답변 내역

식물의 굴중성은 뿌리 끝 뿌리골 세포에 위치한 고밀도 녹말체 평형석의 물리적 침강으로 발생하는 현상입니다.식물이 기울어지면 세포질보다 밀도가 높은 녹말체가 중력 방향으로 침강하게 됩니다.그럼 침강하는 녹말체가 세포 내 소포체 및 소포체-세포골격 네트워크를 압박하여 물리적 신호를 발생시키는데, 이 자극으로 LAZY 단백질과 옥신 배출 수송체인 PIN 단백질이 세포의 아래쪽 세포막으로 집중적으로 이동합니다.그럼 아래쪽에 집중된 PIN 수송체에 의해 성장 호르몬인 옥신이 줄기나 뿌리의 아래쪽 방향으로 집중 배출됩니다.그 결과 아래쪽에 축적된 고농도 옥신이 세포 신장을 억제하여, 위쪽 세포가 더 빨리 자라 뿌리가 땅속으로 휘는 양성 굴중성이 발생하게 되고, 아래쪽에 축적된 옥신이 세포 신장을 촉진하여, 아래쪽 세포가 더 빨리 자라 줄기는 위으로 휘는 음성 굴중성이 발생하게 됩니다.

엽록소는 적색광과 청색광을 주로 흡수하고, 녹색광은 흡수하지 못해 반사 또는 투과시키기 때문에 식물의 잎이 초록색으로 보이는 것입니다.즉, 우리 눈에 광합성에 사용되지 못하고 튕겨 나온 녹색 파장의 빛이 들어와 초록색으로 보이는 것이죠.다만, 라마님께서 말씀하신 것과 달리 적색광은 반사되지 않고 광합성 에너지로 대부분 흡수됩니다.그리고 흡수 스펙트럼은 엽록소나 카로티노이드 같은 특정 색소가 빛을 파장별로 얼마나 흡수하는지 나타낸 그래프인데, 파장별 빛에 따라 식물 전체의 실제 광합성 속도가 얼마나 일어나는지 나타냅니다.그리고 작용 스펙트럼이 엽록소a의 흡수 스펙트럼보다 범위가 넓은 이유는 보조 색소 때문입니다.또 카로티노이드는 엽록소가 잘 흡수하지 못하는 청녹색 파장(400~500nm)의 빛을 흡수해 광합성을 돕고, 강한 빛에 의해 세포와 엽록소가 손상되지 않도록 과도한 에너지를 열로 방출합니다.참고로 가을이 되어 엽록소가 먼저 파괴되면, 남아있던 카로티노이드의 색이 겉으로 드러나며 단풍이 드는 것이죠.결론적으로 잎은 녹색광을 버리고 적색과 청색광으로 작동하며, 카로티노이드는 그 보조 및 보호 장치 역할을 합니다.

당나귀와 말은 말과 말속에 함께 속하는 매우 가까운 친척 종입니다.생물학적으로 비유하면 사자와 호랑이, 또는 개와 늑대만큼이나 가까운 사이입니다.그리고 두 동물은 약 400만~450만 년 전 공통 조상에서 갈라져 진화했죠.또 유전적으로 매우 가깝기 때문에 이종 교배가 가능해서 수컷 당나귀와 암컷 말 사이에 노새, 수컷 말과 암컷 당나귀 사이에 버새가 태어납니다.그러나 말은 염색체 64개, 당나귀는 62개로 교배종은 63개의 염색체를 가지며 감수분열을 할 때 염색체 쌍을 이루지 못해 번식 능력이 없습니다.또 생태적으로 말은 초원 지대에 적합하게 빠르게 달리도록 진화했고, 당나귀는 건조한 바위나 사막 지대에 적합한 큰 귀와 뛰어난 신진대사율 등 생존 본능을 발달시켰습니다.

옥신은 포토트로핀 수용체의 활성화로 인해 빛의 반대편 그늘진 쪽으로 이동하여 불균등하게 분포합니다.어두운 쪽에 모인 옥신은 세포막의 수소 이온 펌프를 활성화해 세포벽 공간으로 수소 이온을 배출하고, 이로 인해 세포벽 내부가 pH 약 4.5~5.0로 산성화되면 산성 환경에서 작동하는 효소인 익스팬신이 활성화됩니다.그리고 익스팬신은 셀룰로스 미세섬유 사이의 수소결합을 끊어 단단했던 세포벽 구조를 유연하게 완화시킵니다.세포벽의 저항이 약해진 상태에서 수분이 세포 내로 유입되어 팽압이 발생하는데, 결과적으로 느슨해진 세포벽이 팽압에 의해 외부로 확장되면서 어두운 쪽의 세포 신장이 촉진되는 것입니다.결국 빛을 받는 쪽보다 어두운 쪽의 세포가 더 길게 늘어남으로써 줄기가 빛 방향으로 굽어 자라게 되는 것입니다.

말씀하신 것처럼 북극곰의 털은 실제 흰색 색소가 전혀 없는 투명한 속이 빈 빨대 같은 유리관 형태입니다.먼저 흰색으로 보이는 이유는 빛의 산란 때문입니다. 털 내부의 관 구조가 빛을 산란시키기 때문에 우리 눈에는 흰 눈처럼 흰색으로 보이게 됩니다.그런데, 투명한 털관은 광섬유처럼 태양의 온기와 자외선을 검은색 피부까지 효과적으로 전달하는 역할을 하고, 털 속의 빈 공간은 열전도를 막아 체온이 바깥으로 빼앗기지 않도록 단열재 역할도 합니다.이 덕분에 북극곰은 태양열 흡수와 단열 효과를 높이며 극지방의 추위 속에서도 체온을 유지할 수 있는 것입니다.

결론부터 말씀드리면 C3, C4, CAM 식물은 이산화탄소 고정과 켈빈 회로의 분리 방식에서 차이가 납니다.먼저 C3식물은 전혀 분리 되는 것이 없습니다.엽육세포에서 루비스코 효소가 이산화탄소를 직접 고정하지만, 건조한 고온 환경에서는 광호흡 손실이 커집니다.반면 C4식물은 공간적 분리가 되어 있습니다.엽육세포의 PEP 카복실화 효소가 이산화탄소를 1차 고정한 뒤, 유관속초세포로 옮겨 켈빈 회로를 돌려 광호흡을 최소화합니다.그리고 CAM식물은 시간적으로 분리되어 있습니다.수분 증발을 막기 위해 밤에만 기공을 열어 이산화탄소를 말산 형태로 액포에 저장하고, 낮에는 기공을 닫은 채 빛에너지로 광합성을 합니다.즉, C4는 세포 위치를, CAM은 낮과 밤의 시간을 나누어 고온과 건조 환경에 적응한 것입니다.

지베렐린은 휴면 상태에 있던 종자가 수분을 흡수했을 때 발아를 개시하도록 신호를 보내는 식물 호르몬입니다.수분을 흡수한 종자는 배에서 지베렐린 호르몬을 집중적으로 합성하고, 합성된 지베렐린은 배유를 둘러싼 호분층 세포로 확산하여 이동합니다.그리고 호분층 세포에 도달한 지베렐린은 GID1 수용체와 결합하여 신호를 전달하는데, 이 신호는 유전자 발현을 막고 있던 DELLA 단백질을 파괴하여 억제를 해제하게 됩니다.즉, DELLA 단백질이 사라지면 소화효소인 알파-아밀라아제 유전자의 전사가 시작되는 것입니다.분층은 알파-아밀라아제와 단백질 분해 효소를 대량 합성해 배유로 분비하고, 분비된 알파-아밀라아제는 배유 속 불용성 녹말을 수용성 포도당과 엿당으로 분해합니다.그리고 분해된 당과 아미노산은 자엽을 통해 세포 분열이 일어나는 배로 이동하고, 배는 공급받은 영양분을 호흡 기질로 사용해 ATP 에너지를 생성하고 세포 분열을 일으키게 됩니다.그래서 늘어난 에너지와 세포 신장으로 어린뿌리와 순이 껍질을 뚫고 나오며 발아가 완성시작되는 것입니다.

광주기성의 핵심은 낮의 길이가 아니라 연속된 밤의 길이입니다.식물 잎에 있는 피토크롬 색소가 적색광과 원적색광의 빛을 감지하는 스위치 역할을 합니다.낮 동안 태양광을 받으면 피토크롬은 활성형인 Pfr 상태로 전환되지만, 밤이 되면 Pfr은 비활성형인 Pr 상태로 천천히 돌아가며 밤의 길이를 측정합니다.그래서 밤 중간에 짧은 빛을 비추면 식물은 밤이 끊어진 것으로 인식해 개화가 억제되거나 반대로 촉진되기도 하죠.이는 식물에 따른 차이인데, 국화나 코스모스 같은 단일식물은 연속적인 밤이 임계 시간보다 길어야 개화하고, 시금치나 상추 같은 장일식물은 연속적인 밤이 임계 시간보다 짧아야 개화합니다.그래서 측정된 암기 조건이 맞으면 생체시계 단백질이 안정화되고 FT 유전자가 활성화되는데, FT 유전자에서 만들어진 단백질이 바로 개화 호르몬인 플로리겐입니다.이후 플로리겐은 체관을 통해 줄기 끝 생장점으로 이동하여 잎 대신 꽃눈을 만들도록 지시하는 것입니다.

콩과 식물과 뿌리혹수균은 신호 교환을 통해 뿌리혹을 형성하고 상리공생을 이룹니다.식물이 플라보노이드를 분비하면 세균이 Nod인자로 응답하며 식물 뿌리털이 갈고리 모양으로 구부러집니다.그리고 세균이 뿌리털 내부로 침투할 수 있는 감염실관을 형성하여 피층 세포로 이동하고, 세균의 자극으로 피층 세포가 왕성하게 분열하면서 혹 모양의 조직이 생기며, 내부 세균은 질소 고정 전용 형태인 박테로이드로 변태합니다.사실 대기 중 질소는 삼중 결합으로 이루어져 너무 안정적인 구조라서 반응성이 극도로 낮습니다. 하지만, 뿌리혹수균의 질소고정효소 복합체가 대량의 에너지를 사용해 이 삼중 결합을 끊어내는 것입니다.이를 화학식으로 적어보면 'N2 + (8H+) + (8e-) + 16ATP -> 2NH3 + H2 + 16ADP + 16Pi'입니다.그결과 생성된 암모니아(NH3)는 세포 내 수소 이온과 결합해 독성이 적고 식물이 즉시 흡수할 수 있는 암모늄 이온 형태로 변환되어 단백질과 핵산 합성의 원료로 쓰이게 됩니다.그런데, 질소고정효소는 산소에는 너무 약해서 산소와 만나는 순간 파괴됩니다. 하지만 세균이 ATP를 생산하려면 호흡에 산소가 필요하다는 사실이 아이러니하죠. 이 모순을 해결하는 것이 식물과 세균이 합작해 만드는 레그헤모글로빈 단백질입니다.결론적으로 식물은 고정된 암모늄 이온을 전달받아 단백질과 핵산의 합성 원료로 사용하고, 세균은 식물로부터 말산 등 유기산을 제공받아 안정적으로 증식하는 것입니다.

심해 생물이 높은 수압 속에도 찌그러지지 않을 수 있는 이유는 내부와 외부의 압력을 맞추고, 분자 수준의 방어 체계를 구축하고 있기 때문입니다.체내를 물과 지방 같은 비압축성 액체로 채워 내부 압력을 외부 수압과 똑같이 맞춥니다. 특히 수압에 쉽게 구겨지는 공기주머니인 부례를 없애거나 기름 및 지방으로 대체했습니다. 게다가 세포막의 지방을 불포화지방산 위주로 구성해서 차갑고 누르는 힘이 강한 높은 수압에도 세포가 굳지 않도록 해줍니다.또한 단단한 뼈 대신 물렁물렁한 연골과 얇은 피부로 높은 압력에도 부러지지 않고 견딜 수 있습니다.그리고 체내 TMAO(트리메틸아민-N-옥사이드) 성분이 수압으로 단백질 구조가 변형되거나 파괴되는 것을 막아줍니다.이처럼 서식환경에 맞춘 물리적, 화학적 구조 덕분에 높은 수압의 깊은 바다에서도 살아갈 수 있는 것입니다.