<생물이 이용하는 에너지는 어떻게 만들어지는 것일까?>

얼마 전 가족들이 함께 자동차를 타고 할아버지 댁에 가기 위해 강변도로를 달리고 있었다. 물과 풀과 새가 함께 어우러진 강변은 참 아름답고 시원해 보였다. 한참을 밖을 보면서 재잘대며 떠들던 아들 녀석이 갑자기 호기심에 찬 얼굴로 질문을 던졌다. “아빠, 새는 물고기나 곡식을 먹고 사는데 나무는 움직이지도 못하는데 무얼 먹고 살아요?” 처음엔 좀 당황했지만 이내 정신을 차리고 이렇게 대답해 주었다. “자동차는 기름을 넣으면 이것을 태우면서 굴러가는 거 알지? 동물은 입으로 밥이나 고기를 먹어서 여기에서 에너지를 얻고 사는 건데 식물은 밥을 먹는 대신에 햇빛이 비칠 때 엽록체라는 곳에서 밥이나 고기와 같은 영양소를 만들고 이것을 사용하면서 나오는 에너지로 사는 거란다.”

[제시자료 1] 화학 반응에서의 열의 출입

우리 주변의 수많은 물질은 고유한 에너지(엔탈피)를 가지고 있고 화학 반응이 일어날 때 각 물질이 가지는 에너지의 차이만큼 열이 방출되기도 하고 흡수되기도 한다. 그런데 반응물이 생성물로 바뀌는 과정은 단번에 일어나지 않는다. 반응물은 열을 흡수하여 자기가 가지는 결합을 끊어 활성화물 상태가 되고, 활성화물은 처음과는 다른 결합을 형성하면서 열을 방출하고 생성물이 되는 것이다. 따라서 발열반응이라도 반응이 일어나기 위해 결합을 끊는 흡열 과정이 필요하고(활성화에너지 흡수) 활성화에너지가 높으면 많은 열을 발생하는 반응이라도 처음엔 반응을 일으키기 어렵다.

[제시자료 2] 연소와 호흡

연소와 호흡은 반응물과 생성물의 결과로만 살펴보면 같은 반응이다. 그 예로 포도당을 산화시킬 때의 반응은 다음과 같다.

그런데 연소 반응은 400℃ 이상에서 단번에 일어나서 한꺼번에 많은 열을 발생시키고 호흡은 37℃에서(사람의 경우) 여러 단계의 과정을 거치며 일어나면서 천천히 열을 방출한다.

자동차의 경우 연료를 단번에 연소시켜 큰 힘을 발휘하지만 발생하는 에너지를 사용하는 효율은 그다지 높지 않다. 그러나 사람의 경우 적은 양의 음식물을 섭취하므로 우리 몸의 기질인 단백질의 구조를 변화시키지 않고 에너지를 사용하기 위해서 적은 양씩 필요에 따라 나눠 사용하는 것이 필요하다. 이러한 차이는 동일한 포도당이 산화되는 과정이라도 효소가 관계되는 호흡과정에서 더 높은 효율을 나타내는 것을 의미한다.

[제시자료 3] 식물의 몸속에서 일어나는 동화작용

식물은 광합성 효소의 도움을 받아 엽록체에서 태양빛을 흡수하여 CO₂(g)와 H₂O(l)로부터 포도당을 합성한다.

(약 30℃)

이 과정에서 식물은 생활에 필요한 에너지를 고정한다. 식물은 만들어진 포도당의 일부를 생명 에너지로 사용하고 나머지 일부는 녹말이나 셀룰로오스와 같은 고분자 물질의 형태로 저장해 두는데 동물은 식물이 만들어 저장해 놓은 영양소를 먹고 흡수 가능한 크기로 소화시킨 후 체내로 흡수하여 생명 에너지로 사용한다.

[문제 1] 말이나 치타처럼 밥을 먹고 달리는 에너지의 효율이 높은 자동차를 만들 수 있을까? 가능성을 논하고 문제점이나 또는 다른 대안을 과학적 근거를 들어 구체적으로 논술하시오.

[문제 2] 인체 내에서는 포도당이라는 에너지원을 ATP의 형태로 전환시켜 사용한다. ATP를 만들어 쓰지 않으면 안 되는 이유와 ATP의 형태로 만들어 쓸 때의 장점을 기술하시오.

장성호 선생님

☞ 해설과 분석, 답안은 이지논술 사이트에 있습니다.