생물학자들은 생명에 대한 연구를 진행합니다. 하지만 생명체 혹은 생명체가 살고 있는 세계에는 화학과 물리학의 기본 원리들이 적용되고 있습니다. 생명에 관한 학문에 적용되는 화학의 기본 개념에 대해 알아보도록 하겠습니다.
1) 화학원소로 구성되어 있는 물질
생명체는 부피와 질량을 가지고 있는 물질로 이루어져 있으며, 이러한 물질은 원소들로 이루어져 있습니다. 원소란 화학반응에 의해 더이상 분해되지 않는 물질을 일컫습니다. 현재 지구상에는 금을 비롯하여 구리, 탄소, 산소 등 92개의 원소가 사람들에게 알려져 있습니다.
화합물은 두 개 이상의 다른 원소들이 특정한 비율로 결합되어 있는 형태를 말합니다. 예를 들어 소금은 염화나트륨으로서 소듐과 염소가 일대일의 비율로 이루어진 화합물입니다. 순수한 소듐은 금속이며 순수 염소는 독성이 강한 기체입니다. 하지만 이들이 화학적으로 결합하여 우리가 섭취할 수 있는 화합물이 됩니다. 이 외에도 또 다른 화합물인 물은 수소와 산소가 이대일의 비율로 만나 구성되어져 있습니다. 이것이 바로 조직화 된 물질이 가지는 창발적 특징에 대한 간단한 예라고 할 수 있습니다. 다시 말해, 화합물이란 구성 원소들과는 다른 화학적, 물리적 특징을 갖게 되는 것을 의미합니다.
2) 생명체에 필요한 원소들
앞서 이야기한 92가지의 원소들 중 약 20~25%정도의 원소들은 생명체가 건강하게 살고 번식하도록 하기 위해 꼭 있어야 하는 필수 원소입니다. 여러 종류의 생명체마다 필요로 하는 필수원소는 비슷하지만 약간의 차이점은 가지고 있습니다. 예를 들어 인간은 25개의 원소를 필요로 하지만, 식물은 그보다 적은 17개의 원소만을 필요로 합니다.
사람의 몸 안에 있는 모든 원소의 상대적인 양을 살펴보면, 원소-산소, 탄소, 수소, 질소가 생명체의 96%를 차지하고 있음을 알 수 있습니다. 그 외 몇 가지 원소들이 생명체를 이루는 중량의 나머지 4%를 차지하고 있습니다. 미량원소란 생명체가 살아가는 데 매우 소량만을 필요로 하는 원소들을 말합니다. 철과 같은 일부 미량원소들은 모든 생명체에 필수적이지만 특정 미량원소들은 특정한 종의 생명체들만이 필요로 하기도 합니다. 예를 들어, 척추동물의 경우 아이오딘은 갑상샘에서 분비되는 호르몬의 구성성분으로서 이들에게 필수적입니다. 정상적인 갑상샘의 작용을 위하여서는 하루에 약 0.15mg의 아이오딘이 필요하며 아이오딘 섭취가 부족할 경우 갑상샘이 비정상적으로 자라나 갑상샘종이라는 증상을 초래하기도 합니다. 이를 막기위해 해산물이나 아이오딘화 소금을 섭취하여 이러한 갑상샘종의 발병률을 낮출 수 있습니다.
3) 원소의 성질
각각의 원소들은 다른 원소들과는 차별되는 한가지 종류의 원자로 이루어져 있습니다. 원자는 원소의 특성을 유지하고 있는 물질의 가장 작은 단위로서, 원자의 기호는 원소의 기호와 동일하게 표기됩니다.
원자는 원소의 성질을 유지하고 있는 가장 작은 단위이지만 원자 역시 보다 작은 입자인 아원자 입자, 다시 말해 증성자, 양성자, 전자로 이루어져 있습니다. 하나의 양성자는 한 단위의 양전하를 띠고 있으며, 하나의 전자는 한 단위의 음전하를 띠고 있습니다. 중성자는 그 이름에서 알 수 있듯이 전기적으로 중성자입니다.
양성자와 중성자는 원자의 밀도가 높은 중앙, 혹은 원자핵에 단단히 뭉쳐져 있습니다. 양성자는 원자핵에 양전하를 부여하고 빠르게 움직이는 전자는 핵 주변에서 음전하 구름을 형성합니다. 이러한 반대 전하사이의 인력에 의해 전자가 원자핵의 주변에 위치하게 되는 것입니다.
중성자와 양성자는 거의 동일한 질량을 가지고 있는데 원자와 아원자 입자의 무게를 표시할 때는 달톤(dalton)이라는 단위를 사용합니다. 중성자와 양성자는 약 1달톤의 무게를 가지고 있으며, 전자의 무게는 중성자나 양성자 무게의 1/2,000에 지나지 않아, 원자의 무게를 생각할 때 전자의 무게는 무시될 수 있습니다.
4) 원자번호와 원자량
특정 원소의 모든 원자들은 원자핵에 일정한 개수의 양성자를 가지고 있습니다. 해당 숫자는 원소마다 모두 다르며, 우리는 이것은 원자번호(atomic number)라고 합니다. 원자번호는 원소기호의 왼쪽에 아래첨자로 표시됩니다. 원자번호는 양성자의 숫자뿐만 아니라 전기적으로 중성인 원자에서 전자의 개수를 이야기 해 줍니다. 원자핵의 양성자와 중성자를 합친 질량수로 해당 원자의 중성자 개수를 알 수 있습니다. 질량수는 원소기호 왼쪽에 위첨자로 표기합니다.
가장 간단한 원자는 수소이며 이는 중성자를 가지고 있지 않습니다.
질량수는 원자의 전체 질량인 원자량과 미세하게 다르지만, 매우 비슷합니다.