생식세포 분열
생식세포 분열 과정
유성 생식을 하는 생물은 정소와 난소 같은 생식 기관에서 2번의 연속된 분열을 통하여 정자와 난자 같은 생식세포를 형성한다. 생식세포 분열을 통해 생성된 딸세포의 염색체 수는 모세포의 절반이므로 생식세포 분열을 감수 분열이라고도 한다.
- 생식세포 분열
⑴ 생식세포 분열의 의의
① 대를 거듭하여도 염색체 수가 일정하게 유지: 감수 분열 때문에 염색체 수가 반감된 생식세포가 형성되므로, 생식세포(n)의 수정으로 생긴 자손(2n)의 염색체 수는 부모와 같다.
② 개체의 유전적 다양성이 높아짐: 다양한 염색체 조성과 유전자를 갖는 생식세포인 정자(n)와 난자(n)가 무작위로 수정되므로 같은 부모로부터 태어난 자손도 다양한 유전자 조합을 가진다. 즉, 개체의 유전적 다양성이 나타난다.
⑵ 감수 1분열
감수 1분열은 상동 염색체가 분리되는 분열 과정으로 분열 결과 형성된 두 딸세포는 G2기 모세포의 절반에 해당하는 DNA양을 가지며 핵상이 2n에서 n으로 감소한다.
⑶ 감수 2분열
감수 2분열은 염색 분체가 분리되는 분열 과정으로 분열 결과 형성된 두 딸세포는 DNA양이 절반으로 감소하지만 핵상의 변화(n → n)는 나타나지 않는다.
⑷ 정자와 난자의 형성 과정
생식세포 분열을 통해 남성은 하나의 정원세포로부터 4개의 정자를, 여성은 1개의 난원세포로부터 1개의 난자를 얻는다.
| 감수 1분열 | ||
| 시기 | 특징 | |
| 전기 1 | 염색사가 응축되어 염색체가 나타난다.
상동 염색체끼리 접합하여 2가 염색체가 나타난다. 핵막과 인이 소실되고 방추사가 형성되고 2가 염색체에 부착한다. 상동 염색체를 이루는 각각의 염색체는 서로 반대쪽 극에서 나온 방추사와 결합한다. |
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| 중기 1 | 2가 염색체가 세포의 적도면(세포중앙)에 배열된다. | |
| 후기 1 | 방추사에 의해 상동 염색체가 분리되어 각각 양극으로 이동한다. | |
| 말기 1 | 방추사가 사라지고 동시에 세포질 분열이 일어나 2개의 반수체(n) 딸세포를 형성한다.
각각의 세포는 핵상이 n인 상태이고, 각 염색체는 2개의 염색분체로 구성되어 있다. |
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| 감수 2분열 | ||
| 시기 | 특징 | |
| 전기 2 | 염색사가 응축되어 염색체가 나타난다.
핵막과 인이 소실되고 방추사가 형성된다. 방추사가 염색체의 동원체에 부착된다. |
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| 중기 2 | 염색체가 세포의 적도면(세포중앙)에 배열된다. | |
| 후기 2 | 방추사에 의해 염색체는 염색 분체의 형태로 분리되어 각각 양극으로 이동한다. | |
| 말기 2 | 방추사가 사라지고 동시에 세포질 분열이 일어나 2개의 반수체(n) 딸세포를 형성한다.
각각의 세포는 핵상이 n인 상태이고, 각 염색체는 1개의 염색 분체로 구성되어 있다. |
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- 체세포 분열과 감수 분열의 비교
체세포 분열과 감수 분열은 분열 횟수와 분열 결과 생성되는 딸세포의 수, 염색체의 분배방식, 딸세포의 염색체 수에서 차이가 있다. 이러한 차이점은 체세포 분열 중기와 감수 1분열 중기의 염색체 배열이 서로 다르므로 발생한다.
⑴ 체세포 분열과 감수 분열의 분열 과정
① 체세포 분열: 분열 중기에 각각의 염색체가 적도면에 배열하여 염색 분체 상태로 분리됨에 따라 모세포와 핵상, 염색체 수, DNA양이 동일한 딸세포가 형성된다.
② 감수 분열: 감수 1분열 중기에 상동 염색체가 접합된 2가 염색체가 나타나고 서로 분리됨에 따라 모세포의 핵상, 염색체 수, DNA양의 절반을 갖는 딸세포가 형성된다.
⑵ 체세포 분열과 감수 분열의 공통점과 차이점
| 구분 | 체세포 분열 | 감수 분열 |
| DNA 복제 | 간기(S기)에 1회 일어남. | 간기(S기)에 1회 일어남. |
| 분열 횟수 | 1회 | 2회(감수 1분열(상동염색체 분리), 감수 2분열(염색 분체 분리)) |
| 상동 염색체의 접합 | 일어나지 않음. | 일어남(2가 염색체 형성). |
| 딸세포의 수와 핵상 | 2개, 2n | 4개, n |
| 역할 | 세포 증식 | 생식세포의 형성 |
① DNA 복제 횟수: 체세포 분열과 감수 분열 모두 간기를 1회만 거치므로 DNA 복제는 1회만 일어난다.
② DNA양의 변화: 체세포 분열에서는 S기에 DNA가 1회 복제되어 2배로 증가한 후 말기에 세포질 분열이 일어나 반으로 감소하므로 딸세포의 DNA양은 G1기의 모세포와 같다. 그러나 감수 분열에서는 S기에 DNA가 1회 복제되어 2배로 증가한 후 2회 연속으로 세포 분열을 하므로 DNA양이 연속적으로 반감되어 딸세포의 DNA양은 G1기의 모세포의 절반이다.
③ 분열 횟수와 딸세포의 수: 체세포 분열에서는 한 개의 모세포가 1회 분열하여 2개의 딸세포를 만들지만, 감수 분열에서는 한 개의 모세포가 2회 연속 분열하여 4개의 딸세포를 만든다.
④ 분열 장소와 역할: 체세포 분열은 상처 부위의 재생과 생장을 목적으로 하므로 동물의 경우 온몸에서 일어나며, 생식세포 분열은 생식을 위한 생식세포의 형성이 목적이므로 생식 기관인 정소와 난소에서 일어난다.
※ 식물의 세포 분열
식물에서 체세포 분열은 분열 능력이 있는 특수한 부위인 형성층이나 생장점과 같은 분열 조직에서만 일어나며, 생식세포 분열은 식물의 생식세포인 화분과 배낭을 형성하는 꽃밥과 밑씨, 꽃이 피지 않는 식물은 포자낭 등에서 일어난다.
- 세포 분열과 생명의 연속성
⑴ 생식세포의 형성과 수정: 유성 생식을 하는 생물들은 생식세포의 수정을 통해 자손을 만든다. 감수 분열로 형성된 생식세포는 체세포의 절반에 해당하는 DNA양과 염색체 수를 갖는다. 따라서 생식세포의 수정으로 형성된 수정란의 염색체 수와 DNA양은 체세포와 같다.
⑵ 수정란의 발생과 생장: 수정란이 발생을 통해 성숙한 개체가 되는 과정은 체세포 분열로 이루어진다. 이 과정에서 수정란의 염색체와 DNA는 체세포에 전달되며, 몸을 구성하는 모든 세포가 같은 염색체와 DNA를 갖게 된다.
⑶ 생명의 연속성: 감수 분열을 통해 형성된 생식세포가 체세포의 절반에 해당하는 염색체 수와 DNA양을 갖기 때문에 인간과 같이 유성 생식을 하는 생물은 세대를 거듭해도 염색체 수와 DNA양이 일정하게 유지된다.
생식세포 분열과 유전적 다양성(유전적 다양성이 높은 종은 다양한 형질의 개체들이 존재하므로 환경이 변했을 때 유리한 형일즐 가진 개체가 존재할 가능성이 높아 쉽게 멸종되지 않으며, 환경 변화에 대한 적응력이 높다.)
- 유전적 다양성의 의미와 생식세포 분열
같은 부모에게서 태어난 자손들의 형질이 서로 다른 까닭은 자손들이 유전적으로 서로 다르기 때문이다. 이때 유전적으로 다양하다는 것은 대립유전자의 종류가 다양하다는 것을 의미한다. 같은 부모로부터 서로 다른 대립유전자를 가진 자손이 태어나는 것은 생식세포 분열 과정에서 서로 다른 대립유전자가 각각의 생식세포에 들어갔기 때문이다.
이런 변화가 생기는 시기는 감수 1분 열 중기에 상동 염색체 쌍이 무작위로 세포의 중앙에 배열되고 다른 상동 염색체 쌍과는 독립적으로 분리되어 딸세포로 들어가기 때문에 각각의 딸세포는 모계와 부계의 염색체들의 모든 가능한 조합 중 하나의 조합을 이루게 된다.
모계 염색체와 부계 염색체는 대립유전자 구성이 다르므로 염색체의 조합이 다른 생식세포는 유전적으로도 다르다.
- 상동 염색체의 무작위 배열 이외에 유전적 다양성에 영향을 주는 요인
⑴ 감수 1분열 전기의 교차: 감수 1분열 시 상동 염색체 사이에서 유전자 일부가 교환되는 현상으로, 교차 때문에 새로운 유전자 조합을 가지는 염색체가 생긴다. 교차가 일어나면 완전 연관 시 만들어질 수 없는 새로운 유전자 조합의 생식세포가 만들어지며, 연관된 두 유전자 사이에서 교차가 일어나는 경우 이 두 유전자는 ‘불완전 연관’되어 있다고 한다.
⑵ 생식세포의 무작위 수정
생식세포 분열 과정에서 형성되는 유전적 다양성은 수정을 통해 더 다양해진다. 사람의 경우 남성과 여성의 생식세포 하나에는 약 800만 가지 가능한 염색체 조합 중 하나가 나타나게 된다. 정자와 난자가 수정하면 각각이 800만 중의 하나이므로 800만×800만 가지의 유전적으로 다양한 수정란이 가능하게 된다. 여기에 감수 1분열 전기에서 일어나는 교차 현상까지 나타나게 되면 경우의 수는 천문학적으로 증가하게 된다. 유전적 다양성이 이토록 다양하므로 지구상에 있는 사람 중에 일란성 쌍둥이를 제외하고는 유전적으로 같은 사람은 없다.
⑶ 돌연변이
유성 생식에서 일어나는 대립유전자 쌍의 무작위적 분리나 연관된 유전자 사이의 교차는 이미 존재하는 대립유전자들을 섞어 다양한 조합을 만든다면, 돌연변이는 유전 물질인 DNA 상의 변화로 새로운 대립유전자가 만들어진다. 돌연변이로 생겨난 대립유전자가 생식세포를 통해 자손에게 전달되면 기존의 조상에게서 나타나지 않았던 새로운 형질이 나타나게 되며, 이 과정에서 유전적 다양성은 증가하게 된다.
- DNA 돌연변이의 원인
- 물리적 요인: 자외선 및 감마선, X－선 등의 방사선
- 화학적 요인: 벤조피렌, EtBr, EMS 등의 화학 물질
참고자료: 지학사 생명과학1 교과서, 고등 하이탑 생명과학1, EBS 수능특강 생명과학1
