꽃과 수분

꽃과 수분

피자식물은 포자체 세대에 일어나는 감수분열에 의해 두 종류의 포자를 생성한다. 하나는 크기가 작은 소포자(microspore)로서 발아하여 웅성 배우체 세대(male gametophyte generation)로 자란다. 이보다 크기가 큰 다른 하나는 대포자(megaspore)로서 자성 배우체 세대(female gametophyte generation)로 자란다. 이 포자들은 각각 자신의 포자체인 소포자낭(microsporangium)과 대포자낭(megasporangium)에서 생성된다. 이 포자낭들은 꽃에서 생성된다. 피자식물의 꽃은 대부분 완전화(perfect flower)로서 각 꽃에 소포자낭과 대포자낭 모두를 가지고 있어서 두 종류의 포자를 생성한다.

꽃은 줄기의 정단분열조직(apical meristem)에서 발달된다. 적절한 자극(예, 광주기성)이 주어지면, 정단분열조직은 꽃눈으로 변화한다. 전형적인 피자식물의 꽃눈에는 네 종류의 조직이 동심원을 그리며 나선 모양으로 배열되어 있다. 밖으로부터 안으로 들어가면서 다음 순서로 배치된다. (1) 악편(萼片, 꽃받침잎, sepal)들이 가장 바깥에 나선형으로 배치되어 있는데, 이들을 통칭하여 꽃받침(calyx)이라고 한다. (2) 그 다음에 화판(花瓣, 꽃잎, petal)들이 나선상으로 배치되어 있는데, 이를 통칭하여 화관(花冠, corolla)이라고 한다. (3) 그 다음에 수술(stamen)이 위치하며, 여기서 소포자낭(microsporangia)이 생성된다. (4) 심피(心皮, carpel)가 가장 안쪽에 존재하는데, 여기서 대포자낭(megasporangia)이 생성된다. 수술은 가운데가 얕게 패인 약(約, 꽃밥, anther)과 이를 받쳐주는 화사(花絲, 수술대, filament)로 구성된다. 화분립은 약에서 만들어진다. 약에 위치한 이배체인 소포자 모세포는 각각 감수분열을 하여 4개의 반수성 소포자를 만든다. 소포자는 각각 두 개의 세포로 구성된 화분립 (pollen grain)으로 된다. 화분립의 한 세포를 화분관 세포(tube cell)라 하고, 다른 한 세포를 생식세포(generative cell)라 한다.

심피는 보통 화주(花柱, 암술대, style) 꼭대기에 있는 주두(柱頭, 암술머리, stigma)와 그 밑부분에 있는 자방(子房, 씨방, ovary)으로 구성된다. 배주(胚珠, 밑씨, ovule)라고 하는 대포자낭은 자방 안에서 발달된다. 자방내에 있는 배주의 수와 그 배열 방식은 종에 따라 매우 다르다. 나선상으로 배열된 심피는 종종 하나의 암술(pistil)로 융합된다. 대포자 모세포는 각 배주내에서 감수분열을 하여 4개의 반수성 세포를 만드는데, 그중의 하나는 큰 대포자가 되고 나머지 작은 3개의 세포는 소멸된다. 대포자의 핵은 연속적으로 3번 유사분열을 한다. 이렇게 해서 생긴 8개의 핵이 배주내에 분산되고 나서 세포벽으로 각각 분리되어 배낭(embryo sac)을 이룬다. 이것이 성숙한 자성배우체 세대(mature female gametophyte generation)이다. 난세포(egg cell)가 수정되면서 새로운 포자체 세대를 시작한다. 대부분의 피자식물은 중앙에 있는 큰 세포에 2개의 극핵(polar nuclei)을 가지는데, 이것은 수정된 후에 종자의 배유(胚乳, 배젖, endosperm)로 발달한다.

화분립이 주두에 닿으면 발아하여 화분관(pollen tube)을 낸다. 생식핵은 유사분열에 의해 나뉘어서 2개의 정책(sperm nuclei)으로 된다. 화분관이 화주를 따라 자라서 배주 안으로 들어가는데, 이때 정책도 화분관핵과 함께 화분관을 따라 아래로 이동한다. 화분관은 그 안의 내용물과 함께 성숙한 웅성 배우체 세대(mature male gametophyte generation)를 구성한다. 화분관은 주공(珠孔, micropyle)을 통해 배주 안으로 들어간 후 끊긴다. 정책 중의 하나는 난세포와 융합하여 배수성의 접합자(zygote)를 형성한다. 다른 정책은 극핵과 융합하여 배유핵(endosperm nucleus)을 이룬다. 피자식물은 2개의 극핵을 가지기 때문에 배유는 3배수성(3m)이 된다. 이러한 전체 과정을 중복수정(double fertilization)이라 한다. 화분관핵은 수정 후에 퇴화한다.

일부의 피자식물(예, 포아풀과 식물)의 화분은 바람에 의해 수송되기도 하지만, 피자식물의 수분(pollination)을 돕는 여러 동물에 대해서는 특별한 주의를 기울일 만하다. 수분을 돕는 동물을 유인하는 향을 내는 샘이 현란한 색을 띤 꽃잎을 따라 분포하기도 한다. 동물에 의해 수분이 이루어지는 꽃은 종종 밀샘(nectary)을 갖고 있어서 꽃을 방문하는 동물에게 그 보상으로 당용액(넥타, nectar)을 분비한다. 새(예, 벌새)와 박쥐가 일부 꽃의 수분을 돕기도 하지만 대부분의 꽃은 곤충에 의해 수분된다. 딱정벌레,파리, 나비, 나방, 벌 등이 일반적으로 수분을 돕는다. 식물과 동물 사이의 관계는 매우 느슨하다. 즉 어떤 피자식물은 여러 종류의 곤충에 의해 수분이 이루어지며, 어떤 곤충은 여러 종류의 식물의 수분을 매개한다. 다른 경우에는 이런 관계가 훨씬 밀접하게 이루어진다. 열대성 난초는 단지 한 종류의 나방에 의해서만 수분되며, 그 나방도 오직 한 종류의 꽃으로부터 꿀을 취한다. 그 나방은 25 cm 의 주둥이를 가지며, 그 난초의 밀샘도 25cm(10인치)의 깊이에 위치한다. 다른 난초는 그 모양과 색이 곤충 암컷의 복부와 유사한 암술을 가진다. 곤충의 수컷은 이 암술과 교잡하려고 시도하면서 화분을 한 꽃에서 다른 꽃으로 옮긴다.

일반적으로 곤충에 의해 수분되는 꽃은 수술과 심피가 한 꽃 안에 들어 있는 완전화이다. 여기에는 두 가지 장점이 있다. 첫째, 수분이 이루어질 가능성이 높다는 점이다. 수분매개자가 방문할 때 전번 꽃에서 묻어 온 화분이 전달되면서 이 꽃의 새로운 화분이 다시 묻혀진다. 그러나 수술이나 심피 중의 어느 하나만 가진 불완전화의 경우에는 수분의 효율을 높이기 위해 수분매개자가 웅성화와 자성화를 교대로 방문해야만 한다. 둘째, 다른 꽃과의 수분(타가수분, cross-pollination)이 실패하는 경우에 자가수분을 할 수도 있다. 이때 배우자들이 유전적으로 유사하기 때문에 자손의 다양성 정도는 감소되나 종자가 생성되기는 하는 것이다.

일부 피자식물의 꽃은 실제로 자가수분의 방식을 따르는 편이다. 9장에서 곤충이 정상적으로 도달할 수 없도록 완두꽃의 화관이 어떻게 수술과 심피를 둘러싸고 있는지를 설명했다. 그러나 꽃은 일반적으로 타가수분을 방지하기보다 이를 촉진시키도록 적응되어 있다. 많은 종에서 한 꽃의 수술과 심피는 다른 시기에 성숙하며, 어떤 종에서는 약으로부터 주두로 직접 화분 전달이 이루어지지 않게 꽃의 부분들이 배열되기도 한다. 많은 피자식물(예, 붉은 토끼풀, 사과의 변종)의 화분은 같은 식물의 주두에서는 발아하지 않는다. 이런 식물을 자가불임 (self-sterile)이라고 한다.

분리된 식물 개체에 있는 불완전화는 틀림없이 타가수분을 한다. 버드나무, 포플러, 대추야자 등이 이런 방식의 수분을 하며, 이런 식물을 자웅이주(dioecious)라고 한다(한 식물에 두 종류의 불완전화가 모두 피는 종은 자웅동주(monoecious)라고 한다. 이들 꽃 사이에서의 수정은 한 꽃내에서 이루어지는 자가수분과 마찬가지로 유전적 다양성을 높이지 않는다).

피자식물의 수분이 동물에 의해 이루어진다는 점을 강조한다고 해서 많은 피자식물이 바람에 의해 수분된다는 사실을 무시할 수는 없다. 포플러, 참나무, 느릅나무, 자작나무, 질경이, 돼지풀, 포아풀과 식물 및 다른 여러 식물들은 바람에 의해 수분된다. 이들은 불완전화인 경우가 많다. 웅성화의 수술은 많은 양의 가볍고 마른 화분을 생성하므로 알레르기 환자에게 고초열을 유발하기도 한다. 자성화의 주두는 종종 길고 끈끈하며, 자방에는 보통 적은 수의 배주가 들어 있다.

풍매화는 현란한 색과 형태를 갖춘 충매화처럼 우리에게 심미적인 즐거움을 주지는 않지만, 우리는 상당한 정도로 풍매화에 의존할 수 밖에 없다. 우리가 먹는 모든 곡물이 풍매화이다. 이 식물들은 직접 또는 간접적으로 인간이 소모하는 식량의 대부분을 제공한다.