세포

벌집을 이루는 무수히 많은 작은 공간들과 핸드폰 기지국에 의해 점유된 지역은, 우리 몸을 구성하고 있는 현미경적 크기의 작은 것과 어떤 공통점을 가지고 있는가? 각각은 큰 시스템 내에서 가장 단순한 기능적인 단위에 해당하며, 각각은 큰 시스템 내에서 가장 단순한 기능적인 단위에 해당하며, 각각을 세포라고 표시한다. 세포는 생물학의 기본 단위로 화학에서의 원자와 같다. 모든 생명체는 세포로 구성되어 있다. 생물의 조직 체계에서 세포는 물질들이 모여서 살아갈 수 있는 가장 단순한 형태이다. 실제로 단세포 생물로 살아가는 다양한 형태의 생명체들이 있다. 식물이나 동물과 같이 좀 더 복잡한 생명체를 다세포 생물이라 하며, 이들의 몸에서는 혼자서는 생존할 수 없는 여러 종류의 특성화된 세포들이 협력하고 있다. 하지만 생명체가 조직이나 기관과 같은 좀 더 복잡한 수준으로 이루어졌다고 하더라도 세포는 그 생명체가 구조를 형성하고 기능을 수행하는 데 기본이 된다. 여러분의 눈은 근육세포의 수축 작용을 통해 글을 읽게 되며, 다음 쪽을 읽으려는 뇌의 결정을 신경세포가 손의 근육세포로 전달하여 종이를 넘기도록 한다. 생명체의 모든 것은 기본적으로 세포 수준에서 이루어진다. 세포는 하나의 소우주이고 세포 수준에서의 생명현상은 구조적인 질서로부터 나타나며, 창발적 특성 및 구조와 기능 사이의 상관관계를 보여준다. 예를 들면 동물세포의 운동은 세포골격을 구성하는 구조들의 복잡한 상호작용으로 나타난다. 생물학에서 다시 부각되고 있는 또 다른 주제는 생명체와 환경의 상호작용이다. 세포는 환경의 끊임없는 변화를 느끼고 반응한다. 진화의 관점에서 볼 때, 모든 세포는 조상 세포로부터의 분열에 의해 만들어졌기 때문에 서로 연관되어 있다. 그러나 그들은 지구상의 생명체들이 오랫동안 진화해오는 동안에 여러 가지 다양한 방법으로 변화해왔다. 세포는 기능이나 형태가 서로 다를 수 있지만 여러 공통적인 특징도 가지고 있다. 우리는 먼저 세포 내부의 구조를 상세하게 이해하는 데 도움을 준 기구와 실험적 접근방법에 대하여 배울 것이다. 그 후에 세포 내부를 자세히 살펴보고, 그들의 구성 요소를 소개할 것이다. 생물학자들은 세포 연구를 위해 현미경과 생화학적 도구를 이용한다. 세포는 너무 작기 때문에 세포가 어느 정도로 복합한 구조를 이루고 있는지 맨눈으로 이해하기는 어렵다. 생물학자들은 어떻게 그 작은 존재의 내부 작용을 연구할 수 있을까? 우리가 세포 내부에 대하여 살펴보기 전에, 어떻게 세포에 대하여 연구하는지를 알아보도록 하자. 과학의 진보는 종종 인간 감각의 한계를 확장할 수 있는 기계의 발명과 함께한다. 1590년에 현미경이 발명되고, 1600년대에 보다 나는 현미경이 나오면서 세포가 발견되었고, 세포에 대한 초기 연구가 진행되었다. 다양한 종류의 현미경들은 지금까지도 세포 연구에 필수적이다. 르네상스 시대 과학자들이 처음 사용한 현미경은 광학현미경(Light microscope, LM)으로 오늘날에도 실험실에서 많이 사용하고 있다. 가시광선이 시료와 유리 렌즈를 차례로 통과한다. 렌즈는 빛을 굴절시켜 시료의 이미지를 확대해 눈으로 관찰하거나, 카메라 필름, 또는 비디오 스크린으로 투사시켜 볼 수 있다. 현미경의 두 가지 중요한 제한요소는 배율과 해상력이다. 현미경에서 배율(magnification)이란 물체의 이미지와 그것의 실제 크기의 비율을 말한다. 해상력(resolution)은 이미지가 또렷하게 보이는 정도를 말한다. 즉, 해상력이란 두 개의 아주 가까운 거리에 떨어져 있는 점이 확실히 두 개의 점으로 분리되어 보이는 최소한의 거리를 의미한다. 예를 들어, 하늘의 별이 맨눈으로는 하나의 별로 보이던 것이 망원경으로 보면 선명하게 두 개의 별로 보이는 경우가 있다. 사람의 눈이 해상력에 한계가 있는 것처럼 망원경이나 현미경의 해상력에도 한계가 있다. 현미경은 우리가 원하는 비율로 사물이 확대되도록 디자인되어 있다. 그러나 광학현미경은 세균의 크기에 해당하는 약 0.2μm(혹은 200nm)보다 작은 것은 잘 볼 수 없다. 이러한 해상력은 시료에 방사하는 빛의 최단파장에 의해 제한된다. 광학현미경은 실제 시료 크기의 약 1,000배 확대까지는 선명하게 보이지만, 그 이상의 배율에서는 이미지가 불명확하게 보인다. 세 번째 중요한 요소는 대비효과(contrast)로 세부적인 부분까지도 더욱 명확하게 볼 수 있도록 하는 것이다. 지난 100년간의 광학현미경에서의 대부분의 발전은 대비효과를 증가시키는 새로운 방법들, 예를 들면 세포의 성분들을 생생하게 보기 위하여 염색 혹은 표지하는 방법을 개발하는 것이었다. 세포벽은 1665년에 후크(Robert Hooke)가 참나무의 나무껍질에서 현미경으로 죽은 세포를 관찰했을 때 처음 발견되었다. 레벤후크(Antoni van Leeuwenhook)는 자신이 만든 좀 나은 현미경을 이용하여 살아 있는 세포를 관찰하였다. 1674년에 후크가 레벤후크를 방문하여 그가 극미동물이라고 불렀던 미생물의 세계를 관찰하였을 때 얼마나 신기했을지 생각해보자. 이러한 초기의 관찰에도 불구하고 세포의 형태는 한동안 규명되지 않고 남아 있었다. 대부분의 세포 고시 관은 막으로 둘러싸여 있는데 매우 작아서 광학현미경으로 볼 수 없다. 1950년대에 세포생물학은 전자현미경(electron microscope, EM)의 등장과 함께 빠르게 발달했다.