뿌리학습 · 중학 과학탐구
세포 분열과 염색체
생물이 자라고 다친 곳이 아물고 자손을 남기는 일에는 세포가 나뉘는 과정이 중요한 역할을 한다. 세포가 나뉘는 과정을 세포 분열이라 하고, 그 과정에서 중심 역할을 하는 것이 염색체다.
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개념 정리
먼저 몸이 자라는 원리부터 정리하자. 사람이 자란다고 해서 세포 하나하나가 그만큼 커지는 것이 아니다. 세포는 어느 정도 커지면 둘로 나뉜다. 세포가 커질수록 겉넓이에 비해 부피가 훨씬 빠르게 늘어나 필요한 물질을 안팎으로 주고받기 어려워지기 때문이다. 몸이 자라는 데는 세포의 크기가 커지는 것도 함께 관여하지만, 주된 이유는 세포 수가 늘어나기 때문이다.
이제 염색체를 보자. 세포의 핵 속에는 유전 물질이 들어 있는데, 평소에는 가는 실처럼 풀려 있어 잘 보이지 않는다. 세포가 분열을 시작하면 이 실이 굵게 뭉쳐 막대 모양의 구조로 나타나고, 이것이 염색체다. 늘 막대 모양으로 있는 것이 아니라 분열할 때 그런 모습으로 뚜렷하게 관찰된다.
염색체와 유전자는 같은 말이 아니다. 염색체는 유전 정보를 담고 있는 구조이고, 유전자는 그 안에 들어 있는 하나하나의 정보다. 염색체 하나에는 아주 많은 유전자가 들어 있다.
염색체를 볼 때 구분해야 할 두 가지가 있다. 하나는 상동 염색체다. 사람의 체세포에는 46개의 염색체가 있는데, 이는 모양과 크기가 같은 염색체가 두 개씩 23쌍을 이룬 것이다. 이 쌍을 상동 염색체라 하며, 하나는 아버지에게서 다른 하나는 어머니에게서 온 것이다. 모양과 크기는 같지만 담긴 정보가 완전히 같지는 않다.
다른 하나는 염색 분체다. 세포가 분열하기 전 염색체는 미리 복제되어 똑같은 것 두 가닥이 붙어 있는 상태가 되는데, 이 두 가닥을 염색 분체라 한다. 상동 염색체는 부모에게서 각각 온 서로 다른 두 염색체이고, 염색 분체는 하나의 염색체가 복제되어 붙어 있는 것이다. 둘 다 두 개가 짝을 이룬 모습이라 헷갈리기 쉬우니 출처가 다른지 복제된 것인지를 기준으로 구분해야 한다.
참고로 염색체 수는 생물의 종마다 정해져 있다. 수가 많다고 더 고등한 생물인 것은 아니다.
이제 체세포분열이다. 몸을 이루는 세포가 나뉘어 몸이 자라고 손상된 부분이 회복되는 분열이다. 분열이 시작되기 전 염색체가 복제되고, 복제된 염색체가 세포 가운데에 늘어섰다가 두 가닥으로 갈라져 양쪽으로 이동한다. 그 뒤 핵이 나뉘고 이어서 세포질이 나뉘면 두 개의 세포가 완성된다. 세포질이 나뉘는 단계를 빠뜨리면 세포가 두 개로 완성되지 않는다.
여기서 중요한 결과가 있다. 체세포분열로 만들어진 두 세포의 염색체 수는 원래 세포와 같다. 나눈다는 말 때문에 반으로 줄 것 같지만, 분열 전에 미리 복제해 두었기 때문에 수가 유지된다.
생식세포를 만드는 분열은 다르다. 정자나 난자 같은 생식세포를 만들 때는 분열이 연속해서 두 번 일어난다. 그 결과 만들어진 세포의 염색체 수는 원래의 절반이 된다. 정자가 만들어질 때는 하나의 세포에서 네 개의 정자가 만들어진다.
왜 절반이 되어야 할까. 만약 생식세포의 염색체 수가 그대로라면, 정자와 난자가 만나 만들어진 자손의 염색체 수는 두 배가 될 것이다. 그다음 세대는 또 두 배가 되어 세대를 거듭할수록 계속 늘어난다. 생식세포에서 염색체 수가 절반으로 줄기 때문에, 두 생식세포가 만나면 원래 수를 회복한다. 이렇게 해서 같은 종의 염색체 수가 세대를 거쳐도 일정하게 유지된다.
두 분열을 정리하면 이렇다. 체세포분열은 한 번 나뉘어 두 개의 세포를 만들고 염색체 수는 그대로이며, 몸이 자라고 회복되는 데 쓰인다. 생식세포 형성은 연속해서 두 번 나뉘고 염색체 수는 절반이 되며, 자손을 남기는 데 쓰인다. 정자의 경우 하나의 세포에서 네 개가 만들어진다.
앞에서 생식세포가 만들어지는 과정을 보았다. 그러면 그 생식세포가 만나고 나서는 어떻게 될까.
정자와 난자가 만나 하나로 합쳐지는 것을 수정이라 하고, 그렇게 만들어진 세포를 수정란이라 한다. 수정란은 세포 하나다. 그 세포 하나에서 시작해 온전한 개체가 되기까지의 과정을 발생이라고 한다.
발생은 크게 두 가지가 함께 일어나는 과정이다. 하나는 세포의 수가 늘어나는 것이고, 다른 하나는 늘어난 세포들이 저마다 다른 모습과 기능을 갖추어 가는 것이며, 이를 세포 분화라고 한다. 수만 늘어나서는 몸이 되지 않는다. 어떤 세포는 신경이 되고 어떤 세포는 근육이 되어야 기관이 만들어진다.
처음에 일어나는 분열에는 특이한 점이 있다. 보통의 체세포분열에서는 세포가 나뉜 뒤 자라는 과정이 이어진다. 그런데 수정란이 처음 나뉠 때는 자랄 틈 없이 빠르게 이어서 나뉜다. 그래서 세포의 수는 2개, 4개, 8개로 늘어나는데 세포 하나하나는 점점 작아지고 전체 덩어리의 크기는 거의 그대로다. 이 시기의 분열을 난할이라고 한다.
난할이 진행되어 세포 수가 충분히 늘어나면, 세포들이 자리를 잡고 서로 다른 모습으로 변해 가기 시작한다. 이렇게 해서 신경, 근육, 뼈 같은 조직이 생기고 조직이 모여 기관이 되며, 기관들이 모여 하나의 개체가 완성된다. 앞에서 배운 세포에서 개체로 이어지는 구성 단계가 실제로 만들어지는 과정인 셈이다.
이 과정을 그림으로 나타낼 때는 순서를 따라가면 된다. 수정란 하나에서 시작해 난할로 세포 수가 늘고, 세포들이 서로 달라지며 조직과 기관이 되고, 마지막에 개체가 된다. 각 단계에서 세포의 수와 크기가 어떻게 달라지는지를 함께 표시하면 난할의 특징이 드러난다.
발생은 사람에게만 있는 일이 아니다. 유성생식을 하는 생물이라면 두루 일어난다. 개구리도 물고기도 수정란에서 시작해 같은 과정을 거친다.
이 단원 시험에서 묻는 것
학교 시험은 교육과정 성취기준을 바탕으로 출제됩니다. 이 단원의 성취기준은 다음을 할 수 있는지 확인하도록 정하고 있습니다.
- [9과21-02]염색체와 유전자의 관계를 이해하고, 체세포분열과 생식세포 형성과정의 특징을 염색체 행동을 중심으로 해석할 수 있다.
자주 하는 착각
염색체와 유전자
- 염색체와 유전자를 같은 것으로 본다. 둘 다 유전과 관련된 말로 함께 배우기 때문이다. 염색체는 유전 물질이 뭉쳐 만들어진 구조이고, 유전자는 그 안에 담긴 하나하나의 정보다. 담는 것과 담기는 것의 관계다.
- 염색체가 항상 막대 모양으로 보인다고 본다. 그림이 늘 막대 모양이기 때문이다. 평소에는 가는 실처럼 풀려 있고, 세포가 분열할 때만 굵게 뭉쳐 관찰된다.
- 상동 염색체를 똑같은 염색체로 본다. 모양과 크기가 같다고 배우기 때문이다. 모양과 크기는 같지만 하나는 아버지에게서, 하나는 어머니에게서 온 것이라 담긴 정보가 완전히 같지는 않다.
- 염색 분체와 상동 염색체를 구분하지 않는다. 둘 다 두 개가 짝을 이루는 모습이기 때문이다. 염색 분체는 하나의 염색체가 복제되어 붙어 있는 것이고, 상동 염색체는 부모에게서 각각 온 서로 다른 두 염색체다.
- 염색체 수가 많을수록 고등한 생물이라고 본다. 수가 복잡함을 나타낸다고 생각하기 때문이다. 염색체 수는 생물의 종마다 정해진 특징일 뿐 우열의 기준이 아니다.
체세포분열
- 세포가 커져서 몸이 자란다고 본다. 몸이 커지는 것과 세포가 커지는 것을 같은 일로 보기 때문이다. 세포는 어느 정도 커지면 둘로 나뉜다. 몸이 자라는 데는 세포의 크기 증가도 함께 관여하지만 주된 이유는 세포 수가 늘기 때문이다.
- 체세포분열로 만들어진 딸세포의 염색체 수가 반으로 준다고 본다. 나눈다는 말이 반으로 줄이는 것처럼 들리기 때문이다. 분열 전에 염색체가 미리 복제되므로 딸세포의 염색체 수는 모세포와 같다.
- 분열 과정에서 세포질이 나뉘는 단계를 빠뜨린다. 염색체의 움직임에 집중하기 때문이다. 핵이 나뉜 뒤 세포질도 나뉘어야 두 개의 세포가 완성된다.
생식세포 형성과 비교
- 두 분열 모두 두 개의 세포를 만든다고 본다. 체세포분열을 먼저 배우기 때문이다. 체세포분열은 한 번 나뉘어 두 개를 만들고, 생식세포 형성은 연속해서 두 번 나뉜다. 정자가 만들어질 때는 네 개의 정자가 된다.
- 생식세포의 염색체 수가 반이 되는 이유를 설명하지 못한다. 결과만 외우기 때문이다. 수가 그대로라면 세대를 거듭할수록 염색체 수가 두 배씩 늘어난다. 반으로 줄어든 두 생식세포가 만나 원래 수를 회복하기 때문에 종의 염색체 수가 일정하게 유지된다.
- 발생을 세포가 그냥 계속 불어나는 일로 본다. 분열을 먼저 배우기 때문이다. 수가 늘어나는 것만으로는 몸이 되지 않는다. 늘어난 세포들이 저마다 다른 모습과 기능을 갖추어 가는 과정이 함께 일어나야 기관과 개체가 만들어진다.
- 발생 초기에 세포가 커지면서 나뉜다고 본다. 분열 사이에 세포가 자란다고 배웠기 때문이다. 수정란이 처음 나뉠 때는 세포가 자랄 틈 없이 빠르게 나뉘므로, 나뉜 세포 하나하나는 점점 작아지고 전체 크기는 거의 그대로다.
- 발생을 사람이나 동물에만 있는 일로 본다. 사람의 예로 배우기 때문이다. 수정란에서 시작해 개체가 되는 과정은 유성생식을 하는 생물에서 두루 일어난다.
이런 오개념, 나도 갖고 있을까?
염색체와 유전자는 같은 것을 가리키는 말이다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
둘 다 유전과 관련된 개념으로 함께 배우다 보니 같은 것을 다르게 부르는 말처럼 느껴지기 쉬워요. 실제로는 염색체와 유전자는 '담는 것'과 '담기는 것'의 관계로, 하나의 염색체 안에 수많은 유전자가 들어 있어요.
염색체는 평소에 가는 실처럼 풀려 있다가 세포가 분열할 때만 굵게 뭉쳐 막대 모양으로 관찰된다.정답 보기
O (맞는 설명이에요)
교과서나 학습 자료에서 염색체를 설명할 때 막대 모양 그림을 주로 사용하기 때문에 염색체가 늘 그런 모양이라고 생각하기 쉬워요. 실제로는 세포가 분열하지 않을 때 염색체는 가는 실처럼 풀어진 상태로 핵 안에 존재해요. 막대 모양으로 굵게 뭉쳐진 모습은 세포 분열이 일어나는 동안에만 나타나는 모습이에요.
상동 염색체는 모양과 크기가 같으므로 담긴 유전 정보도 완전히 동일하다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
상동 염색체는 모양과 크기가 같다고 배우다 보니, 생김새가 같으면 내용도 같을 것이라고 생각하기 쉬워요. 실제로는 상동 염색체 한 쌍 중 하나는 아버지에게서, 다른 하나는 어머니에게서 물려받은 것이에요. 그래서 모양과 크기는 같더라도 각각에 담긴 유전 정보는 서로 다를 수 있어요.
나머지 OX 문제와 4지선다 문제는 앱에서 풀어볼 수 있어요.
자주 묻는 질문
교육부 고시 제2022-33호 과학탐구 교육과정 기반