식물의 구조와기능

미생물에 대한 연구가 이루어지기 전까지 생물계는 보통 동물계와 식물계로 대별되어 왔다. 그러나 생물에 대한 이와 같은 구별은 절대적인 것이 아니며 유글레나 등과 같이 동식물의 양쪽 특성이 다 있는 생물도 있어서 그 구별이 애매할 때도 있다. 더욱이 하등생물에 이르면, 생물인지 무생물인지 구별하기가 어려워지는 경우도 있다. 일반적으로 식물이라고 할 때는 세포막의 바깥쪽에 세포벽이 있고, 엽록소가 있어 광합성을 하므로 독립영양생활을 하며, 이동 운동을 하지 않는 것을 원칙으로 삼아 식별한다.

다만, 이와 같은 원칙은 많은 예외가 있다. 예를 들면 유글레나와 같은 단세포성 조류는 식물적인 세포벽이 없고, 곰팡이나 버섯 등의 균류는 엽록소를 가지지 않아 종속영양생활을 한다. 또한, 단세포식물의 많은 종류들은 편모를 가지고 물 속을 헤엄쳐 다니는 이동 운동을 하고 있다. 그러나 이와 같은 예외에도 불구하고 그리스의 학자 아리스토텔레스 이래로 식별된 식물과 동물의 구분은 그대로 받아들여져 이것에 따른 학문을 발전시키고 있다.

1. 분류
식물에 대한 연구가 시작되던 초기에는 식물을 흔히 목본(木本)과 초본(草本)으로 구분하거나, 약용(藥用) ·식용(食用) 등 유용식물(有用植物)인지 아닌지 구분하기도 하였으며, 꽃 ·열매 ·종자의 모양과 특징에 따라 구분하기도 하였다. 그러나 현미경이 만들어져 식물의 미세 구조가 밝혀지면서 꽃이 피는 고등식물뿐만 아니라 단세포로 된 하등식물까지도 그 특징이 자세히 연구되었으며, 특히 C.다윈의 진화론이 발표된 후에는 이들 식물이 서로 계통적인 유연관계를 맺고 있음을 알게 되었다.

현재 지구상에는 35만여 종의 식물이 살고 있는데, 이들은 대략 조류(藻類) 3만여 종, 선태식물(蘚苔植物) 2만 2500여 종, 양치식물(羊齒植物) 1만 500여 종, 겉씨식물 800여 종, 속씨식물 25만여 종으로 구분되는 것으로 알려져 있다. 따라서 이와 같은 방대한 식물군을 분류하는 방법도 여러 가지로 다를 수 있는데, 그 중 대표적인 분류체계를 들어 보면 다음과 같다.

⑴ 남조식물(藍藻植物:Cyanophyta):박테리아와 함께 원핵생물로 불리는 식물군이다. 대부분이 단세포 또는 군체(群體)를 이루지만 다세포의 사상체인 것도 있다. 남조소 ·홍조소 등의 피코빌린(phycobilin)을 가지고 있으며, 광합성을 하고 독립영양생활을 한다. 동화산물은 덱스트린(dextrin)이다. 물 ·공기 ·토양 속이나 또는 암석 위 등 어디에서나 볼 수 있다. 지의류와 공생하는 것도 있다. 이분법 ·절단법 또는 포자법 등에 의한 무성생식을 하며, 생식세포에 의한 유성생식은 알려져 있지 않다. 약 160속 1,400종이 있다.

⑵ 홍조식물(紅藻植物:Rhodophyta):단세포로부터 체제가 다양한 다세포체를 이룬다. 남조류와 유연관계가 가깝다. 대부분이 바다에서 살고, 엽록소 a와 d, 홍조소 및 남조소 피코빌린계의 피코시아닌(phycocyanin)을 가지고 있어 광합성을 한다. 동화산물은 홍조녹말이다. 김 ·우뭇가사리 등과 같이 우리 생활과 깊은 연관을 맺고 있는 종류도 있으며, 산호말류(coralline algae)처럼 석회질을 다량으로 함유하고 바위에 고착 생활을 하고 있어서 식물이라고 보기 힘든 모습을 하는 종류도 있다. 무성생식은 사분포자(四分胞子)에 의하고, 유성생식은 암 ·수 배우자가 결합하여 만들게 되는 과포자(果胞子)에 의한다. 생식세포는 편모가 없고, 운동성이 없다. 약 500속 4,000종이 있다.

⑶ 황조식물(黃藻植物:Xanthophyta):부동성의 단세포체, 군체, 사상체, 낭상체(囊狀體) 등을 하고 있으며 세포벽은 셀룰로오스에 의해 2중인 것이 많다. 편모는 1~3개이다. 엽록소 a, c가 있으며 동화산물은 류코신(leucosin)이다. 주로 바다에 살며 육상의 습지에 사는 것도 있다. 규조류가 여기에 포함된다. 운동성이 있는 것은 원생동물 편모충류로 분류하기도 한다. 약 300속 1만 종이 있다.

⑷ 황적조식물(黃赤藻植物:Pyrrhophyta):단세포체, 군체, 사상체 등을 하고 있다. 엽록소 a와 c 및 크산토필(xanthophyll)계의 색소를 가지며 광합성을 한다. 동화산물은 유지 ·녹말 등이다. 세포에는 염주 모양으로 연결된 염색질을 가진 핵이 있고, 여러 조각으로 나누어지며, 돌기를 이루기도 하는 세포벽과 이 세포벽의 홈을 따라 가로 ·세로로 뻗은 2개의 편모가 있는 것이 특이하다. 무성적으로 2분법에 의하여 증식한다. 이들은 많은 종류가 바다에 살며 식물플랑크톤(phytoplankton)의 구성원이 되는데, 때로는 폭발적인 증식을 하여 적조(赤潮) 현상을 일으키기도 한다. 운동성이 있는 것은 원생동물 편모충류로 분류하기도 한다. 약 150속 1,000종이 있다.

⑸ 황갈조식물(黃褐藻植物:Chrysophyta):단세포로 된 조류이다. 엽록소 a와 종류에 따라 c를 함유하고, 갈조소 등 크산토필계 색소를 가지고 있으며 광합성을 한다. 동화산물은 류코신과 유지이며 녹말은 만들지 않는다. 이들은 흔히 편모가 1개 또는 2개 있고, 펙틴질 또는 규산질의 세포벽에 싸여 있는데, 편모가 없고 나출된 상태인 것도 있다. 세포분열에 의한 무성생식이 보편적이지만, 유성생식을 하는 종류도 알려져 있다. 학자에 따라 갈색식물에 포함시키기도 한다. 약 300속 6,000종이 있다.

⑹ 갈조식물(褐藻植物:Phaeophyta):체제상으로는 조류 중에서 가장 고등이고 모두 다세포체이며, 현미경적인 크기에서부터 수십 m에 달하는 거대한 종류도 있다. 대부분 바다에 사는데, 엽록소 a와 c, 갈조소를 가지고 광합성을 하며 동화산물은 라미나란(laminaran) ·유지 등이다. 한해(寒海)에서 자라는 미역 ·모자반처럼 식용되는 종류가 많고, 알긴산의 원료 등 산업적으로 이용되기도 한다. 포자에 의한 무성생식과 배우자에 의한 유성생식으로 증식한다. 약 240속 1,500종이 있다.

⑺ 녹충식물(綠蟲植物:Euglenophyta):유글레나식물이라고도 한다. 유글레나로 대표되는 이들은 편모를 가진 단세포이고 대부분이 민물에서 산다. 엽록소 a와 b를 가지고 있어 광합성을 하고, 독립영양생활을 하지만, 환경 조건에 따라서는 유기물을 섭취한다. 동화산물은 파라밀론(paramylon) ·유지 등이다. 몸의 앞끝에 안점(眼點)이 있고 편모를 가지는 등 동물적인 특성이 있어 원생동물의 편모충류로 분류하기도 한다. 2분법에 의한 무성생식을 하며 유성생식은 하지 않는 것으로 알려져 있다. 약 25속 400종이 있다.

⑻ 녹조식물(綠藻植物:Chlorophyta):단세포체 ·군체 ·다세포체 ·사상체 ·비세포성 다핵체까지 온갖 체제를 가진 종류가 모두 포함되는데, 육상식물과 같이 엽록소 a와 b를 가지고 있어, 광합성 결과 녹말을 만든다. 민물에 살며 포자 등에 의한 무성생식과 체세포의 접합 또는 생식세포의 결합에 의한 유성생식을 한다. 약 500속 5,000종이 있다.

⑼ 차축조식물(車軸藻植物:Charophyta):민물에 사는 다세포식물로서 쇠뜨기와 비슷한 모양을 하며, 색소의 조성 ·동화산물 등이 같아 녹조류와 비슷하나 영양체의 성장 ·생식법 등이 다르다. 유성생식 기관의 특성이 특이하다. 엽록소 a와 b, 카로틴 ·크산토필(xanthophyll) 등의 색소를 가지며 동화산물은 녹말이다. 차축조속(Chara), 니텔라속(Nitella) 등이 여기에 속하는 대표적인 속이다.

⑽ 선태식물(蘚苔植物:Bryophyta):보통 이끼류라고 불리는 이 식물은 물 속 생활을 하는 녹조식물과 육상 생활을 하는 양치식물로 이행하는 과정에 있는 특성을 나타내는데, 엽상(葉狀)이다. 줄기 ·잎의 분화가 없는 태류(苔類)와 뿌리 ·줄기 ·잎의 구별이 뚜렷한 선류(蘚類)로 크게 나뉜다. 이들은 포자에 의한 무성생식과 배우자에 의한 유성생식을 번갈아 한다. 생활사의 주상(主相)은 배우체이며, 그 위에 포자체가 기생적으로 부착해 있다.

⑾ 양치식물(羊齒植物:Pteridophyta):보통 고사리류라고 한다. 생식기관의 특성이 선태식물과 유사하여 장란기 ·장정기에서 만들어지는 암 ·수 배우자의 수정으로 유성생식을 한다. 그러나 선태식물과는 달리 무성세대가 크고, 보통 우리가 보는 고사리의 본체가 된다. 그리고 배우체는 전엽체(前葉體)라고 불리는 현미경적인 크기의 개체가 되는 점이 특이하다. 양치식물부터는 관다발이 발달하여 물관과 체관을 통하여 수분과 양분이 몸의 각 부분으로 수송된다. 양치식물은 과거 지질시대에 거대한 목본으로 번성하였으나, 지금은 대부분이 절멸되어 화석(化石)으로 남아 있다. 현생종은 약 320속 1만 종이 있다.

⑿ 종자식물(種子植物:Spermatophyta):꽃을 피우고 열매를 맺는 고등식물로 현화식물(顯花植物)이라고도 한다. 이것에 대하여 양치식물 이하의 식물군을 은화식물(隱花植物)이라 한다. 밑씨가 씨방 속에 있는 속씨식물(Angiospermae)과 밑씨가 씨방 밖으로 나출되어 있는 겉씨식물(Gymnospermae)로 크게 나뉘고, 이들을 각각 독립된 문(門)으로 분류하기도 한다. 속씨식물은 백악기 중기에 출현하여, 제3기 및 제4기를 거쳐 진화 발전하여 현재에 이르고 있으며, 겉씨식물은 과거 지질시대에 크게 번성하였다가 지금은 쇠퇴하고 있는 식물군이다. 약 1만 2000속 20만 종이 있다.

2. 형태
동물과 마찬가지로 식물도 여러 가지 고유한 형태를 지니고 있다. 이들은 세포라는 구조 및 기능적인 기본 단위가 모여서 이루어지는데, 세포 하나가 독립된 개체를 유지하는 단세포식물이 있으며, 수많은 세포가 모여서 기능적으로 결합된 다세포식물도 있다. 특히 이처럼 다세포를 이루더라도 세포 사이의 격막이 없어져서 전체로서 하나의 거대한 원형질 덩이를 이루는 비세포성 다핵체(非細胞性多核體)도 있다. 또한, 다세포체를 이루더라도 낱낱의 세포는 기능적으로 독립하여 단세포체가 집합된 형태를 하는 군체(群體)도 있다.

흔히, 우리가 볼 수 있는 식물은 다세포식물인데, 이 경우 세포간에 구조나 기능적인 분화가 그리 심하게 일어나지 않은 것은 보통 엽상식물(葉狀植物)이라 하며, 조류와 균류 등의 식물이 여기에 속한다. 한편, 선태식물부터는 뿌리 ·줄기 ·잎의 분화가 일어나서 이들을 경엽식물(莖葉植物)이라 하고, 양치식물과 종자식물은 조직과 기관의 분화가 뚜렷하며, 특히 관다발이 있으므로 이들을 관다발식물이라고 구분하기도 한다.

관다발식물은 표피계 ·기본조직계 ·관다발계 등으로 조직계가 분화된다. 이들은 계통적으로 볼 때 수중생활을 하던 다세포의 조류로부터 유래하여 육상생활로 옮아 왔는데, 이 때문에 양분과 수분의 수송을 위한 기능적인 분화가 일어나서 관다발이 발달되었을 것으로 볼 수 있다. 그리고 표피조직은 외부로부터 식물체를 보호하는 기능을 가지도록 분화되었다. 이처럼 식물체는 다양한 모습을 하고 있는데, 생물체의 이러한 존재 양식을 체제(體制)라고 한다.

3. 생리
식물도 동물과 마찬가지로 여러 가지 활동을 하는데, 이 중에는 식물체에서만 볼 수 있는 고유한 기능과 다른 생물에서도 공통적으로 볼 수 있는 기능의 두 가지로 대별된다. 이를테면 자동차가 움직이는 데 연료가 소모되고 이 때 나오는 화학 에너지를 이용하는 것처럼 식물체도 다른 생물의 경우와 마찬가지로 생활활동을 하기 위하여서는 탄수화물 등을 산화시키고, 이 때 얻는 화학 에너지를 이용하고 있다. 이것을 호흡작용이라고 한다.

식물에서 호흡작용의 기본적인 특성은 다른 생물과 같다고 할 수 있으나, 구체적인 부분에서는 다른 점도 있다. 동물의 경우 산소가 부족한 상태에서는 근육 등에서 포도당을 젖산으로 변화시키며 에너지를 얻지만, 식물에서는 최종 산물로 에탄올을 만드는 경우도 있다. 그러나 생명 현상의 가장 기본이 되는 핵산이나 단백질의 합성, 각종 물질대사의 원리는 다른 생물과 공통되는 것이 많다. 한편, 식물에서만 볼 수 있는 고유한 생활활동도 많은데, 식물의 녹색세포는 태양 에너지를 이용하여 이산화탄소와 물을 가지고 포도당과 같은 유기물을 합성하는 광합성을 한다.

박테리아 등의 화학합성을 하는 몇 가지 종류를 제외하고는 자연계에 있는 모든 생물은 이와 같이 녹색식물이 합성한 유기물을 직접 또는 간접적으로 이용하며 생활에 필요한 에너지를 얻고 있기 때문에 광합성의 생물학적 의미는 매우 크다고 할 수 있다. 그 밖에, 식물체가 하는 주요한 일로서는 무기질소 화합물로부터 유기질소 화합물을 합성해 내는 일을 들 수 있다.

즉, 식물체는 질산염을 환원하여 암모니아로 만드는 질산 환원작용과, 암모니아를 유기산과 결합시켜 아미노산을 만드는 작용을 하여 자연계에서 이루어지는 질소순환의 주요 과정을 담당하고 있다. 그리고 식물체만이 합성할 수 있는 여러 가지 고유한 물질도 있는데, 셀룰로오스 ·리그닌 ·펙틴 등 세포벽의 구성물질이나 플라보노이드 ·테르펜 등의 대사산물은 이에 속한다.

식물은 동물과 달리 몸 전체에서 생장이 일어나지 않고, 보통 뿌리나 줄기의 정단부에 있는 생장점(生長點)이라는 한정된 부분에서 생장이 일어난다. 따라서 식물의 경우 한 개체 안에서 생장과 분화가 연속적으로 일어나고 있어서 각각의 단계를 식별할 수 있다. 식물이 생장하기 위해서는 빛 ·물 ·이산화탄소 ·무기 영양물질 등의 주변 환경으로부터 섭취할 수 있는 물질이 필요하다.

그 밖에 식물체 내에서 만들어지는 식물호르몬도 세포의 분열 ·신장 ·분화에 필요한 것으로 알려져 있다. 한편, 식물은 동물에서 볼 수 있는 배설작용을 하지 않는데, 그 대신 주로 잎에서 이루어지는 수분의 증산, 이산화탄소와 산소의 방출 등을 하고 있다. 낙엽도 배설작용의 한 가지로 볼 수 있는데, 그 이유는 식물체 내에 생성된 여러 가지 대사산물은 거의 대부분이 액포(液胞) 속에 간직되었다가 잎이 질 때 몸 밖으로 내보내어지기 때문이다. 이 현상도 식물체에서 볼 수 있는 고유한 생리적 기능이라고 할 수 있다.

4. 분포
식물은 종류에 따라 생육장소가 각각 정해져 있다. 그 이유는 기후 ·토양 ·지형 등의 무기적인 환경 조건과 생물간의 경쟁 ·공존 등의 규제 조건이 각각의 생물에 작용하여 그들의 생육지를 제한하기 때문이다. 따라서 식물은 대부분이 정해진 분포역을 가지고 있다. 식물의 분포는 개개의 분류군을 단위로 하여 이해되는 경우와 지표를 중심으로 여러 가지 식물들이 어떻게 섞여 살고 있는지 밝히는 경우로 구분될 수 있는데, 전자는 식물상(植物相:flora)의 연구를 통한 분포의 이해이고, 후자는 생태적인 측면에서의 분포의 이해라 할 수 있다.

지구상의 여러 지역에 따른 식물상의 조사는 식물의 지리적 분포를 알게 하며, 또한 각각의 식물에 대한 생육지를 밝힐 수 있다. 이 경우, 일정한 장소에 어떤 식물이 정착할 때, 그 곳은 그 식물의 산지(産地)라 하고 전세계적으로 그 분포가 광범위한 식물은 범존종(汎存種)이라 한다. 또한, 특정 지역에 한정하여 생육하는 식물은 그 지역의 고유종(固有種)이라고 한다. 이를테면 미국 캘리포니아 지방에 생육하는 세쿼이아(Sequoia)나 중국의 메타세쿼이아(Metasequoia)는 과거에 광범위한 분포를 하던 종이 점차 절멸하여 특정 지역에만 국한되어 살아 남아 고유종이 된 좋은 보기이다.

지구상에서 식물의 분포역은 다양하다. 식물상에 따른 이들의 분포역은 보통 6개의 큰 구역으로 나뉘는데, 북반구의 전역에서 열대지역을 제외한 부분을 전북구(全北區), 아프리카의 대부분과 아시아의 열대지역을 구열대구(舊熱帶區), 멕시코 이남의 아메리카 대륙에서 남아메리카의 파타고니아 지역을 제외한 부분을 신열대구(新熱帶區), 오스트레일리아와 뉴질랜드 일대를 오스트레일리아구, 아프리카의 케이프 지역을 케이프구, 그리고 남극대륙과 그 주변의 섬들, 남아메리카의 파타고니아 지역, 뉴질랜드의 남부를 포함하여 남극구(南極區)로 구분한다.

한편, 생태 분포는 환경의 변화에 따른 식물 군락의 상관, 우점종, 특징적인 종에 의한 분포대(分布帶) 등을 다루는 것으로서, 아한대(亞寒帶) ·고산대(高山帶) ·산록대(山麓帶) 등으로 식물분포를 구분하는 것 등이다. 군락학적으로 본 식물의 분포는 수직분포와 수평분포로 구분된다. 이들은 모두 해발고도나 위도의 증가에 따른 기후조건, 토양조건 등 환경조건의 변화에 대응하여 변해가는 식물군락의 특성과 구성종의 분포역을 나타내는 것이 된다.

세계의 식물 또는 식생의 수평분포는 적도를 중심으로 남 ·북 양극을 향하여 위도가 높아짐에 따라 열대로부터 아열대 ·온대 ·아한대 ·한대가 차례로 나타나며, 남 ·북극이 서로 대조적인 배열을 한다. 특히, 주목할 일은 현재 세계문명의 중심지로서 인구가 밀집된 곳은 상록활엽수림대와 하록활엽수림대(북반구의 열대 이외의 식생대)로 대부분이 북반구의 동서양 해안 지대에 한정되고 있는 점이다.

지구상의 식물의 수직분포를 보더라도 북반구에서는 남에서 북으로 나타나는 평면적인 식물분포가 저지대로부터 고지대로의 식물 수직분포와 대응하여 나타나는 것을 볼 수 있다. 그러나 남반구에서는 고도에 따른 식생의 배열은 좀 복잡하여 위도와 직접적인 대응 관계로 표현하기 어려운 점이 있다. 결국, 북극에서 남극까지 수평적인 식물분포나, 해안에서 산의 정상까지 수직적인 식물분포는 어떤 지역에서나 지질시대로부터 오늘날에 이르는 오랜 세월 동안 시간이 경과하면서 여러 가지 환경 요인에 대응하여 적응된 식물군락이 조화를 이루며 살아 남은 것으로 볼 수 있다.

5. 인간과의 관계
인류는 일찍부터 의식주의 생활과 밀접한 관련을 가지고 식물을 이용해 왔다. 그리하여 약초(藥草)를 발견하고 병을 고치는 데 이용했으며, 술과 차 등의 기호식품을 개발하였다. 원시인류는 자연계에서 식물을 이용하는 정도에 그쳤으나, 점차 인간이 필요로 하는 식물을 직접 재배하고 이로써 그 수확량을 올릴 수 있는 기술을 터득하였다. 이 역사는 스위스의 식물학자 A.P.드 캉돌이 쓴 《재배식물》(1883)에 자세히 기록되어 있다. 약용식물은 중국에서 BC 5000년경에 이미 이용되었고, 유럽에서는 16세기에 곳곳에 약초원(藥草園)이 생겼다.

한편, 식용식물은 오랜 옛날부터 알려져 있었는데, 벼는 동아시아 또는 동남아시아의 주식식물이 되었고, 밀은 서아시아로부터 유럽에 이르는 일대의 재배식물이 되어 빵의 원료가 되었다. 남아메리카에서는 옥수수가 과거 잉카 문명을 일으키는 기초가 되었다. 카페인을 포함하는 비알코올성 식물에 대해서도 동양인은 녹차를, 영국계 사람은 홍차를, 미국인은 주로 커피와 콜라 등을 기호식품으로 개발하여, 인종 또는 문화권과 이용 식물과는 서로 밀접한 연관이 있음을 보여 준다. 문명이 발달하면서 의식주에 직접 관련되지 않더라도 관상용 식물 등이 크게 재배되어 인간생활과 밀접하게 연관되고 있음을 볼 수 있다.