속씨식물과 꽃 — 구조가 곧 전략이다

식물에게 가장 불리한 조건이 뭘까요. 광합성 효율도 아니고 물도 아닙니다. 움직일 수 없다는 것입니다.

동물은 짝을 찾아 갑니다. 식물은 못 갑니다. 그런데 번식하려면 꽃가루가 다른 개체에게 가야 해요. 겉씨식물은 이 문제를 바람에 맡겨서 풀었습니다. 운반자가 공짜라는 장점이 있지만, 바람은 방향을 가리지 않으니 명중률이 형편없고 그래서 꽃가루를 터무니없이 많이 만들어야 했죠.

속씨식물은 다른 길을 갔습니다. 움직일 수 있는 생물을 고용했습니다. 그리고 그 고용 계약을 위해 만든 장치가 꽃입니다. 오늘 글의 한 줄 요약은 이것입니다 — 꽃의 구조를 보면 그 식물이 누구와 거래하는지 알 수 있습니다.

속씨식물이라는 이름의 뜻

속씨식물은 피자식물, 곧 "싸인 씨를 가진 식물"입니다. 배주가 씨방 안에 들어 있다는 뜻이에요. 겉씨식물에서 배주가 비늘 표면에 노출돼 있던 것과 정확히 대비됩니다.

이 한 가지 차이에서 두 가지가 따라 나옵니다.

• 배주가 한 겹 더 보호받는다. 건조, 곤충의 산란, 물리적 손상에서 멀어집니다.
• 씨방이 자라면 열매가 된다. 겉씨식물에는 애초에 없던 구조가 하나 생긴 겁니다. 이게 종자 산포의 선택지를 폭발적으로 늘립니다 — 다음 글의 주제입니다.

현존 속씨식물은 약 25만~30만 종으로 추정되고, 육상식물 종의 대부분을 차지합니다. 우리가 먹는 거의 모든 작물이 여기 속해요. 벼·밀·옥수수·콩·감자·사과, 전부 속씨식물입니다.

꽃의 네 돌림

꽃은 사실 생식을 위해 변형된 짧은 가지입니다. 그 가지 끝에 변형된 잎들이 여러 겹의 돌림으로 달려 있는 구조예요. 그래서 꽃을 "잎이 변한 것"이라고 하는 설명이 나옵니다.

안쪽부터가 아니라 바깥부터 세는 순서로 정리합니다.

돌림	구조	하는 일
① 꽃받침	가장 바깥, 보통 녹색	꽃봉오리 상태의 꽃을 보호한다. 피기 전까지 안쪽을 싸고 있다
② 꽃잎	색이 있는 얇은 조각	동물을 불러들인다 — 색과 모양이 광고판이고, 착지대 역할도 한다
③ 수술	수술대 + 꽃밥	꽃밥 안의 소포자낭에서 꽃가루를 만든다
④ 암술	암술머리 + 암술대 + 씨방	꽃가루를 받고(암술머리), 꽃가루관이 자라고(암술대), 배주를 품는다(씨방)

세 번째와 네 번째 돌림만 생식에 직접 관여합니다. 꽃받침과 꽃잎은 생식 자체에는 참여하지 않아요. 그래서 이 둘을 묶어 비생식 부분으로 부르고, 실제로 이 부분이 없거나 거의 사라진 꽃도 많습니다.

암술 하나를 다시 쪼개서 보면 각 부분이 왜 그 위치에 있는지가 보입니다.

• 암술머리 — 맨 위, 끈적하거나 털이 나 있습니다. 꽃가루를 붙잡는 자리이고, 동시에 이 꽃가루가 받아들일 만한 것인지 걸러내는 검문소 역할도 합니다. 같은 개체의 꽃가루를 거부하는 자가불화합성이 여기서 작동하는 경우가 많습니다.
• 암술대 — 암술머리와 씨방을 잇는 목. 꽃가루관이 자라 내려가는 길이고, 이 조직에서 나오는 화학 신호가 꽃가루관의 방향을 유도합니다.
• 씨방 — 맨 아래 부푼 부분. 안에 배주가 들어 있고, 수정 후 열매가 됩니다.

쌤 한마디 — 꽃 구조 문항은 거의 전부 그림으로 나옵니다. 그런데 외워서 풀면 늘 하나씩 틀려요. 저는 수업에서 꼭 "손으로 꽃 하나 그려 보고 각 부분 아래에 그 부분이 수정 후 무엇이 되는지를 적어 보라"고 합니다. 씨방→열매, 배주→종자, 난세포→배. 이 세 줄을 그림에 직접 써 넣으면 Ch.30 전체가 한 장에 들어옵니다.

배우체는 어디에 있나

앞 글에서 종자식물은 배우체가 축소되어 포자체 안으로 들어갔다고 했습니다. 꽃 구조에서 그 자리를 정확히 짚어 두면 다음 글이 쉬워집니다.

포자체의 구조	그 안에서 일어나는 일	생기는 배우체
꽃밥 속 소포자낭	감수분열 → 소포자	꽃가루 = 수배우체 (화분관세포 + 정핵 2개)
씨방 속 배주	감수분열 → 대포자	배낭 = 자성 배우체

속씨식물의 배낭은 전형적으로 세포 7개, 핵 8개로 이루어집니다. 그중 다음 글에서 쓸 두 개만 기억하면 됩니다.

• 난세포 1개 — 정핵 하나와 합쳐져 배(2n)가 된다
• 중앙세포 — 안에 극핵 2개(n + n)를 가지고 있다. 나머지 정핵 하나와 합쳐져 배젖(3n)이 된다

왜 하나의 배우체 안에 핵이 둘이나 셋씩 따로 있는 구조가 되었느냐는 질문이 자연스럽게 나오죠. 그 답이 중복수정이고, 다섯 번째 글의 주제입니다. 지금은 "배낭 안에 난세포와 극핵이 따로 있다"까지만 잡아 두세요.

꽃은 꽃가루받이를 사고파는 장치다

이제 오늘 글의 중심 관점입니다. 꽃을 "예쁜 기관"으로 보면 구조가 안 외워집니다. 거래의 관점으로 보면 구조가 설명됩니다.

거래의 양쪽을 적어 보죠.

식물이 내놓는 것	동물이 내놓는 것
꿀 — 거의 순수한 당 용액, 즉 에너지	이동 — 다른 꽃까지 꽃가루를 실어 간다
꽃가루 일부 — 단백질이 풍부한 먹이	그 과정에서 같은 종의 꽃을 찾아 주는 선별까지 해 준다
때로 기름, 쉴 자리, 체온 올릴 공간

그리고 색·향·모양은 이 거래의 광고입니다. 광고는 공짜가 아니에요. 꽃잎을 키우고 색소를 만들고 꿀을 분비하는 데 에너지가 듭니다. 그 비용을 내는 이유는 하나입니다. 명중률이 올라가면 꽃가루를 훨씬 적게 만들어도 되기 때문입니다.

즉 식물은 두 가지 전략 사이에서 택했습니다. 바람에 맡기고 꽃가루를 양으로 승부하거나, 동물을 고용하고 광고비를 내거나. 꽃은 후자를 택한 결과입니다.

광고는 사람 눈에 맞춰진 게 아니라는 점도 짚어 둘 만합니다. 많은 꽃이 자외선 영역에서만 보이는 무늬를 가지고 있어서, 사람에게는 단색으로 보이는 꽃이 벌에게는 가운데로 안내하는 표지판이 달린 꽃으로 보입니다. 꿀 안내선이라고 부르는 그 무늬가 동물을 정확한 자리로 끌어들여, 몸에 꽃가루가 묻을 수밖에 없게 만듭니다.

바람나름꽃과 동물나름꽃 — 형태가 전략을 말한다

처음 보는 꽃이라도 생김새만으로 누가 꽃가루를 옮기는지 꽤 정확히 맞출 수 있습니다. 이 표가 그 근거입니다.

항목	바람나름꽃(풍매화)	동물나름꽃(충매화·조매화 등)
꽃잎·꽃받침	작거나 아예 없다, 녹색·갈색으로 눈에 안 띈다	크고 색이 선명하다
향기	거의 없다	있다 — 밤에 피는 꽃은 특히 강하다
꿀	없다 — 광고할 필요가 없으니 비용을 안 쓴다	있다
꽃가루 양	매우 많다	적다
꽃가루 표면	작고 가볍고 매끄럽고 건조하다 — 잘 날아야 한다	크고 돌기·점착성이 있다 — 몸에 붙어야 한다
암술머리	깃털·그물 모양으로 넓다, 꽃 밖으로 길게 나온다	작고 끈적하다, 꽃 안쪽에 있다
꽃밥의 위치	밖으로 노출, 바람에 흔들린다	동물의 몸이 스치는 자리
꽃이 피는 시기	흔히 잎이 나기 전 — 잎이 바람을 막지 않도록	매개동물의 활동기에 맞춘다
예	벼, 참나무, 자작나무, 돼지풀, 환삼덩굴	유채, 복숭아, 호박, 무궁화

항목마다 논리가 하나씩 들어 있습니다. 바람나름꽃이 꽃잎과 꿀을 버린 건 퇴화가 아니라 안 쓰는 비용을 끊은 것이고, 암술머리를 깃털처럼 벌려 밖으로 내민 건 공기 중을 지나가는 꽃가루를 그물로 걸러 내기 위한 구조입니다. 바람에 맡길 거면 받는 면적을 키워야 하죠.

여기서 생활에 바로 쓰이는 사실 하나. 봄철 꽃가루 알레르기의 주범은 풍매화입니다. 공기 중에 떠다니도록 설계된 꽃가루여야 코에 들어오니까요. 벚꽃이나 장미처럼 눈에 띄는 꽃은 꽃가루가 무겁고 끈적해서 공기 중에 거의 날지 않습니다. 눈에 안 보이는 참나무·자작나무·소나무가 범인이에요. 제가 수업에서 이 얘기를 하면 반응이 제일 좋은데, 구조와 전략의 연결이 바로 체감되기 때문일 겁니다.

꽃은 장식이 아니라 꽃가루받이를 사고파는 장치다 — 송쌤생명과학 자체 제작

공진화 — 서로가 서로의 선택압이 된다

거래가 오래 이어지면 양쪽 모양이 서로 맞춰집니다. 이것이 공진화입니다.

흐름은 이렇습니다.

1. 꽃통이 조금 긴 개체의 꿀은 주둥이가 긴 곤충만 닿는다.
2. 그 곤충은 같은 종류의 긴 꽃만 반복해서 찾는다 — 명중률이 올라간다.
3. 긴 꽃 쪽이 번식에 유리해지고, 긴 주둥이 쪽도 경쟁이 적은 꿀을 독점해 유리해진다.
4. 양쪽에서 같은 방향의 선택이 계속 작용한다.

이게 방향성 선택이 양쪽에서 동시에 걸리는 상황이고, 그 결과가 극단적인 형태로 나타나기도 합니다. 다윈이 1862년에 마다가스카르의 어떤 난초를 보고 꽃통이 아주 긴 것을 근거로 그만큼 긴 주둥이를 가진 나방이 있을 것이라 예측했고, 그에 해당하는 나방이 뒤에 실제로 확인된 일화가 유명합니다. 구조를 보고 상대를 추론한 거예요.

다만 한쪽이 상대를 속이는 방향으로도 진화합니다. 꿀을 전혀 주지 않으면서 암컷 곤충의 모습과 냄새를 흉내 내어 수컷을 끌어들이는 난초들이 있습니다. 거래가 아니라 사기죠. 종간 상호작용에서 상호이익과 기생이 연속선 위에 있다고 했던 것과 같은 이야기입니다. 꽃과 매개동물의 관계도 늘 공정한 거래는 아닙니다.

꽃이 종을 나눈다 — 생식적 격리로서의 매개동물

이 절이 종분화 단원과 Ch.30을 잇는 다리입니다.

교배 전 생식적 격리를 배울 때 여러 종류를 봤습니다. 시간, 장소, 행동, 기계적 구조. 식물에서는 여기에 하나가 더 붙습니다. 어떤 동물이 꽃가루를 옮기느냐입니다.

같은 지역에, 같은 시기에, 서로 교배 가능한 두 집단이 있다고 해 봅시다. 그런데 한쪽은 꽃이 붉고 통이 길어 벌새가 오고, 다른 쪽은 꽃이 넓적하고 향이 있어 벌이 옵니다. 벌새는 벌의 꽃에 거의 안 가고, 벌은 벌새의 꽃에 잘 못 들어갑니다. 그러면 물리적으로 붙어 살면서도 꽃가루가 섞이지 않습니다.

이게 동일지역 종분화의 실제 사례로 식물에서 자주 거론되는 메커니즘입니다. 지리적 장벽이 없는데도 유전자 흐름이 끊어지니까요. 그리고 격리를 만드는 형질이 꽃 색, 꽃통 길이, 개화 시각처럼 소수의 유전자로 바뀔 수 있는 형질이라는 점이 중요합니다. 변화가 빠를 수 있다는 뜻이에요.

속씨식물의 종 수가 왜 겉씨식물의 수백 배인지, 이 대목에서 설명이 됩니다. 꽃은 번식 장치이면서 동시에 종을 나누는 장치였습니다. 계통수에서 속씨식물 가지가 유독 빽빽하게 갈라져 있는 이유가 여기 있습니다.

후속 질문 — 그럼 자가수분은 왜 막으려 하나

꽃 하나에 수술과 암술이 같이 있으면 자기 꽃가루로 자기를 수정시키는 게 훨씬 쉽고 확실할 텐데, 식물은 그걸 애써 피하는 장치를 여럿 가지고 있습니다. 왜일까요.

자가수분을 계속하면 유전적 다양성이 줄고, 해로운 열성 대립유전자가 동형접합으로 드러나 생존력이 떨어집니다. 그래서 다음과 같은 장치들이 있습니다.

• 자가불화합성 — 암술머리나 암술대가 같은 개체의 꽃가루를 인식해 꽃가루관 성장을 막는다
• 성숙 시기를 어긋내기 — 한 꽃에서 수술과 암술이 성숙하는 시각을 다르게 한다
• 위치를 어긋내기 — 암술머리를 꽃밥보다 훨씬 높게 두어 자기 꽃가루가 떨어지지 않게 한다
• 암수딴그루 — 수꽃과 암꽃을 다른 개체에 나눠 둔다

그렇다고 자가수분이 늘 나쁜 건 아닙니다. 주변에 같은 종이 거의 없거나 매개동물이 없는 환경에서는 자가수분이라도 하는 쪽이 아예 번식을 못 하는 것보다 낫습니다. 실제로 그런 환경의 식물은 자가수분 비율이 높아요. 다양성과 확실성 사이의 거래이고, 환경에 따라 답이 달라집니다.

여기서 제일 많이 틀립니다

• "꽃잎이 있어야 꽃이다" — 아닙니다. 벼, 참나무, 소나무 주변에서 보는 눈에 안 띄는 구조도 꽃입니다(소나무는 겉씨식물이라 구과이고요). 꽃의 정의는 꽃잎이 아니라 수술과 암술을 갖춘 생식 구조입니다. 꽃받침과 꽃잎은 없을 수도 있습니다.
• "씨방이 종자가 된다" — 씨방은 열매가 되고, 씨방 안의 배주가 종자가 됩니다. 이름이 '씨방'이라 종자가 되는 것처럼 읽히는 게 함정입니다.
• 꽃가루를 정자로 쓴다 — 앞 글의 1번이었습니다. 꽃가루는 수배우체이고 안에서 정핵 2개가 만들어집니다.
• 암술머리를 단순한 착지대로만 본다 — 받는 자리이면서 걸러내는 자리입니다. 다른 종의 꽃가루나 자기 개체의 꽃가루를 거부하는 인식이 여기서 일어납니다. "수분이 되었는데 수정이 안 되는" 경우의 상당수가 이 단계에서 걸립니다.
• 풍매화를 "덜 진화한 꽃"으로 본다 — 아닙니다. 벼·참나무처럼 아주 성공한 무리가 풍매화이고, 동물 매개에서 다시 바람으로 돌아간 계통도 있습니다. 매개동물이 드물거나 같은 종이 밀집해 자라는 환경에서는 바람이 더 효율적이에요. 환경에 따라 유리한 전략이 다르다는 원칙은 여기서도 그대로입니다.
• 공진화를 "서로 도우려고 함께 변했다"로 서술한다 — 목적이 있는 게 아닙니다. 각자 자기 번식에 유리한 방향으로 선택될 뿐이고, 그 결과가 맞물려 보이는 겁니다. 실제로는 서로 속이고 빼먹는 관계로 진화하는 경우도 많습니다.
• 벚꽃 때문에 알레르기가 생긴다고 생각한다 — 공기 중에 떠다니는 꽃가루는 풍매화의 것입니다. 눈에 잘 띄는 꽃의 꽃가루는 무겁고 끈적해서 날지 않습니다.

정리하면

속씨식물은 배주가 씨방 안에 싸여 있는 식물이고, 그 결과 씨방이 자라 열매가 되는 구조를 새로 갖게 되었습니다. 현존 약 25만~30만 종으로 육상식물의 대부분을 차지합니다.

꽃은 네 돌림으로 되어 있습니다. 꽃받침은 봉오리를 보호하고, 꽃잎은 동물을 불러들이고, 수술의 꽃밥에서 꽃가루가 만들어지고, 암술은 암술머리로 꽃가루를 받아 암술대로 통과시키고 씨방에서 배주를 품습니다. 꽃밥 속 소포자낭에서 꽃가루(수배우체)가, 배주 안에서 배낭(자성 배우체)이 만들어집니다.

꽃을 이해하는 가장 빠른 관점은 거래입니다. 식물은 꿀과 꽃가루를 내놓고 동물의 이동 능력을 삽니다. 색·향·꿀 안내선은 그 거래를 알리는 광고이고, 광고비를 내는 대신 꽃가루를 훨씬 적게 만들어도 됩니다. 그래서 바람나름꽃은 꽃잎과 꿀을 버리고 꽃가루 양과 깃털 모양 암술머리로, 동물나름꽃은 큰 꽃잎과 꿀과 점착성 꽃가루로 서로 반대 방향의 형태를 갖습니다.

거래가 오래되면 양쪽 형태가 맞물려 변하는 공진화가 일어나고, 매개동물이 특정해지면 같은 지역에 살면서도 꽃가루가 섞이지 않는 교배 전 생식적 격리가 만들어집니다. 꽃은 번식 장치이면서 종을 나누는 장치였고, 속씨식물의 폭발적인 종 다양성이 여기서 나옵니다.

그런데 속씨식물의 발명은 꽃 하나가 아닙니다. 수정 방식 자체가 다릅니다. 정핵 둘이 각자 다른 상대와 결합하는 중복수정, 그리고 그 결과로 생기는 열매. 왜 3n짜리 조직이 생기는지, 그리고 그 이상한 핵상이 왜 효율적인지를 마지막 글에서 끝내겠습니다.