[함께 읽는 과학도서] 천천히 곱씹으며 느리게 읽기 <지구의 짧은 역사> 2부

“ 1. 식물은 육상에서 어떤 형태로 진화했는가? 원시지구에서 엽록소를 가지고 광합성을 하여 산소를 공급했던 남세균을 비롯한 다양한 단세포 광합성 미생물들이 홍조류, 갈조류, 녹조류 등으로 진화하면서 대기 중에 많은 산소를 공급하여 선캠브리아대 말기에는 공기 중의 약 10%가 산소로 채워졌다. 이렇게 증가된 산소의 일부가 오존이 되고 대기 상층에 오존층을 형성하여 태양의 강한 자외선을 막아줌으로써 생물이 더 잘 살 수 있는 환경이 조성되었다. 그러나 물속에 살던 조류가 건조한 육상에서 살기 위해서는 수분 증발을 방지하고 체내의 수분을 유지하기 위한 보호막이 필요했다. 이를 위해 왁스 중합체로 구성되어 물 분자가 스며들지 못하게 하는 큐티클(cuticle)층이 발달했다. 이 큐티클층은 식물체의 표피를 덮어 식물체 내의 수분이 날아가지 않게 할 뿐 아니라 균의 침입이나 기체의 흐름도 제한한다. 그래서 육상 식물은 기체를 안으로 받아들이거나 밖으로 내보내기 위해서는 특수한 구멍을 열고 닫는다. 이 구멍은 기공(stoma, 복수형 stomata)이라고 하며, 그리스어로 '입'을 뜻한다. ”

“ 식물은 큐티클과 기공으로 보호 표피층을 형성함으로써 육상에서 건조해지지 않고 살아갈 수 있게 되었다. 또한 물속과 달리 육상에 있는 식물은 땅속에서 물을 흡수하여 체내에 물을 잘 전달할 뿐 아니라 식물체를 지탱할 수 있는 구조를 갖추어야 했다. 즉, 식물체를 고정하고 물과 무기염류를 흡수할 수 있는 뿌리계와 흡수한 물을 전체 식물체에 전달하는 헛물관(가도관)과 물관(도관) 같은 통도조직이 필요했다. 또한 보다 많은 빛에너지를 이용하기 위해 잎의 표면적이 넓어졌다. 이러한 진화 과정에서 세포들의 형태와 크기가 특수화되고, 비슷한 세포들끼리 그룹화되면서 조직과 기관을 형성했다. 영양기관 세포들의 종류가 일찍 진화한 데 비해 생식세포와 그 체계는 백악기 이후에도 계속 진화되었다. 화석 기록에 의하면 녹조류에서 육상 식물로 진화하는 과정에서 가장 오래된 식물은 쿡소니아라는 양치식물로 알려져 있다. 그러나 선태류의 식물체 구조와 생태가 화석이 되기 어려웠을 수도 있고, 오르도비스기 말경 육상에 이미 이끼류가 있었다는 고생물학 연구결과들을 감안하면 녹조류에서 이끼류를 거쳐서 양치류로 진화했다는 해석이 정석이다. ”

“ 라이니 풍경의 많은 지역을 뒤덮고 있던 상징적인 초기 식물인 리니아Rhynia는 주로 광합성을 하는 헐벗은 축만으로 이루어져 있었다. 이 축은 연필만 한데, 딸기의 기는줄기와 매우 흡사하게 땅을 따라 기다가 이따금 수직으로 가지를 뻗어 올린다. 수직으로 최대 20센티미터까지 뻗어 올라간다. 이 축은 얇은 왁스 층과 큐티클cuticle(식물의 체표를 덮고 있는 얇은 막)이라는 지방산으로 덮여 있다. 현생 식물을 조사하여 알고 있듯이 큐티클이 실질적으로 세포의 수증기가 대기로 빠져나가지 못하게 막지만, 반면에 광합성에 필요한 이산화탄소가 확산되어 들어오는 것도 막는다는 것을 알았다. .... 기공을 지닌 큐티클은 육상식물의 필수 요소다. 라이니 화석에서도 볼 수 있다. ”

“ 이끼(선태)식물 초기 육상 식물 중 우리 주위에서 볼 수 있는 식물은 우물가나 습한 곳에서 자라는 우산이끼류(태류)와 솔이끼류(선류) 같은 이끼류(선태식물)이다. 이끼류는 헛뿌리를 발달시켜 식물체를 땅에 고정시키고 물을 흡수하며, 공기나 물에 포자를 퍼뜨려서 번식한다. 암과 수의 구별이 있는 배우자체일 때 정자를 만드는 주머니인 장정기에서 정자를 만들고, 난자를 만드는 주머니인 장난기에서 난자를 생산한다. 이때 배우자의 핵은 하나의 염색체 세트를 갖고 있어서 반수체(1N)이다. 정자(1N)가 물기를 타고 난자(1N)에게 헤엄쳐가 결합하여 접합자인 배(2N)를 만든다. 이 배가 성숙하면 포자체가 되어 포자낭(sporangium, 복수형 sporangia)을 만들고 포자낭에서 다시 포자를 방출한다. 이 포자는 큐티클보다 더 단단한 보호 물질로 둘러싸여 있어서 건조한 환경이나 자외선을 견뎌내며 생존하다가 생장에 적합한 습기 있는 장소에 닿으면 발아한다. 이들은 수정 과정에 필요한 물이 있는 곳에서만 살 수 있다. ”

“ 양치식물 이끼류보다 조금 더 진화된 식물은 고생대 중기 실루리아기(약 4억3천3백~3억9천3백 년 전)에 강가에 살던 쿡소니아(Cooksonia)로 알려져 있다. 지금은 멸종된 원시적인 육상식물인 쿡소니아는 영국 웨일즈 지방에 화석으로 남아 있는데, 줄기에 유관속조직이 있으며, 비유관속 이끼류에서 유관속 식물로 진화하는 전이 형태를 갖는 작은 식물이었다. 또한 초기 육상 식물로 영국 스코틀랜드 라이니 지방에서 발견된 라이니 쳐트(Rhynie Chert) 지층에 화석으로 남아있는 라이니아(Rhynia)를 들 수 있다. 라이니아는 데본기(약 4억2천~3억2천 년 전)에 나타난 식물로, 줄기에 잎이 없으며 줄기가 둘로 갈라지고 갈라진 줄기 끝에 포자낭을 갖고 있는 단순한 형태의 작은 식물이었다. 이러한 식물들과 가장 비슷한, 현재 남아 있는 가장 원시적인 육상식물은 양치식물의 한 종류인 솔잎란이다. 현재의 작은 양치식물과 달리 고생대 데본기 중기 이후부터 석탄기에는 50m가 넘는 대형 양치식물들이 숲을 이루었고 이는 전 세계에 분포한 대규모 석탄층의 기원이 되었다. 우리나라의 경우는 이러한 대형 석송류(Lepidodendron sp.)와 대형 나무고사리(Pecopteris arborescens) 및 속새류(Annularia stellata)와 같은 화석 양치식물이 강원도 태백에 분포하고 있었다. 양치식물은 체내에 물을 수송시킬 수 있는 관다발(유관속, vascular bundle)을 발달시켰지만 번식은 이끼류와 마찬가지로 포자로 번식하며 물을 필요로 한다. 양치식물은 이끼류보다는 좀 덜 습한 곳에 자라지만 물이 있어야만 유성생식을 할 수 있어서 물가나 습한 환경, 또는 건조한 기후라도 우기가 흔한 지역에 산다. 양치식물에는 솔잎란류, 물솔류, 석송류, 속새류와 고사리류가 있다. ”

“ 육지에 사는 리니아의 홀씨는 바람을 통해 흩날려서 퍼졌기에, 말라붙기 쉬웠다. 그래서 현생 고사리 홀씨나 꽃식물의 꽃가루처럼, 리니아의 홀씨도 스포로폴레닌sporopollenin(포자나 화분의 세포벽을 구성하는 화합물)이라는 복잡한 중합체로 감싸여 있었다. 이 덮개는 물 손실을 억제하는 한편으로 해로운 자외선을 막는 "선글라스" 역할도 했다. ”

“ 리니아의 곧추선 축 끝에는 대개 번식을 위한 홀씨가 들어 있는 길쭉한 기관이 달려 있다. 물에서는 홀씨가 이리저리 헤엄쳐 움직일 수 있으므로, 퍼지기가 비교적 쉽다. 그러나 육지에 사는 리니아의 홀씨는 바람을 통해 흩날려서 퍼졌기에, 말라붙기 쉬웠다. 그래서 현생 고사리 홀씨나 꽃식물의 꽃가루처럼, 리니아의 홀씨도 스포로폴레닌sporopollenin(포자나 화분의 세포벽을 구성하는 화합물)이라는 복잡한 중합체로 감싸여 있다. 이 덮개는 물 손실을 억제하는 한편으로 해로운 자외선을 막는 "선글라스" 역할도 했다. ”