학문
바나나를좋아하는원숭이
기공은 어떠한 세포 구조와 삼투압 조절 기작을 통해 열리고 닫히는 것인가요?
안녕하세요. 식물의 잎 하면 표피에는 기공이라고 하는 작은 구멍이 존재하며 이 구멍을 통해서 기체 교환과 수분 조절이 이루어진다고 합니다. 그렇다면 기공은 어떠한 세포 구조와 삼투압 조절 기작을 통해 열리고 닫히는 것인가요?
5개의 답변이 있어요!
안녕하세요.
식물 잎 표면에 존재하는 기공은 광합성에 필요한 기체 교환과 수분 조절을 담당하며, 양쪽에서 기공의 크기를 조절하는 한 쌍의 공변세포로 이루어져 있습니다. 이 공변세포는 일반 표피세포와 달리 엽록체를 가지고 있으며, 세포벽 두께도 안쪽과 바깥쪽이 다르게 형성되어 있어 팽압 변화에 따라 모양이 변할 수 있습니다. 기공이 열리고 닫히는 핵심 원리는 삼투압과 팽압 변화인데요, 빛이 비추거나 광합성이 활발해질 조건이 되면 공변세포의 세포막에 있는 이온 펌프가 활성화되어 칼륨 이온과 같은 무기 이온들이 세포 안으로 들어옵니다. 그러면 세포 내부의 용질 농도가 높아지고, 삼투압 차이 때문에 물이 세포 안으로 들어오게 되며, 물이 들어오면 공변세포의 팽압이 증가하면서 세포가 휘어지고, 결과적으로 가운데 기공이 열리게 됩니다.
반대로 수분이 부족하거나 스트레스를 받으면 식물은 아브시스산이라는 호르몬을 증가시키는데요, 이 호르몬은 공변세포에서 이온이 빠져나가게 만들고, 물도 함께 빠져나가 팽압이 감소하게 됩니다. 결과적으로 공변세포가 수축하면서 기공이 닫히게 됩니다. 이때 환경 조건도 기공 개폐에 큰 영향을 주는데요, 빛 중에서도 특히 청색광은 기공 개방을 촉진합니다. 낮에는 광합성을 위해 이산화탄소가 필요하므로 기공이 열리는 경우가 많고, 반대로 밤에는 광합성이 거의 일어나지 않기 때문에 많은 식물에서 기공이 닫히는 경향이 있습니다. 또한 수분 부족 상태에서는 앞서 말씀드린 것처럼 기공이 닫히게 되며, 이는 수분 보존에는 유리하지만, 동시에 이산화탄소 흡수가 줄어들기 때문에 광합성 효율은 감소할 수 있습니다. 마지막으로 대기 중 이산화탄소 농도도 영향을 줍니다. 잎 내부의 이산화탄소 농도가 낮으면 식물은 더 많은 기체를 받아들이기 위해 기공을 여는 방향으로 반응할 수 있고, 반대로 내부나 외부 이산화탄소 농도가 충분히 높으면 기공을 일부 닫아 수분 손실을 줄이기도 합니다. 감사합니다.
채택 보상으로 384베리 받았어요.
채택된 답변기공의 개폐는 공변세포의 구조적 특징과 삼투압 변화로 조절됩니다.
먼저 공변세포는 기공 쪽 안쪽 세포벽이 바깥쪽보다 두껍고, 셀룰로스 미세섬유가 방사형으로 배열되어 있어 내부 압력이 높아지면 바깥쪽으로 활처럼 휘어지는 특성을 갖습니다.
그래서 낮에 빛을 받으면 공변세포의 수소 이온 펌프가 작동하여 칼륨 이온을 세포 안으로 끌어들이는데, 이로 인해 세포 내 삼투압이 높아지면 주변의 물이 세포 안으로 유입되어 팽압이 증가하고 기공이 열립니다.
반대로 밤이 되거나 수분이 부족해지면 칼륨 이온이 세포 밖으로 빠져나가며, 삼투 현상에 의해 물도 함께 빠져나갑니다. 이때 공변세포가 수축하며 기공이 닫히게 되죠.
그래서 기공의 개폐는 빛이나 호르몬으로 이온 이동이 발생하면 삼투압 변화가 발생하고 이로 인한 물의 유입/유출이 발생하며 공변세포의 변형이 발생하는 것입니다.
기공은 두 개의 공변세포가 칼륨 이온의 농도 변화에 따른 삼투압 현상으로 팽창하거나 수축하면서 개폐됩니다. 빛이나 환경 자극에 의해 공변세포 내부로 칼륨 이온이 유입되면 세포 안의 농도가 높아지고 삼투 현상으로 물이 들어와 팽압이 높아집니다. 이때 공변세포는 기공 쪽 세포벽이 반대쪽보다 두껍고 비탄력적인 구조를 가지고 있어 세포가 바깥쪽으로 휘어지며 구멍이 열리게 됩니다. 반대로 칼륨 이온이 세포 밖으로 빠져나가면 물도 함께 나가면서 팽압이 낮아지고 세포가 원래 모양으로 돌아오며 기공이 닫힙니다.
안녕하세요, 질문자님.
이중철 과학기술전문가입니다.
우선, 기공의 개폐는 두 개의 공변세포가 마주 보는 특수한 구조와 세포 내 액포의 삼투압 변화가 유기적으로 결합하여 일어나는 현상입니다.
1. 공변세포의 형태학적 특징은?
공변세포는 기공과 접한 안쪽 벽은 두껍고 단단한 반면, 바깥쪽 벽은 얇고 신축성이 좋은 비대칭적 구조를 가지고 있어요.
팽압이 가해질 때 얇은 바깥쪽 벽이 더 많이 늘어나면서 세포 전체가 활처럼 굽어지게 되고, 그 사이 공간인 기공이 열리게 되는 것이지요.
2. 칼륨 이온에 의한 삼투압 유도
빛이 비치면 공변세포 내로 칼륨 이온(K⁺)이 능동적으로 유입됩니다.
이로 인해 세포 내부의 삼투압이 높아지면 주변 세포의 물이 삼투 현상에 의해 공변세포 안으로 들어오게 되는데요.
물이 채워지며 발생하는 강한 팽압이 세포의 모양을 변형시켜 기공을 여는 물리적 힘으로 작용하는 것이랍니다.
3. 수분 보존을 위한 폐쇄 기작
식물체 내 수분이 부족하거나 밤이 되면 이온이 세포 밖으로 배출되며 삼투압이 낮아집니다.
물이 빠져나가며 팽압이 감소하면 굽었던 세포가 다시 펴지면서 기공이 닫히게 되는데요.
이는 증산 작용을 억제하여 식물의 수분 손실을 막기 위한 정교한 생존 전략이라 할 수 있습니다.
[전문가 선언]
"질문하신 분의 입장에서 이해하기 쉬운 답변을 드리고자 매일 글의 '품질'과 '가독성'에 중점을 두고서 아하 편집기능으로 세심하게 다듬고 있습니다. 보내주시는 신뢰에 보답할 수 있도록, 앞으로도 항상 객관적이고 정확한 정보를 바탕으로 전문가다운 최선을 제공하겠습니다." 감사합니다.
안녕하세요. 김민구 전문가입니다.
세포 구조부터 차근차근 설명해 드릴게요.
기공의 구조
기공은 두 개의 공변세포(guard cell)가 마주보며 만들어내는 틈새예요. 공변세포는 일반 표피세포와 달리 엽록체를 가지고 있어서 광합성을 할 수 있어요. 그리고 세포벽의 두께가 안쪽과 바깥쪽이 달라요. 기공 쪽 안쪽 벽은 두껍고 비신축성이 강하고, 바깥쪽 벽은 얇고 신축성이 있어요. 이 구조적 비대칭이 기공 개폐의 핵심이에요.
기공이 열리는 기작
빛이 있거나 이산화탄소 농도가 낮아지면 공변세포 안에서 다음과 같은 연쇄 반응이 일어나요.
먼저 청색광 수용체인 포토트로핀이 활성화되면 세포막의 양성자 펌프(H⁺-ATPase)가 작동해요. 이 펌프가 H⁺를 세포 밖으로 퍼내면 세포막 안쪽이 음전위가 돼요. 그러면 전압 감응형 칼륨 이온 통로가 열리면서 K⁺가 세포 안으로 대량 유입돼요. K⁺가 들어오면 삼투압이 높아지고, 삼투압이 높아지면 물이 삼투 현상으로 공변세포 안으로 들어와요. 물이 들어오면 세포가 팽팽해지는데, 안쪽 두꺼운 벽은 늘어나지 않고 바깥쪽 얇은 벽만 늘어나면서 공변세포가 바나나처럼 휘어져요. 두 공변세포가 양쪽으로 휘면서 사이가 벌어지고 기공이 열리는 거예요.
기공이 닫히는 기작
건조하거나 어둡거나 CO₂ 농도가 높아지면 반대 과정이 일어나요. 앞서 설명한 앱시스산(ABA)이 분비되면 공변세포 내 칼슘 이온 농도가 급격히 올라가요. 칼슘 이온은 칼륨 유입 통로를 닫고 반대로 칼륨 유출 통로를 열어요. K⁺가 빠져나가면 삼투압이 낮아지고, 물이 세포 밖으로 빠져나가면서 공변세포가 쪼그라들어요. 공변세포가 납작해지면 두 세포 사이의 틈이 없어지면서 기공이 닫혀요.
정리하면
결국 기공 개폐의 본질은 공변세포의 팽압(turgor pressure) 변화예요. K⁺ 이동이 삼투압을 바꾸고, 삼투압이 수분 이동을 결정하고, 수분 이동이 팽압을 바꾸고, 팽압이 세포 모양을 바꾸는 연쇄 반응이에요. 이온 하나의 이동이 기공 전체의 개폐로 이어지는 정교한 시스템이라고 할 수 있죠.
감사합니다.