물에서 땅으로
식물계(Kingdom Plantae)는 녹조(algae)가 물에서 육지로 옮겨가면서 약 4억 1천만 년 전에 처음 나타났습니다. 당시 육지는 자원이 풍부하고 비교적 군체형성이 덜 된 환경이었습니다. 육지 환경은 또한 식물이 자라고 생존하는데 필요한 더 많은 빛과 이산화탄소를 제공했습니다.
하지만 육지와 바다 사이의 극명한 차이는 초기 군체형성 종에 엄청난 도전을 안겨줬고, 따라서 오늘날 관찰되는 다양한 식물 형태를 초래한 다양하고 새로운 적응(adaptation)을 촉진했습니다.
초기 적응은 각피(cuticle; 큐티클)라 불리는 외부 왁스 코팅의 개발이었습니다. 각피는 수분을 내부에 가두어 식물이 부패하는 것을 막는 역할을 합니다. 그러나 이 적응은 식물의 표면에서 직접 가스를 교환하는 것을 막았습니다. 따라서 식물 외부 표면에 기공이 생겨 이산화탄소의 흡수와 산소의 방출이 가능하게 됐습니다.
토양에서 식물의 상단으로 물과 영양분을 운반하기 위해 추가 구조가 필요했습니다. 그 결과 유관속조직(vascular tissue)이 발달하여 물과 영양분을 식물의 모든 영역으로 운반하는 역할을 할 뿐만 아니라 줄기가 커지고 튼튼해짐에 따라 구조적인 지원도 제공하게 되었습니다.
육지에서의 번식을 위해, 육지 식물은 식물 외부의 가혹한 환경으로부터 배우자(gamete)와 배아(embryo)를 보호하는 배우자낭(gametangia)을 발달시켰습니다. 정자를 만드는 경우 이 구조를 장정기(antheridia)라고 부르고, 난자를 만드는 경우 장란기(archegonia)라고 부릅니다.
다양한 전략이 정자를 장정기에서 난자로 옮기는 것을 용이하게 하기 위해 진화했습니다. 이를 위해 정자가 한 구조물에서 다른 구조물까지 헤엄을 치거나, 바람에 운반되거나, 벌이나 새와 같은 꽃가루 매개자에 의해 운반되게 진화했습니다. 식물의 각 분류마다 사용하는 특정 전략은 고유합니다. 수정 후, 난자는 발달하는 배아, 즉 포자체(sporophyte)를 보호하고 영양을 공급하기 위해 장란기에 보관됩니다.
또 다른 주요한 생식 적응은 종자(seed; 씨앗)의 생성이었습니다. 모든 육지 식물이 종자를 뿌리는 것은 아니지만, 종자는 여러 가지 이유로 유리합니다. 일단, 종자가 없으면 식물은 배우자를 한 장소에서 다른 장소로 운반하기 위해 습한 환경이 필요합니다. 종자가 없는 식물에선 대개 수컷과 암컷의 포자(spore)가 거의 같은 크기이고 둘 다 여행합니다. 반면, 종자가 있는 식물은 일반적으로 꽃가루 알갱이(pollen grain)라고 불리는 매우 이동성이 강한 작은 포자를 포함하고 있는데, 이것은 배우체(gametophyte)로 이동해 정자를 난자에 직접 공급합니다. 일단 수정이 이루어지면, 식물 배아와 영양분을 포함한 종자가 형성됩니다.
위와 같은 적응으로 인해 육지 환경에 잘 적응한 식물 종이 생겨났습니다.
식물의 주요 계통
셀 수 없이 다양한 식물들이 존재하지만, 모든 식물들은 비관속(non-vascular), 관속 비종자(vascular, seedless), 관속 종자(vascular, seed), 이렇게 세 가지 분류 중 하나로 나눌 수 있습니다. 비관속 식물은 이끼(moss), 우산이끼(liverwort), 붕어마름(hornwort) 등을 포함하며 가장 오래됐고 가장 덜 복잡합니다. 다음으로, 관속 비종자식물은 양치식물(fern)과 쇠뜨기(horsetail)를 포함하며, 관속 수송 체계(vascular transport system)를 진화시킨 첫 번째 분류입니다. 마지막 분류인 관속 종자식물은 남아 있는 모든 종이 포함합니다. 이 분류는 가장 다양하고 가장 광범위한 서식지를 차지하고 있으며, 두 개의 주요 하위분류인 속씨식물(angiosperm)과 겉씨식물(gymnosperm)로 나뉩니다. 속씨식물에는 꽃이 피고 열매를 맺는 식물들이 포함되며, 이 식물들은 바람에 의해 옮겨지거나 꽃가루 매개자(pollinator)에 의해 운반되는 꽃가루가지고 있습니다. 겉씨식물은 꽃이 피지 않는 식물이며, 침엽수(conifer), 소철식물(cycad), 은행나무(ginkgo tree) 등이 있습니다. 이 종들은 바람에 의해 운반되는 꽃가루와 과실로 보호되지 않은 맨 종자를 생산합니다.
