가 해방된다.
이와 같이 유기물이 다량의 화학 에너지를 가지며, 헬리콥터와 생물체도 그것이 에너지원이 된다는 점은 같지만 그 사용 방법에는 차이가 있다.(1) 생물체 내에서는 화학 반응이 상온(常溫)·상압(常壓)하에서 일어나며, 열기관처럼 기체의 팽창에 의한 압력을 이용하여 일을 하는 것은 아니다. 상온 상압에서 일어나는 화학 반응 에너지는 자유 에너지라고 불린다. 생물체 내의 대사는 유기물의 화학 에너지(ΔΕ) 구조의 질서를 유지하는 데 사용되기 때문에 다른 일에는 이용할 수 없는 에너지(ΔS)에 절대 온도(T)를 곱한 ΔS×T와 화학 반응을 유지함으로써 결국은 열·전기·운동 등 다른 에너지 형태로 이용될 수 있는 자유 에너지(ΔG)와의 합이다.
ΔΕ ＝ΔG+TΔS (2) 연소는 예를 들어, 글루코오스 1분자가 산소에 의해 산화되어 각 6분자의 이산화탄소와 물이 되는 산화 반응으로, 이때 673kcal나 되는 열이 발생한다. 그러나 세포 내 산화에서는 산화가 몇 단계에 걸쳐 조금씩 행해져 결과는 연소와 마찬가지이지만 한결같이 다량의 열을 발생하는 일은 없고, 생성된 에너지는 진행하기 어려운 반응의 추진력으로 쓰인다. 따라서 발생 총량은 연소 경우의 절반 이하가 된다.
생체 내에서 진행하기 어려운 반응이란 예를 들어 아데노신 2인산(ADP)과 인산(P)에서 아데노신 3인산(ATP)을 합성하는 반응이다. 이 반응이 진행하기 어려운 이유는 이 반응에는 다량의 에너지를 필요로 하기 때문이다. 그 때문에 생성된 ATP에는 그만큼 에너지가 함유되게 된다. ATP는 이 에너지의 운반 역할을 하는 것으로, 필요한 장소에 이동하여 ADP와 인산으로 분해하여 그때 방출되는 자유 에너지로 더욱 세포의 임무를 추진한다. ATP는 글루코오스(C6H12O6) 1분자에서 최고 38분자가 나온다는 계산이다.
C6H12O6+6O2+38ADP+38P→6CO2+6H2O+38ATP
생체 산화에서 생성된 자유 에너지의 다른 사용 방법으로 전자 또는 수소마다 운반되어 지방 등의 형태로 저장되는 구조가 있다.
이때 가장 많이 쓰이는 운반 역할은 니코틴아미드아데닌디뉴클레오티드린산(NADP)이라는 물질로, 이것도 ATP와 아주 비슷한 구조를 갖고 있는 화합물이다. 이와 같이 생물은 이들 화학 에너지를 사용하여 물질 생산·운동·발전(發電) 등 다양한 일을 한다.
빛 에너지에서 화학 에너지로[편집]
식물의 클로로필은 빛을 흡수하고 에너지를 가진 전자를 내보낸다. 엽록체에서는 이 전자 에너지에 의해 ADP와 인산에서 ATP가 만들어지고(광인산화), 또 수소 형태로 NADP에서 NADPH가 생성된다.
엽록체에서 일어나는 이 같은 에너지 전환은 헬리콥터가 비행중 급유되는 상태에 해당된다.
전자를 잃은 클로로필은 물에 의해 전자를 보충하며, 이때 만들어지는 수소 이온은 NADPH의 수소 재료가 되고 남은 물의 산소는 버려진다.
온대 식물은 일반적으로 이같이 생성된 ATP와 NADPH를 사용하여 결과적으로 이산화탄소에 수소를 주고(환원), 글루코오스(포도당)를 합성한다.CO2+H2O+3ATP+2NADPH→1/6(C6H12O6)+O2+3ADP+3P+2NADP
글루코오스는 모든 생물의 에너지원이 되는 유기물로서 일반적으로 널리 쓰인다.