글로벌 세계 대백과사전/생물II·식물·관찰/식물의 생태와 형태/식물체의 체제/세 포

생물체를 구성하는 기본적인 단위는 세포이다. 단세포 식물은 하나의 세포로 구성되어 있으므로, 세포 분열을 한다는 것은 결국 개체수를 늘린다는 것을 뜻한다. 반면, 다세포 식물은 하나의 세포가 분열을 되풀이하여 다세포 식물체를 만드는 것으로서, 구성하고 있는 세포들은 그 식물체가 성장하는 도중, 또는 성숙한 단계에서 서로 영향을 미쳐 전체적인 조화를 유지하면서 생장에 관여하며 생활하고 있다.

세포의 구조와 기능

식물 세포는 보통 지름이 10-100μ정도이며, '원형질'과 이를 둘러싸는 '세포벽'으로 구성되어 있는데, 이 가운데 원형질로 이루어져 있는 부분을 '원형질체'라고 한다. 원형질체의 가장 바깥쪽에는 세포막이 있으며, 이보다 안쪽 부분에는 세포질과 핵이 있다. 세포질은 세포 기질·미토콘드리아·색소체·리보솜·리소좀·소포체·골지체·액포 등으로 이루어져 있으며, 핵은 핵막·핵질(핵액)·인·염색체 등으로 이루어져 있다.

한편, 원형질에서 2차적으로 만들어진 것을 원형질과 구분하여 '후형질'이라고 하는데, 세포벽·액포·세포 함유물(녹말·이눌린 등)이 이에 속한다. 이들 세포 속의 여러 가지 구조체들은 각각 특징적인 활동을 하면서 서로 조화를 유지하여 세포의 생명 활동을 지속시키고 있다.

세포막

細胞膜

세포막은 100Å 정도의 얇은 막으로서, 세포질을 외부 환경으로부터 구분시키는 역할을 한다. 세포막은 이중의 단위막(한 층의 지질층을 단백질층이 안팎으로 둘러싸고 있는 형태)으로 이루어져 있는데, 최근에 밝혀진 바에 의하면 가운데의 지질층에 단백질 덩어리들이 파묻혀 있어, 이에 의해 물질의 수송이 이루어진다고 한다(유동 모자이크설). 물은 세포막을 자유롭게 통과하지만, 물에 녹아 있는 물질은 물만큼 자유롭게 통과할 수 없다.

일반적으로, 이와 같은 성질을 가진 막을 '반투성막'이라고 하는데, 세포막은 세포의 안과 밖 사이의 물질 출입에 관계하는 중요한 활동을 하고 있다.

그러나 세포막이 물만 통과시키고 다른 것을 완전히 통과시키지 않는다면, 세포는 물 이외에 아무것도 세포 내에 받아들일 수 없기 때문에 생활할 수 없을 것이다. 따라서, 실제로는 세포막이 그만큼 완전한 반투성막이 아니며, 필요한 물질은 받아들이고 불필요한 것은 내보내는 선택적 투과를 행하고 있다.

미토콘드리아

Mitochondrion

미토콘드리아에는 여러 가지 모양의 것이 있다는 사실이 전자 현미경의 연구로 알려져 있으나, 광학 현미경에서는 아주 작은 과립으로밖에 보이지 않는다. 하나의 세포 내에 존재하는 미토콘드리아의 수는 세포에 따라 다르지만, 보통 많은 수가 존재한다. 전자 현미경에 의한 관찰에 따르면, 미토콘드리아는 바깥쪽을 둘러싸는 막질 부분과 내부로 이루어져 있다. 막 부분은 외막과 내막의 이중막으로 되어 있는데, 내막의 일부는 안쪽으로 돌출하여 여러 겹으로 접혀 있다. 이렇게 접혀 있는 내막의 구조를 '크리스테(cristae)'라고 한다.

미토콘드리아에는 TCA회로나 전자 전달계에 관여하는 모든 효소가 들어 있다. 따라서, 미토콘드리아는 세포내 호흡에 의해 유기물의 화학에너지를 ATP로 바꾸는 중요한 기관이다.

색소체

色素體

색소체에는 엽록체, 유색체, 백색체가 있다. 유색체는 카로티노이드계의 색소를 가진 색소체로, 당근·호박·토마토·고추 등의 색은 이것에 의해 나타나는 것이다. 한편, 백색체는 색소를 갖지 않으며, 분열조직 부근이나 지하부의 세포 등에 함유되어 있는데, 주로 녹말 저장에 관여한다.

색소체 중, 광합성에 관계하는 엽록체는 특히 연구가 잘 되어 있어, 그 구조와 기능이 상세하게 알려져 있다. 엽록체는 지름 4-6μ, 두께 2-3μ이며, 보통 하나의 세포에 여러 개가 존재한다. 엽록체의 가장 바깥쪽은 두께가 150-200Å의 이중막으로 되어 있으며, 내부는 '라멜라'라고 하는 층상 구조로 되어 있다. 종자식물에서는 이 층상 구조가 다수의 편평한 주머니 모양을 이루고 있는데, 이것을 특히 '틸라코이드'라고 한다. 엽록체는 군데군데에 조그만 틸라코이드가 겹쳐 쌓여 있는 '그라나'와 그 나머지 기질인 '스트로마'로 이루어져 있다.

엽록체 속에 있는 색소 중 가장 중요한 것은 엽록소(클로로필)인데, 종자식물·양치식물·선태식물·차축조식물·녹조식물·유글레나식물에는 엽록소 a, b가 있으며, 이들 식물 이외의 조류에서는 엽록소 c, d, e가 알려져 있다. 엽록소가 라멜라 부분에 있으므로, 광합성의 명반응은 라멜라 부분에서 진행되며, 라멜라가 없는 기질 부분에서는 암반응이 진행된다. 즉, 그라나 부분에서 명반응이 일어나고, 스트로마 부분에서 암반응이 일어난다.

리보솜

Ribosome

지름 150-300Å 정도의 과립 구조로, 세포 내에 대단히 많은 양이 포함되어 있다. 다량의 RNA(리보핵산)를 포함하고 있고, 소포체와 밀접하게 관계하며, 단백질 합성에 관여한다.

소포체

小包體

80Å 정도의 얇은 막에 둘러싸인 가는 관상이나 편평한 주머니 모양으로 된 구조물을 말한다. 소포체의 표면에 리보솜이 많이 붙어 있는 것을 '조면 소포체'라고 하며, 리보솜이 없는 것은 '활면 소포체'라고 한다. 이 중에서, 특히 리보솜과 관계가 깊은 조면 소포체는 단백질 합성에 관여한다.

핵

核

핵은 생명 활동의 중심이 되는 부분으로 보통 하나의 세포이며 공 모양이거나 타원 모양인 경우가 많다. 크기는 지름이 수μ에서 20-30μ 정도가 보통이다. 전자 현미경에 의한 관찰에서 핵은 안팎 2층으로 이루어진 핵막으로 둘러싸여 있고, 여기에 핵공이라는 다수의 구멍이 있는 것으로 알려져 있다.

또, 핵막의 바깥쪽 막은 그 일부가 세포질 쪽으로 튀어나와 소포체의 막과 연결되어 있어서, 핵과 소포체를 잇는 구조로서 주목되고 있다. 핵 속에는 핵액과 인, 염색사가 들어 있다. 인은 그 주성분이 단백질과 RNA로서, 리보솜을 만드는 리보솜 RNA를 생성하는 장소로 알려져 있다. 그러므로 단백질 합성이 활발한 세포에서는 인의 작용도 왕성하다. 염색사는 실 모양을 하고 있으며, 핵 내부에 고르게 분포되어 있다. 그러나 핵분열을 시작하면, 이것이 꼬이면서 응축되고 굵어져서 생물의 종류에 따라 특수한 모양과 일정한 추의 염색체가 되므로, 광학 현미경으로 똑똑히 관찰할 수 있는 상태가 된다.

핵은 핵분열 때의 염색체 활동에 의해, 유전정보를 원래의 세포에서 새로 생기는 세포에 전하는 활동을 하지만, 정지핵 상태에서도 유전자의 본체인 DNA(디옥시리보핵산)를 바탕으로 유전정보의 발현에 관여하고 있다. 즉 DNA가 가진 유전 정보가 그 DNA의 구조에 따라 만들어지는 RNA에 전달되고, 이 RNA가 다시 활동하여 유전 정보에 맞는 단백질이 만들어지는데, 이와 같은 단백질 합성 과정의 설명은 근대 유전학에 있어서의 큰 성과이다.

세포벽

細胞壁

식물 세포의 가장 바깥쪽을 둘러싸고 있는 세포벽은 셀룰로스·헤미셀룰로스가 주성분으로서, 세포의 내용물을 보호하고 있다. 이것은 식물 세포에서만 볼 수 있다.

인접한 두 세포 사이의 세포벽과 세포벽 사이에는 펙틴으로 된 중간층 부분이 있다. 일반적으로 세포에는 1차 세포벽만이 존재하지만, 물과 무기양분의 통로인 물관·헛물관, 기계적인 역할을 하는 섬유 세포 등에서는 1차 세포벽의 안쪽에 다시 2차 세포벽이 만들어져 세포벽을 단단하게 하고 있다.

한편, 중간층을 사이에 두고 1차 세포벽이 만들어질 때, 곳곳에 대단히 얇은 부분이 존재하게 되는데, 이 곳을 '막공'이라고 한다. 이 막공을 뚫고 소포체가 늘어난 것으로 보이는 원형질 연락사가 통과하고 있어서, 이 곳을 통해 물질들이 세포 사이를 왕래하게 된다.

특히, 물관·헛물관처럼 물의 이동에 도움이 되는 세포에서는 막공이 잘 발달되어 있다.

세포의 증식

세포는 분열하여 증식하는데, 이것을 '세포 분열'이라고 한다. 세포 분열은 핵이 2개로 나누어지는 핵분열이 먼저 일어나며, 이어 세포질이 2부분으로 나누어지는 세포질 분열이 나타난다.

단세포 생물에서는 세포 분열이 개체 수의 증가를 의미한다. 그러나 다세포 생물에서는 2종류의 세포 분열에 의해 한 개체가 성장하기도 하고 또 개체수가 늘기도 한다. 이 때, 하나의 개체를 이루는 세포수를 늘려 성장시키는 분열을 '체세포 분열'이라고 하며, 생식 세포를 만들어 개체수를 늘리기 위한 세포 분열은 염색체수가 반감되므로 '감수 분열' 또는 '생식 세포 분열'이라고 한다. 이 두 분열은 핵분열 때 염색체나 방추사가 나타나므로 '유사 분열'이라고 한다. 그러나 병적인 세포 분열의 경우에는, 염색체의 분열이 뚜렷하지 않고 핵이 조각조각 찢어지듯이 분열하는데, 이러한 경우를 '무사 분열'이라고 한다.

체세포 분열

體細胞分列

체세포의 경우, 핵분열 과정은 전기, 중기, 후기, 말기로 나뉜다. 전기에는 핵 안에서 염색사가 응축되어 굵은 염색체가 되는데, 이 염색체의 모양과 수는 보통 식물의 종류에 따라 일정하다. 1개의 염색체는 세로로 나누어져 2개의 염색분체가 평행으로 늘어선 모양이 되며, 점차 뒤틀린 꼴의 이중 구조가 명확해진다. 이 때 인과 핵막이 소실된다. 한편 세포질에는 방추체가 생기는데, 방추체에서 볼 수 있는 실 모양의 것을 특히 방추사라고 한다. 이윽고 염색체가 적도면에 나란히 배열하여 중기 단계에 들어가면, 극에서 뻗어나온 방추사가 염색체의 동원체(動原體) 부분에 부착된다. 이 때의 방추사를 연락사라고 하는데, 후기가 되면 염색체가 동원체에서 2개로 갈라져 연락사에 이끌려 양극으로 이동하게 된다. 말기에는 양극에 염색체 모임이 점점 많아지므로, 핵막이 다시 형성되어 정지핵의 상태로 되돌아간다. 이와 같이 해서 새로운 핵은 모세포와 같은 수, 같은 모양의 염색체를 가지게 되며, 따라서 유전 물질인 DNA도 원래의 핵과 같은 것을 가지게 된다. 위의 설명은 고등 식물에서 보통 볼 수 있는 핵분열이지만, 동물에서는 일반적으로 중심체 등이 나타나 식물과는 약간 다른 과정을 나타낸다. 그러나 동물의 경우도 핵분열이 끝나면 이어서 세포질 분열이 진행되므로, 기본적인 점에서는 식물의 경우와 다를 바가 없다.

핵분열의 후기에 소포체, 골지체 등이 방추사의 중앙부에 모여 격막 형성체를 이루는데, 여기에 새로운 두 핵을 중심으로 최초의 격벽인 세포판이 형성된다. 세포판은 핵분열 중기의 적도판에 해당되는 중앙 부분에 생기기 시작하여, 원심적으로 넓어져 세포벽까지 이르게 된다. 이어서, 그 양쪽에 각 세포의 1차 세포벽이 만들어지는데, 최종적으로는 세포판에서 유래되는 중간층과 이를 사이에 두고 양쪽에 2개의 새로운 세포벽이 완성된다.

감수 분열

減數分裂

감수 분열은 연속되는 2번의 핵분열을 통하여 이루어지는데, 보통 제1분열에서 염색체수가 반으로 줄고, 제2분열은 체세포 분열과 마찬가지로 염색체수의 변화는 일어나지 않는다. 따라서, 1개의 모세포로부터 4개의 딸세포가 만들어지게 된다.