[YS과학] 초식공룡이 먹던 고사리의 일생

고사리는 진화의 역사에서 매우 일찍 탄생한 식물이다. 공룡이 지배하던 시절에 육상에 살았던 식물은 고사리류였고, 초식성 공룡들은 다양한 형태의 고사리 종류를 주로 먹으며 살았다. 고사리는 그늘지고 물기가 많은 계곡 근처에 잘 자란다. 고사리 종류는 현재까지 10,560종이 알려져 있으며, 우리나라에는 200종 이상이 알려져 있다. 전체 고사리의 80%는 비가 많고 정글의 숲이 그늘진 열대와 아열대에 산다.

지금의 고등식물이 나타나기 이전에는 양치류(대표식물 고사리)라 불리는 식물이 지상의 주인이었다. 양치식물이 탄생하기 이전에는 물과 영양을 운반하는 관다발(유관속)이 없는, 잎만으로 이루어진 이끼류(선태류)와 조류(algae)와 같은 하등식물이 주인이었다.

양치식물의 조상은 약 4억 2,000만 년 전에 등장했다. 그들은 뿌리에서 높은 곳까지 물을 운반할 수 있는 파이프(관다발)를 가진 대형으로 자랄 수 있는 최초의 식물이었다.

고사리 종류 중에 키가 1-2.5m까지 자라는 층층고사리는 5,500만 년 전에 지상에 태어나 오늘날까지 살아남은 대형 고사리 종류이다. 고사리 종류는 수분만 있으면 바위틈과 같은 악조건에서도 잘 견디는 강인한 식물이다.

고사리의 뿌리를 보면 고등식물의 모습과 다르다. 뿌리줄기 형태인 그들의 뿌리는 사방으로 뻗어나가며, 뿌리줄기의 마디에서 해마다 새순이 돋아나온다. 고사리는 뿌리가 노출되어 건조하더라도 좀처럼 죽지 않고 견디기도 한다.

우리나라 산야에서 흔히 보는 개고사리의 모습이다. 고사리류는 거의 다년생이고, 상록인 것과 겨울에는 낙엽지는 종이 있다. 고사리의 뿌리줄기는 수평으로 뻗어 나가고, 마디에서 머리가 돌돌 말린 새 고사리 잎이 나온다.

고사리가 탄생한 이후에 나타난 공룡

고사리가 지상의 주인 식물이 되기 이전에는 공룡도 나타나지 않았다. 그러나 고사리가 땅을 덮었을 때 크고 작은 초식 공룡들이 나타나 그들을 주식하며 살아가는 공룡시대가 되었다. 대표적인 초식 공룡에는 트리케라톱스, 스테고사우루스, 디플로도쿠스, 안키오사우루스, 이구아노돈 등이 있다.

지구상에 처음 나타난 양치류는 키가 작았으나 진화가 진행되면서 고생대에 이르자 그들 중에는 나무처럼 거대한 종류까지 나타나 지상을 뒤덮었다. 오늘날 석탄 형태로 발견되는 것은 모두 당시에 살았던 거대한 양치식물이 수천만 년 동안 지각 변동이 생길 때마다 땅속에 파묻히어 생겨난 그들의 화석이다.

고사리는 몸길이 26m, 무게 1.5t에 이르는 디플로도쿠스와 같은 거대 초식 공룡이 주식했던 고대의 식물이다.

포자로 번식하는 고사리의 생활사

고등식물은 씨앗(seed)으로 자손을 남기지만, 고사리(양치류)와 곰팡이, 버섯, 박테리아 등은 포자(胞子 spore 또는 홀씨)라 부르는 먼지처럼 작은 세포를 수없이 만들어 자손을 퍼뜨린다. 포자는 현미경으로 관찰해야 보일 정도로 작은 형태이지만, 나쁜 환경에서도 잘 견디는 매우 강인한 구조를 갖추고 있다.

박테리아 및 하등식물은 포자를 만들어 자손을 번식한다. 버섯은 갓이나 공처럼 생긴 자실체에 무수히 많은 포자를 만들어 채우고, 곰팡이는 포자자루 끝에 포자낭(포자주머니)이라 불리는 것에 포자를 만든다. 이끼류는 자루 끝에 포자가 가득한 포자주머니를 만들고, 고사리류는 잎 뒷면에 갈색의 작은 포자낭을 수없이 형성한다. 사진은 버섯의 자실체에서 미세한 포자 입자들이 연기처럼 쏟아져 나와 공중으로 흩어져 날리는 모습이다.

갓을 가진 일반적인 형태의 버섯은 갓 아래의 주름 속에 엄청난 수의 포자를 형성한다. 버섯의 갓이 성숙하면 포자들이 쏟아져 내려 바람에 날려간다.

질문 1. 고사리는 왜 양치식물이라 불리나?

고사리를 양치식물(羊齒植物)이라 말하는 이유는 잎의 모양이 양(羊)의 이빨처럼 가지런히 붙어 있다고 하여 붙여진 이름이다. 양치식물에 속하는 대표 종류는 솔새류(쇠뜨기류)와 고사리류이다.

질문 2. 고사리의 포자는 얼마나 작은가?

고사리 잎의 뒷면을 보면, 갈색의 포자낭(sorus 복수는 sori)이 붙어 있고, 포자낭 속에는 크기가 0.03-0.06mm인 먼지 같은 포자가 가득하다. 포자는 감수분열하여 생겨나기 때문에 핵에는 염색체가 1n만 존재한다. 그러므로 이 포자는 적당한 환경을 만나 발아하더라도 어린 고사리가 되지 못한다.

질문 3. 고사리의 포자가 발아하여 생겨난 것은 어떤 역할을 하나?

고사리의 포자가 발아하면 배우체라 불리는 작은 조직으로 자란다. 새끼손가락 손톱 정도 크기로 자란 배우체 속에는 난자와 정자가 담긴 조직이 생겨난다. 그리하여 정자와 난자는 수정을 하여 2n의 수정세포가 되면서, 그때부터 어린 고사리로 자라게 된다.

질문 4. 고사리의 포자가 발아한 배우체 속에서 난자와 정자는 어떻게 수정되나?

고사리의 포자가 젖은 땅에 떨어지면 발아를 하여 작은 하트 모양의 녹색 잎처럼 자라는데, 이 발아체를 배우체(配偶體, gametophyte))라 부른다. 配偶는 짝이라는 뜻이고 여기에 體를 붙여 ‘암수가 함께 있는 생명체’라는 의미이다.

질문 5. 고사리 포자는 생존력이 강한가?

고사리의 포자는 온도, 건조, 방사선 등의 환경 변화에 저항력이 매우 강하며, 발아하지 않고 휴면 상태로 장기간 생존할 수 있다. 휴면하고 있는 포자는 수분과 공기가 없고, 온도가 매우 높거나 낮아도 세포에 변화가 좀처럼 일어나지 않는다.

배우체는 작은 모습이기 때문에 눈에 잘 뜨이지 않는다. 배우체가 어느 정도 자라면 그 속에 정자를 가진 장정기와 난자를 가진 장란기라는 조직이 생겨난다. 정자들은 자기가 태어난 배우체뿐만 아니라 다른 배우체까지도 물을 따라 이동하여 난자와 수정을 한다. 성공적으로 수정이 이루어지면 이 수정란으로부터 2n의 염색체를 가진 어린 고사리가 자라나기 시작한다. 수정이 끝난 배우체는 시들어버린다.

고사리의 포자(왼쪽 중앙)가 발아하면 어린 배우체(young gametophyte)가 되고, 손톱초럼 작은 배우체로 자라면 내부에 정소(sperm)와 난소(egg)가 생겨난다. 정소에서 생겨난 정자가 난소의 난과 수정하면 이때부터 새로운 어린 고사리(young fern plant)로 자라게 된다.

배우체에서 수정이 이루어지면 사진과 같은 ‘전엽체’라 부르는 작은 잎 모양이 자라난다. 전엽체란 ‘완전한 잎이 되기 전의 형태’라는 뜻이다. 전엽체에서 드디어 새잎이 나오면서 이것이 자라 완전한 고사리 모습으로 생장하게 된다.

선태류나 양치식물처럼 꽃이 피지 않고 포자로 증식하는 식물 무리를 은화식물이라 한다. 과거시대에는 모두 은화식물의 세상이었다. 그러나 약 1억 4,000만 년 전에 꽃을 피우고 열매를 맺으며 그 속에 씨를 형성하는 현화식물이 탄생했다. 현화식물은 은화식물처럼 먼지처럼 작은 포자를 무수히 만드는 대신 발아와 생장이 훨씬 효과적인 씨를 맺는 식물로 진화한 것이다.

많은 종류의 양치식물은 잎의 모양이 아름다워 정원에서 재배하는 관엽식물로 사랑받는다. 양치식물은 그늘에서도 산소를 생산하고 이산화탄소를 흡수하면서 지구의 대기 환경을 지키는 중요한 식물이다. 그들은 태양 빛이 조금만 있어도 무성하게 자라 토양이 침식되지 않도록 보호하고 있다.