종자식물의 특징과 겉씨식물은 무엇일까?

저번 글에서는 비종자관다발식물의 종류와 중요성 등에 대해 알아보았습니다. 이번 글에서는 종자식물에 대해 알아보겠습니다.

1. 종자와 화분립: 육지생활 위한 주요 적응

 종자식물에 나타나는 공통적인 특징으로는 퇴화된 배우체, 이형포자, 밑씨, 화분 등이 있습니다. 이로써 종자식물이 건조와 태양광의 자외선에 대한 노출 등의 육지 환경에서 살아가는 새 방법을 제공했습니다. 종자식물들은 수정에 물을 필요로 하지 않게 되었고, 비종자식물보다 넓은 환경에서 생식이 가능하게 되었습니다. 관다발식물 계열에서부터 배우체 축소의 진화는 계속 이어져 종자식물에 이릅니다. 종자식물의 배우체는 현미경으로만 주로 관찰 가능하며, 이러한 소형화는 종자식물들에 중요한 진화적 혁신을 일으킵니다. 소형 배우체는 어버이 포자체의 포자낭 내의 보존된 포자로부터 발달 가능합니다. 따라서 연약한 난자는 환경 스트레스로부터 보호 가능합니다. 이것과 비교해서 비종자식물의 경우에는 독립적인 배우체가 스스로 모든 것을 해결해야 합니다.

-이형포자

 비종자식물의 대부분은 동형포자(homosporous), 즉 포자의 형태가 동일하고 주로 양성 배우체로 발달한다는 것을 저번 글에서 살펴보았습니다. 그러나 종자식물들은 이형포자성(heterosporous)이 되어 두 종류의 포자를 생산합니다. 대포자엽의 대포자낭(megaspore)에서 암배우체를 만드는 대포자가 만들어지고, 소포자엽의 소포자낭(microspore)에서 수배우체를 만드는 소포자가 만들어집니다. 각각의 대포자낭은 하나의 기능적 대포자를 만들고, 각각의 소포자낭은 여러 소포자를 만듭니다. 

-밑씨, 난자의 생성&화분, 정자의 생성

 종자식물은 어버이 포자체 내에 대포자를 갖는 유일한 식물군입니다. 주피(integument)라는 포자체 조직층은 대포자를 둘러싸 보호합니다. 겉씨식물의 대포자는 주피층이 1개이지만 속씨식물은 주피층이 2개입니다. 밑씨(ovule)는 배주라고도 불리며, 대포자낭과 대포자, 그리고 이것을 싸는 주피를 통틀어 말합니다. 각각의 밑씨 내에 하나의 대포자로부터 하나의 암배우체가 발달하여 알세포를 만듭니다. 그렇다면 화분과 정자의 생성은 어떻게 이루어질까요? 소포자는 화분벽에 의해 둘러싸인 수배우체로 구성되는 화분립(pollen grain)으로 발달합니다. 스포로폴레닌(sporopollenin)이라는 단단한 중합체벽으로 보호된 화분립이 어버이 식물체에서 바람이나 동물을 통해 이동합니다. 밑씨를 갖는 식물의 부위로 화분립이 이동하는 과정은 수분(pollination)이라고 합니다. 화분립이 발아해 화분관을 만들면 정자 2개를 밑씨 내의 자성 배우체로 방출합니다. 종자식물은 정자 수송에 물이 필요하지 않게 되었고, 정자가 화분관에 의해 알세포로 직접 운송되므로 이동성도 필요 없습니다.

-종자의 진화적 장점

 정자가 종자식물의 알세포를 수정시키면 접합자는 포자체인 배아(embryo)로 자랍니다. 전체 밑씨가 하나의 종자로 발달하고, 종자는 배아와 그것에 영양분을 공급하는 조직, 주피로부터 유도되어 이를 둘러싸는 보호층(종피)으로 구성됩니다. 종자의 진화는 종자식물이 극한 환경에 잘 생존할 수 있도록 했습니다. 종자가 발달하기 전에는 포자가 생활사 중 유일한 보호 단계였습니다. 그렇다면 종자는 포자보다 어떤 점이 뛰어난 것일까요? 포자는 주로 단세포성이지만, 종자는 여러 층의 조직으로 되어 있고 종피가 배를 추가적으로 보호합니다. 종자는 어버이 식물로부터 방출된 후 휴면 상태를 몇 년까지 있을 수 있지만, 포자는 대부분 생존기간이 더 짧습니다. 또한 종자는 저장된 영양물질을 공급할 수 있는 체제를 가지고 있습니다. 종자는 바람이나 동물에 의해 장거리를 이동하는데 환경이 좋으면 발아합니다. 이때 종자에 저장되어 있는 영양물질은 포자체 배가 어린 유모로 생장하는 데 중요하게 작용합니다.

2. 겉씨식물: 주로 솔방울에 나출된 종자를 가진다

 종자식물은 겉씨식물과 속씨식물로 나뉩니다. 겉씨식물은 종자가 씨방에 둘러싸이지 않으며, 솔방울을 형성하는 포자엽 위에 종자가 나출되어 있습니다. 겉씨식물은 대부분 소나무, 전나무, 세쿼이아류 등처럼 솔방울을 가지는 구과식물(conifers)이라고 합니다.

-소나무의 생활사

 소나무는 포자체로, 포자낭은 솔방울의 포개진 인편상 구조 위에 있습니다. 소나무는 이형포자이며, 2가지 형태의 포자낭에서 2가지 형태의 포자가 생성됩니다. 구과류에서는 2가지 형태의 포자가 작은 화분 솔방울과 큰 밑씨 솔방울로 부르는 다른 솔방울에서 만들어집니다. 화분 솔방울의 인편은 소포자엽으로 소포자낭을 가지고, 화분 솔방울 한 개에서는 소포자모세포가 감수분열을 통해 반수체성 소포자들을 만듭니다. 각각 소포자는 하나의 웅성 배우체를 갖는 하나의 화분립을 발달합니다. 그에 비해 밑씨 솔방울은 복잡합니다. 인편은 대포자엽과 변형된 줄기조직으로 구성됩니다. 밑씨 솔방울에서는 대포자모세포가 감수분열을 통해 반수체성 대포자들을 만듭니다. 대포자들은 자성 배우체로 발달해 포자낭에 남아 있습니다. 어린 화분 솔방울과 밑씨 솔방울이 만나 수정된 밑씨로부터 성숙한 종자가 형성되는 데는 거의 3년이 걸립니다. 밑씨 솔방울 내에서 인편 사이가 벌어져 종자가 퍼지고, 서식지에서 배아가 발아해 소나무 묘목으로 성장합니다.

-초기 종자식물과 겉씨식물의 출현

 화석에 등장하는 최초의 종자를 가지는 식물은 3억 6천만 년 전 정도의 엘킨시아(Elkinsia) 식물입니다. 최초의 겉씨식물 화석보다 5500만 년 전 이전으로, 멸종했기에 어떤 것이 겉씨식물로 진화했는지는 불분명합니다. 초기 겉씨식물들은 석탄기에 살았습니다. 석탄기가 페름기로 바뀌면서 기후가 고온건조해졌고, 석탄기의 늪지는 건조한 환경에 잘 적응한 겉씨식물이 우점하게 됩니다. 겉씨식물의 몇몇 종류는 큐티클이 두껍고 침상 잎은 표면적이 작아 건조한 기후에 특히 더 적합합니다. 겉씨식물은 중생대 내내 육상 생태계를 우점했고, 중생대 후기부터 속씨식물들이 겉씨식물을 대체하기 시작합니다.

-겉씨식물의 다양성

 겉씨식물은 10개의 식물문 중 4개에 해당하며, 소철식물문, 은행식물문, 마황식물문, 소나무식물문들로 구성됩니다. 소철식물문(Cycadophyta)는 큰 솔방울과 야자 같은 큰 잎을 가지고, 편모성 정충이 있습니다. 즉, 비종자성 관다발식물의 후손이라는 것을 보여줍니다. 은행식물문(Ginkgophyta)는 은행나무가 유일한 종으로, 편모성 정충이 있습니다. 은행나무는 대기 오염에 강하다는 특징도 있습니다. 마황식물문(Gnetophyta)는 매마등속, 마황속, 웰위치아 등의 3 속을 포함합니다. 그리고 구과식물문(Coniferophyta)은 겉씨식물 중 가장 큰 문으로 600여 종의 구과류를 포함합니다. 대부분은 목질성 솔방울 갖지만 일부는 육질성 솔방울을 갖습니다. 구과류는 대부분 상록성으로 잎이 1년 내내 붙어 있습니다. 이렇듯 이번 글에서는 종자식물의 특징 및 한 종류인 겉씨식물에 대해 알아보았습니다. 다음 글에서는 속씨식물에 대해 알아보겠습니다.