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단세포 생물

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목차

1. 개요

단세포 생물은 단일 세포로 구성된 생명체로, 원핵생물과 진핵생물을 포함한다. 원핵생물은 세균과 고세균으로 나뉘며, 미토콘드리아나 세포핵과 같은 막으로 둘러싸인 소기관이 없다. 진핵생물은 세포 소기관을 갖추고 있으며, 원생생물, 단세포 조류, 단세포 균류 등이 있다. 단세포 생물은 다양한 환경에서 생존하며, 광합성, 호흡, 무성생식, 유성생식 등 다양한 방식으로 생존하고 번식한다. 일부 단세포 생물은 육안으로 관찰될 정도로 크며, 크기가 커지는 데에는 여러 한계가 존재한다.

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단세포 생물
개요
발로니아 벤트리코사
일반적으로 지름이 1에서 4 센티미터인 발로니아 벤트리코사는 가장 큰 단세포 생물 중 하나이다.
학명Unicellular organism
특징단 하나의 세포로 구성된 생물
추가 정보일부 단세포 생물은 세포막을 통해 스스로 조립하고 기능한다.
해조류는 다세포성을 이해하는 데 중요한 열쇠를 제공할 수 있다.
다른 이름모나드

2. 역사적 배경

현미경 관찰이 발달하면서 '''생물은 세포로 구성된다'''는 인식이 확립되었고, 미생물 중에는 세포 분열을 하지 않는 것이 다수 존재한다는 것이 밝혀졌다. 초기에는 이들을 세포 구조를 갖지 않는 것으로 판단하여 '''비세포성 생물'''이라고 부르기도 했지만, 곧 이들의 체내에 다세포 생물의 세포 내 구조와 공통되는 구조가 있다는 것이 밝혀지면서 단독 세포로 생활하는 생물이라는 인식이 확립되었다.

이후 원핵 세포와 진핵 세포의 차이, 고세균과 진정 세균의 차이가 밝혀졌다. 이러한 차이는 단세포 생물과 다세포 생물의 차이보다 훨씬 중요하기 때문에, 현재는 단세포 생물을 하나의 분류학적 단위로 묶는 것은 의미가 없다.

3. 진화 가설

원시 세포는 오늘날 단세포 생물의 전구체였다. 생명의 기원은 아직 밝혀지지 않았지만, 현재 가장 유력한 가설인 RNA 세계 가설에 따르면 초기 RNA 분자는 유기 화학 반응을 촉매하고 자기 복제를 위한 기반이 되었을 것이다.[4]

구획화는 화학 반응이 일어날 가능성을 높이고 외부 환경과의 반응을 차별화하는 데 필수적이었다. 예를 들어, 초기 RNA 복제 효소인 리보자임은 다른 RNA 염기 서열의 복제 효소를 분리하지 않으면 복제했을 수 있다.[5] DNA 게놈이 아닌 RNA 게놈을 가진 이러한 가설상의 세포를 '리보세포' 또는 '리보사이트'라고 한다.[4]

양쪽성 분자(예: 지질)가 물에 놓이면 소수성 꼬리는 응집되어 미셀과 소포를 형성하고 친수성 말단은 바깥쪽을 향하게 된다.[2][5] 원시 세포는 자가 조립 지방산 소포를 사용하여 화학 반응과 환경을 분리했을 가능성이 높다.[5] 단순하고 물 속에서 자가 조립할 수 있기 때문에 이러한 단순한 막은 다른 형태의 초기 생체 분자보다 먼저 나타났을 가능성이 높다.[2]

4. 원핵생물

원핵생물은 미토콘드리아나 세포핵과 같이 막으로 둘러싸인 소기관이 없는 세포 구조를 가진다.[6] 대부분의 원핵생물은 DNA를 포함하는 불규칙한 영역인 핵양체를 가지며[7], 단일 환형 염색체를 가진다.[8] 이는 일반적으로 선형 염색체를 가진 진핵생물과는 대조적이다. 영양학적으로 원핵생물은 황, 섬유소, 암모니아 또는 아질산염을 포함하여 대사에 사용할 수 있는 광범위한 유기 및 무기 물질을 활용할 수 있다.[9] 원핵생물은 환경에서 비교적 흔하며, 일부(극호성 미생물)는 극한 환경에서도 번성한다.

4. 1. 세균 (Bacteria)

세균은 세계에서 가장 오래된 형태의 생명체 중 하나이며, 자연계 거의 모든 곳에서 발견된다.[9] 많은 흔한 세균은 세균 염색체와 별개로 존재하는 짧고 원형의 자기 복제 DNA 분자인 플라스미드를 가지고 있다.[11] 플라스미드는 새로운 능력을 담당하는 유전자를 운반할 수 있으며, 현재 가장 중요한 것은 항생제 내성이다.[12] 세균은 주로 이분법이라는 과정을 통해 무성 생식을 한다. 그러나 약 80가지의 다른 종은 자연적인 유전적 형질전환이라고 하는 성적 과정을 겪을 수 있다.[13] 형질전환은 한 세포에서 다른 세포로 DNA를 전달하는 세균 과정이며, 수용 세포에서 DNA 복구 손상을 복구하기 위한 적응으로 보인다.[14] 또한 플라스미드는 필리를 사용하여 접합이라고 하는 과정을 통해 교환될 수 있다.[12]

캡슐 내 세균


광합성을 하는 시아노박테리아(남세균)는 틀림없이 가장 성공적인 세균이며, 지구의 초기 대기를 산소화함으로써 변화시켰다.[15] 스트로마톨라이트는 시아노박테리아와 관련된 공동체 세균에서 남은 탄산 칼슘과 갇힌 퇴적물의 층으로 구성된 구조로, 광범위한 화석 기록을 남겼다.[15][16] 스트로마톨라이트의 존재는 시생누대(40억 년 전 ~ 25억 년 전), 원생누대(25억 년 전 ~ 5억 4천만 년 전), 현생누대(5억 4천만 년 전 ~ 현재)에 걸쳐 대표되는 시아노박테리아의 발달에 대한 훌륭한 기록을 제공한다.[16] 세계의 화석화된 스트로마톨라이트의 대부분은 오스트레일리아 서부에서 발견될 수 있다.[16] 그곳에서 약 34억 3천만 년 전으로 거슬러 올라가는 가장 오래된 스트로마톨라이트가 발견되었다.[16]



세균에서 자연적으로 노화가 발생하며, 이는 외부 스트레스 요인이 없어도 발생할 수 있는 손상의 축적으로 인한 것으로 보인다.[17]

4. 2. 고세균 (Archaea)

고세균은 일반적으로 세균과 외형이 유사하여 원래 세균으로 분류되었지만, 막 구조와 리보솜 RNA에서 상당한 분자적 차이를 보인다.[20][21] 리보솜 RNA의 염기 서열 분석을 통해 고세균은 세균에서 분화되었으며, 현대 진핵생물의 전구체였고, 실제로는 진핵생물과 계통 발생학적으로 더 밀접한 관련이 있다는 것이 밝혀졌다.[21] 고세균(Archaea)이라는 이름은 '원시', '고대', 또는 '원초적'이라는 의미의 그리스어 단어 ''archaios''에서 유래되었다.[22]

일부 고세균은 지구상에서 생물학적으로 가장 열악한 환경에 서식하며, 이는 생명체가 노출되었을 것으로 추정되는 초기, 가혹한 환경을 어느 정도 모방하는 것으로 여겨진다. 이러한 고세균 극한 환경 생물의 예는 다음과 같다.

종류설명속(Genus) 예시
고온성 미생물최적 생장 온도가 50°C-110°CPyrobaculum, Pyrodictium, Pyrococcus, Thermus aquaticus, Melanopyrus[23]
저온성 미생물최적 생장 온도가 15°C 미만Methanogenium, Halorubrum[23]
알칼리성 미생물최적 생장 pH가 8 이상Natronomonas[23][24]
산성 미생물최적 생장 pH가 3 미만Sulfolobus, Picrophilus[23][25]
고압성 미생물최대 130 MPa의 고압을 선호하며, 심해 환경 등Methanococcus, Pyrococcus[23]
할로필0.2 M과 5.2 M 사이의 고농도 염화 나트륨에서 최적으로 성장Haloarcula, Haloferax, Halococcus[23][26]



메탄 생성균은 고세균의 중요한 하위 집합이며 많은 극한 환경 생물을 포함하지만, 습지 환경뿐만 아니라 동물 반추위 및 후장에서도 널리 분포한다.[27] 이 과정은 수소를 사용하여 이산화 탄소를 메탄으로 환원시키고, 아데노신 삼인산 형태로 에너지를 방출한다.[27] 메탄을 생성할 수 있는 유일한 유기체로 알려져 있다.[28] DNA 손상 (자연 발생)을 유발하는 스트레스 환경 조건에서 일부 고세균 종은 집합하여 세포 간에 DNA를 전달한다.[29] 이 전달의 기능은 수용 세포에서 손상된 DNA 염기 서열 정보를 공여 세포의 손상되지 않은 염기 서열 정보로 대체하는 것으로 보인다.[30]

5. 진핵생물

진핵생물은 막으로 둘러싸인 세포 소기관(미토콘드리아, 핵, 골지체 등)을 가진 세포 구조를 가진다. 진핵생물은 미토시스와 감수 분열을 통해 번식하며, 성(sex)은 진핵생물에서 보편적이고 오래된 특징이다.[32] 감수 분열은 DNA 손상의 효율적인 재조합 복구를 가능하게 하고, 유전적 다양성을 증가시킨다.[31] 세포 내 공생설에 따르면, 미토콘드리아와 엽록체는 세균에서 기원한 것으로 추정된다. 현대의 미토콘드리아는 한때 세포에 들어갈 수 있는 기생 능력을 가진 ''리케차''(Rickettsia)와 유사한 종이었을 가능성이 높으며,[33] 엽록체는 시아노박테리아의 후손일 가능성이 가장 높다.[34]

5. 1. 원생생물 (Protozoa)

원생생물은 주로 편모, 섬모, 가짜 발을 포함하는 이동 방법에 따라 정의된다.[35] 원생생물은 매우 다양하기 때문에 분류에 대한 논쟁이 있어 왔지만, 한 체계에서는 현재 원생생물계 아래 7개의 문(유글레나류, 아메바류, 여름세포동물 ''sensu'' Cavalier-Smith, 루코조아, 페르콜로조아, 미포자충류 및 설코조아)이 인식되고 있다.[36][37] 원생생물은 식물 및 동물과 마찬가지로 종속영양생물 또는 독립영양생물로 간주될 수 있다.[33] ''유글레나''와 같은 독립영양생물은 광합성을 사용하여 에너지를 생성할 수 있으며, 종속영양생물 원생생물은 입과 같은 식도를 통해 음식을 흘려보내거나 식세포 작용의 한 형태인 가짜 발로 삼켜 소비한다.[33] 원생생물은 주로 무성생식을 하지만, 일부 원생생물은 유성생식도 할 수 있다.[33] 유성 생식 능력이 있는 원생생물에는 ''열대열 말라리아 원충'', ''톡소포자충'', ''트리파노소마 브루세이'', ''람블 편모충'' 및 ''리슈만 편모충'' 종이 있다.[14]

섬모충 또는 섬모충류는 섬모를 이동에 사용하는 원생생물 그룹이다. 예로는 ''짚신벌레'', ''스텐토르'' 및 ''보르티켈라''가 있다.[38] 섬모충류는 물을 찾을 수 있는 거의 모든 환경에서 널리 존재하며, 섬모는 유기체를 추진하기 위해 리듬감 있게 움직인다.[39] 많은 섬모충은 포획물을 잡거나, 자신을 고정하거나, 방어하기 위해 방출될 수 있는 창과 같은 소기관인 자포를 가지고 있다.[40][41] 섬모충은 또한 유성생식을 할 수 있으며 섬모충에 고유한 두 개의 핵을 사용한다. 정상적인 대사 조절을 위한 대핵과 감수 분열을 거치는 별도의 소핵이 있다.[40] 이러한 섬모충의 예로는 스트레스 조건에서 획득한 DNA 손상을 복구하기 위해 감수 분열 재조합을 사용할 가능성이 있는 ''짚신벌레''와 ''테트라히메나''가 있다.

아메바류는 가짜 발과 세포질 흐름을 이용하여 환경에서 이동한다. ''이질 아메바''는 아메바성 이질의 원인이다.[42] ''이질 아메바''는 감수 분열을 할 수 있는 것으로 보인다.[43]

5. 2. 단세포 조류 (Unicellular algae)

단세포 조류는 식물과 유사한 독립영양생물이며, 엽록소를 함유하고 있다.[44]

  • 유글레나는 편모가 있으며, 대부분 단세포 조류로, 담수에서 자주 발견된다.[44] 다른 대부분의 조류와는 달리, 세포벽이 없고 혼합영양생물(독립영양과 종속영양을 모두 섭취) 일 수 있다.[44] 예시로는 ''유글레나''가 있다.
  • 녹조류는 대부분 단세포 조류이며, 담수에서 발견된다.[44] 녹조류는 육상 식물의 진화와 가장 밀접한 관련이 있는 것으로 여겨져 특히 중요하다.[45]
  • 규조류는 규질 세포벽을 가진 단세포 조류이다.[46] 이들은 해양에서 가장 풍부한 형태의 조류이지만, 담수에서도 발견될 수 있다.[46] 전 세계 해양 1차 생산량의 약 40%를 차지하며, 전 세계 산소의 약 25%를 생산한다.[47] 규조류는 매우 다양하며, 약 10만 종으로 구성되어 있다.[47]

주사 전자 현미경으로 촬영한 규조류 이미지

  • 와편모조류는 편모가 있는 단세포 조류이며, 일부는 셀룰로스로 덮여 있다.[48] 와편모조류는 혼합영양생물일 수 있으며, 적조의 원인이 되는 조류이다.[45] ''피로시스티스 푸시포르미스''와 같은 일부 와편모조류는 생물발광 능력이 있다.[49]

5. 3. 단세포 균류 (Unicellular fungi)

균류에는 효모가 포함된다. 균류는 대부분의 서식지에서 발견되지만, 대부분 육상에서 발견된다.[50] 효모는 유사분열을 통해 번식하며, 많은 효모가 출아라는 과정을 사용하는데, 여기서 대부분의 세포질은 모세포에 의해 유지된다.[50] ''사카로마이세스 세레비지에''(빵효모)는 탄수화물을 이산화 탄소와 알코올로 발효시키며, 맥주와 빵을 만드는 데 사용된다.[51] ''S. cerevisiae''는 또한 쉽게 배양할 수 있는 진핵생물이기 때문에 중요한 모델 생물이다. 이는 암과 신경퇴행성 질환을 연구하고 세포 주기를 이해하는 데 사용되어 왔다.[52][53] 또한, ''S. cerevisiae''를 사용한 연구는 감수 분열 재조합의 메커니즘과 감수 분열의 적응 기능을 이해하는 데 중심적인 역할을 해왔다. 칸디다 속은 칸디다증의 원인이 되며, 입과/또는 목(아구창이라고 함) 및 질(일반적으로 효모 감염이라고 함)의 감염을 일으킨다.[54]

6. 거대 단세포 생물

대부분의 단세포 생물은 현미경적 크기이므로 미생물로 분류된다. 그러나 일부 단세포 원생생물과 세균은 거시적이며 육안으로 볼 수 있다.[55]


  • 브레펠디아 막시마는 점균류로, 두께가 최대 1cm, 표면적이 1제곱미터 이상, 무게가 약 20kg에 달하는 사례가 보고되었다.[56]
  • 제노피오포어는 유공충 문(phylum)에 속하는 원생생물로, 가장 큰 예시로 알려져 있으며, ''시린가민나 프라질리시마''(Syringammina fragilissima)는 지름이 최대 20cm에 달한다.[57]
  • 누물라이트는 유공충이다.
  • ''발로니아 벤트리코사''는 녹조류강의 조류로, 지름이 1cm에서 4cm에 달할 수 있다.[58][59]
  • ''아세타불라리아''는 조류이다.
  • ''코울레르파''는 조류로,[60] 길이가 3m까지 자랄 수 있다.[61]
  • ''그로미아 스파에리카''는 아메바로, 지름이 5mm에서 38mm이다.[61]
  • ''티오마가리타 매그니피카''는 가장 큰 세균으로, 길이가 최대 20mm에 달한다.
  • ''에풀로피시움 피셸소니''는 세균이다.
  • 스텐토르는 트럼펫 벌레라는 별명을 가진 섬모충이다.
  • 부르사리아는 가장 큰 콜포데아 섬모충이다.


일반적으로 단세포 생물은 몸집을 키우는 데 어려움이 있다고 알려져 있다. 하지만, 실제로 단세포 생물 중에서도 큰 것은 육안으로 관찰 가능한 경우가 있다. 예를 들어, 아메바나 흰개미의 장내 미생물 중에는 1mm에 근접한 크기를 가진 것들이 존재한다. 그러나 이보다 더 커지면 몸의 형태를 유지하기 어려워지는 것으로 보인다.

하지만 단단한 껍질을 가진 유공충의 경우, 현생하는 제니이시는 지름이 1cm에 달하며, 화석 종 중에는 더 큰 것도 발견된다. 심해에 서식하는 크세노피오포라의 일종인 ''Syringammina fragillissima''는 지름이 20cm에 이른다.

세포의 경계가 없다는 점을 고려하면 훨씬 더 큰 단세포 생물도 존재한다. 조류 중에는 세포벽이 있고, 세포 내에 지지 구조를 가진 것들이 있다. 예를 들어, 오오바 로니아는 구형으로 지름 3cm 이상, 갓파리는 길이 5cm, 마가타마모는 10cm에 달한다. 미역은 가는 사상체가 얽힌 구조로 1m 이상 자라며, 점균류의 변형체는 얇게 퍼져 경우에 따라 3m를 넘기도 한다. 이러한 대형 생물은 세포 내에 다수의 세포핵을 가진 다핵체이다. 단세포 생물이 커지는 데 있어 겪는 어려움 중 하나는, 핵의 지배를 세포 전체에 미치게 하는 것이 어렵다는 점이다.

건조 환경에 대한 대응 역시 단세포 생물이 극복해야 할 과제이다. 특히 육지에서는 몸을 지탱하는 것이 더욱 어렵다. 따라서 단세포 생물 중에는 큰 것이 드물며, 건조에 대해서는 휴면 상태로 견디는 것 외에는 뚜렷한 해결책이 없는 것으로 보인다.

7. 단세포 생물의 한계

단세포 생물은 몸집이 커지기 어렵다고 여겨진다.

실제로 단세포 생물 중에서도 큰 것은 육안으로 볼 수 있는 것이 있다. 보통 단세포 생물 중에는 아메바, 흰개미의 장내 미생물에 1mm에 가까운 것이 있다. 그 이상 커지면 몸의 형태를 지탱하기 어려워지는 것으로 보인다. 그러나 단단한 껍질을 가진 유공충에서는 현생하는 제니이시가 지름 1cm, 화석종에는 더 큰 것이 있다. 심해에 서식하는 크세노피오포라의 일종인 ''Syringammina fragillissima''는 지름이 20cm에 달한다. 세포 경계가 없는 것만 문제 삼는다면 훨씬 큰 것이 존재한다. 조류에서는 세포벽이 있고, 세포 내에 지탱하는 구조를 가진 것이 있으며, 오오바 로니아는 구형으로 지름 3cm 이상, 갓파리는 길이 5cm, 마가타마모는 10cm에 달한다. 미역은 가는 사상체가 얽힌 구조로 1m, 점균류의 변형체는 얇게 퍼지기 때문에 경우에 따라서는 3m를 넘는다. 이러한 대형 생물은 세포 내에 다수의 세포핵을 가진 다핵체이다. 단세포가 커지는 것의 문제점 중 하나는 커지면 핵의 지배를 세포 전체에 미치게 하기 어렵다는 점에 있는 듯하다.

또한, 건조에 대한 대응도 어려운 것으로 보인다. 게다가 육지에서는 몸을 지탱하는 것이 더욱 어렵다. 단세포로 큰 것은 없고, 건조에 대해서는 휴면으로 견디는 것 외에는 없는 듯하다.

참조

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