세포가 무엇인가, 세포의 크기와 표면부피가설 - 생물학 정리

세포가 무엇인가, 세포의 크기와 표면부피가설 - 생물학 정리

 

 

세포가 무엇입니까?

 

     세포는 생명의 기본 단위라고 정의되지만, 대부분의 정의처럼 이것도 답해 주는 것보다도 더 많은 의문을 불러일으킵니다. 우선 '기본 단위'라는 말은 약간의 설명이 필요합니다. 이 말이 진정으로 의미하는 바는 세포는 그의 생존에 필요한 구조와 분자 구성물을 포함한다는 것입니다. 이러한 실체들이 있으므로 세포는 (1) 원료를 취하고, 이들로부터 (2) 유용한 에너지를 추출하고, (3) 그 자체의 분자를 합성하며, (4) 유기적 형태로 생장하고, (5) 환경으로부터의 자극에 반응하며, 가장 중요한 것은 (6) 스스로 증식하는 것입니다.

     이상에서 열거한 것처럼 가장 단순한 것이라 할지라도 세포는 최소한의 구성 성분의 배열을 갖고 있습니다. 예를 들면, 제한적 막인 원형질막(plasma membrane)은 세포의 경계를 결정하고 장벽 역할을 하며, 어떤 물질의 통과는 선택적으로 허용하고 기타 물질의 통과는 막습니다. 이처럼 세포의 구조와 화학적 구성은 생존에 필수적이므로 세포는 그 내부의 완전성을 유지하는 필수 불가결한 역할을 합니다. 먼저 세포의 크기부터 생각해 봅시다.

 

 

세포의 크기

     세포는 얼마나 클까요? 별로 크지 않습니다. 대부분의 세포들은 너무 작아서 육안으로는 볼 수 없습니다. 그러나 물론 여기에도 예외는 있습니다. 달걀 노른자(난황)는 구조적으로 하나의 세포이고 개구리 알은 더욱 그렇습니다. 뉴런(신경세포)은 1m 이상의 길이일 수도 있으나(기린의 다리를 타고 내려오는 것의 경우) 너무 가늘어서 보이지 않습니다. 그러나 이런 몇몇 특정 세포를 제외한 대부분의 세포는 놀랍도록 작습니다. 대부분의 세포는 직경이 1마이크로 미터~100마이크로 미터 사이입니다. 식물 세포는 동물 세포보다 다소 큰 경향이 있는데, 이는 식물 세포가 물로 가득 찬 큰 내강(또는 액포)을 가지고 있기 때문일 것입니다. 그러므로 세포질의 평균량은 식물과 동물에서 거의 같습니다. 이제 살펴보겠지만, 세균은 동식물 세포보다 훨씬 작으며 직경이나 길이가 거의 몇 마이크로미터를 넘지 않습니다.

 

 

세포는 왜 작을까요?

 

     이러한 사실에서 왜 대부분의 세포들은 작으며, 생물이 커감에 따라 어째서 세포의 크기가 커지지지 않을까 하는 흥미로운 질문을 할 수 있습니다. 또 왜 거대한 단세포 생물은 없을까? 우리는 아직 깊은 웅덩이에 숨어 있는 360 kg짜리의 아메바에 대해서는 들어 본 적이 없으며. 누구도 단세포 고래나 코끼리를 본 적이 없습니다. 진화는 세포의 크기를 작게 유지하면서 크기의 증가를 조절하기 위해서 세포의 수를 증가시키는 경향을 보인다. 그러므로 큰 생물체는 더 많은 세포를 가지며 그 때문에 작은 생물체보다 큽니다. 무엇 때문일까요?

 

 

융털돌기면

 

 

표면-부피 가설

 

     미세한 세포의 크기를 설명하는 데 일반적으로 수용되는 가설은 윤곽이 뚜렷한 어떤 물리적인 문제에 관련된 것입니다. 성장할 수 있는 세포의 크기는 주로 원형질막의 능력에 따라 세포내 세포질 덩어리에 공급되는 세포의 대사물질의 수요에 의해 결정될 수 있습니다. 다시 말해, 세포는 표면적과 부피의 관계에 의해 제한받으므로 작게 유지되는 것입니다. 이를 표면-부피 가설(surfacevolume hypothesis)이라고 하고, 이 효과에 따라 세포가 커지는 것을 억제합니다. 좀더 자세히 살펴볼까요?

     표면-부피 가설은 입방체의 부피가 두 배가 되면 그 표면적 또한 증가하나 비례하지는 않는다는 관찰에 그 기초를 두고 있습니다. 처음의 표면-부피의 비와 나중의 비를 비교해 보면 나중의 표면부피의 비가 작아짐을 알 수 있을 것입니다. 그렇다면 이러한 변화가 주어질 때 왜 이것이 세포가 최대한의 크기에 도달하는데 중요할까요?

     세포, 특히 생장하는 세포는 물질의 능동적인 교환이 요구됩니다(주로 영양분과 산소는 받아들이고 노폐물과 이산화탄소는 방출합니다). 이러한 교환을 수행하는 것은 세포를 둘러싸고 있는 원형질막의 기능입니다. 원형질막은 세포 표면을 덮고 있고, 세포 함유물(세포질과 핵)은 세포의 부피를 메우고 있으므로 표면-부피 관계는 중요합니다. 그래서 세포의 크기를 한정짓는 요인들은, 세포의 크기가 증가함에 따라 그 부피는 표면적과 불균형적으로 증가한다고 바꿔 말할 수 있습니다. 그러므로 생장이 계속됨에 따라 원형질막은 왕성한 세포질과 핵의 요구를 더 이상 충족할 수 없는 시점에 도달하게 됩니다. 전형적으로 이러한 시점에 도달하기 전에 세포는 생장을 멈추고 둘로 분열합니다. 따라서 표면과 부피의 보다 이상적인 관계가 새 세포들에서 확립됩니다.

     앞에서 언급한 바와 같이, 어떤 종류의 세포들은 분열하지 않고 크게 자랍니다. 그러나 이들은 흔히 매우 특수한 세포이거나 특수한 상황에서 존재하는 것입니다. 예를 들어, 어떤 식물 세포는 물로 채워진 큰 액포(주머니 모양의 용기)에 의해 많은 물이 흡수되므로 꽤 커집니다. 더 나아가 어떤 식물 세포는 세포질유동(cytoplasmic streaming)이라는 세포질의 순환운동을 보이는데 이는 물질의 분배를 돕습니다. 신경세포는 부피의 큰 증가 없이 매우 길게 신장될 수 있습니다. 때문에 거대한 표면적은 그들이 협력하여 기능을 발휘해야 하는 다른 세포들과 접촉하게 됩니다. 소장과 신장의 어떤 세포들은 원형질막을 통한 물질의 이동을 위하여 특수화 되어 있습니다. 이 세포들은 맹렬하게 그들의 표면적을 증가시켜 모양을 변화함으로써 이러한 일에 적응되었습니다. 예를 들어, 소장의 세포들은 고도로 겹쳐진 '융털돌기면(brush border)'을 갖는데, 원형질막에서 각각의 주름이나 돌기는 소화된 영양분을 홉수하기 위해 표면적을 넓히는 것에 해당합니다. 타조 알은 많은 양의 영양물질이 저장된, 본질적으로 하나의 세포인데 이는 표면과 부피의 문제에 제한받지 않으며, 따라서 난황 표면의 일부 작은 부분을 제외하고는 대사활동이 거의 없습니다.