식물이 전기 신호를 보내고 있다는 충격적 증거!

식물이 전기 신호를 보내고 있다는 충격적 증거!  (Shocking Evidence of Electrical Signals in Plants) Brian Thomas    녹색의 식물 잎(leaves)들은 대부분의 시간 동안 움직임 없이 매달려있다. 그러나 그 내부 깊은 곳에서는 여러 움직임들이 꿈틀대고 있다. 사람들은 광합성 시에 분자들이 이동된다는 것을 알고 있지만, 식물이 또한 전자공학에도 조예가 깊다는 것을 대부분의 사람들은 알지 못하고 있다. 연구자들은 외부적 상해 또는 손상을 입고 있는 잎으로부터 멀리 떨어져 있는 잎에서 방어적 화학물질의 생산이 늘어나는 것을 발견했을 때, 식물에 어떤 형태의 빠른 의사소통이 일어나고 있는지 궁금해 했다. 애벌레가 한 잎을 점심 식사로 씹기 시작한 직후, 근처에 있거나 멀리 떨어져 있는 식물 조직들은 모두 곤충의 식욕을 줄이기 위한 시큼한 화학물질을 만들어내기 시작했다. 어떻게 손상된 잎은 같은 식물에 있는 다른 잎들에게 그렇게 빨리 소식을 전달할 수 있는 것일까? Nature(2013. 8. 22) 지에 게재된 한 연구에서 스위스 생물학자들은 고전적인 실험연구 식물인 애기장대(Arabidopsis)를 사용하여, 잎과 줄기 맥관을 따라 전해지는 것으로 추정되는, 빠른 전기적 전하(electrical charge)의 전달을 추적했다.[1] 그들은 잎에 전극을 부착하고, 전하가 약 8.9cm/min의 속도로 이동되는 것을 발견했다. 이것은 어떤 영향을 미치고 있는 것일까? 멀리 있는 잎의 조직은 전자 신호(electronic signal)를 수신하고 나서 ‘자스모네이트(jasmonate)‘라는 화학물질을 생산해냈다. 식물학자들은 이 호르몬이 여러 식물 과정들에서 핵심적인 역할을 수행하며, 특히 식물의 많은 방어 조직들 중 하나를 시발할 때 관여하는 것으로 생각하고 있다. 식물 세포 내의 단백질은 자스모네이트의 파발마와 같은 급박한 소식을 핵 내로 전송하고, 그곳에서 중간 메신저들은 활성화하고 다른 방어 관련 유전자들과 협력한다. 이 과정 모두는 매우 복잡하다. 하지만 그건 단지 시작에 불과하다. 식물들은 여러 방어 전략들을 동시에 가동하는 것으로 밝혀졌다. 예를 들어, 같은 생물학자는 상처가 난 잎에 반응하는 한 '민감한 산소 종'은 자스모네이트 신호에 대한 전기 화학적 반응을 또한 독립적으로 작동시키는 것을 발견했다. 잎 조직의 손상은 두 반응을 활성화시켰고, 다른 식물 방어 기구들도 활발히 작동되고 계속 가동됐다. 다른 연구는 놀랍게도 식물의 이들 다른 방어 기구들이 서로 협력하는 것을 보여주었다. 2008년 네덜란드 과학자들의 연구는 식물들의 '크로스토크(cross talk)'를 조사했다.[2] 뿐만 아니라, 식물들은 방어 경로를 따라 호르몬 신호 및 전기 신호를 보내고 있었다. 그러나 또한 경로를 가로지르며 협력하고 있었다. 다른 말로 해서, 식물의 해안 경비대는 본부에 침공 소식을 전달하고, 공군에게도 적절한 시간에 적절한 폭격이 이루어질 수 있도록 연락하고 있다는 것이다.[3] 2008년 네덜란드 연구팀은 이렇게 말했다. ”따라서, 식물은 효율적으로 공격자 특정 방어 시스템을 활성화하도록 조정하는 매우 정교한 조절 메커니즘을 소유하고 있다. 그래서 최상의 저항을 하면서, 최소의 비용을 지불하고 있는 것이다.”[2] 어떻게 식물은 전기 신호, 호르몬 신호, 방어적 단계 반응, 가로지른 의사전달 등의 방법들을 가지고 있는 것일까? 이것들은 어떻게 생겨나게 되었을까? 단 하나의 방어 메커니즘을 갖추는 데에도 많은 부품들이 필요하다는 것을 숙고해볼 필요가 있다. 돌연변이는 복제 과정에서 일어나는 무작위적인 오류이다. 그러한 돌연변이들로 방어 메커니즘에 관여한 화학물질들이 모두 우연히 생겨날 수 있었을까? 그 부품들이 하나씩 생겨나서는 방어 기능이 작동될 수 없다. 따라서 그것들은 모두 한 번에 동시에 존재했어야만 했다.[4] 그리고 그 부품들을 만드는 방법을 후대에 전달해주는 유전정보는 어디에서 생겨났는가? 또한 그 방어 메커니즘은 하나가 아니라 다수라는 것이다. 그러므로 식물의 방어 메커니즘은 창조된 것처럼 보인다. 군 관계자들은 식물의 최적화되고 정교하고 효율적인 최첨단 방어 시스템을 부러워할 지도 모르겠다. 식물은 땅속의 ‘곰팡이 인터넷’을 사용하여 통신을 한다. (Plants Use Underground 'Fungal Internet' to Communicate) Jeffrey Tomkins    연구자들은 식물이 임박한 곤충의 공격을 이웃 식물들에게 경고하기 위해서, 어떻게 땅속의 곰팡이 네트워크를 이용하는지를 입증하고 있었다. 이것은 자연에서 발견되는 복잡하고 고도로 설계된 독특한 상호협력을 보여주고 있는 것이다. 2013년 7월 Ecology Letter 지에 발표된 연구는 식물들이 땅속 곰팡이들을 정보회로(information conduit)로서 사용하여 어떻게 다른 식물들과 소통하는 독특한 상호 설계된 생리특성을 가지게 되었는지를 확증하고 보여주는 최초의 보고서였다.[1] 이 놀라운 복잡한 시스템은 자연의 생물학적 인터넷처럼, 하나의 군집체로서 식물들이 쉽게 효과적으로 서로 소통할 수 있도록 해주고 있었다. 이 연구 이전에도, 과학자들은 식물과 어떤 균류(식물의 근계 주변의 토양에 서식하는) 사이의 상호 유익한 관계를 알고 있었다. 이러한 유익한 토양 미생물은 '균근 곰팡이(mycorrhizal fungi)”로 불리며, 식물의 전반적인 생장을 촉진하고, 곤충의 공격, 병원균, 건조 스트레스에 대처하는데 도움을 주는 것으로 알려져 있었다.[1] 실제로, 과학자들은 균근 곰팡이가 곤충의 공격에 반응하여 서로의 화학방어 시스템으로 신호하고 준비시켜 밀접한 그룹으로 함께 식물 생장을 가능케 할 수 있다는 것을 알고 있었다.[2] 과학자들은 작년에 발표된 논문에서, 이 통신은 땅속에 직접 연결되어 있는 식물들의 초고속 정보망처럼, 균근 네트워크를 통해 토양 기질을 통과하는 정보운반 화학물질의 방출과 감지로서 일어난다는 아이디어를 제안했다.[3] 이것은 실과 같은 곰팡이들이 지하에서 자라고, 한 세트의 뿌리를 다른 것과 연결시키는 균사체(mycelia)라 불리는 실을 만들기 때문에 성취된 것이었다. 이제 놀랍게도 이러한 연구 가설이 확인되고 있었던 것이다. 이 새로운 연구에서, 과학자들은 5개의 개체로 이루어진 그룹으로 여러 세트의 콩 식물들을 재배했다. 그들은 각각 그룹에서 세 개의 콩을 지하 네트워크로 연결된 곰팡이 균사체가 들어 있는 토양에 접촉되도록 했다. 비교 측정으로써, 연구자들은 각 그룹의 나머지 2개의 콩은 흙 속의 균류 연결과 분리시켰다. 그리고 각 그룹의 한 식물(콩)에 진딧물(구멍을 뚫어 즙을 빠는 곤충)을 감염시켰다. 그러자 식물들은 진드기를 쫒아내고, 진드기의 포식자 중 하나인 말벌을 끌어들이는 식물 화학물질의 방출을 시작했다. 놀랍게도 공격받은 식물과 지하 곰팡이 네트워크로 연결되어 있는, 곤충의 공격을 받지 않은 식물도 그들의 세포에서 방어 화학물질들을 만들기 시작했다는 것이다. 곰팡이 네트워크로 연결되어 있지 않은 식물들은 그들의 화학적 방어 시스템을 가동시키지 않았다. 또 다른 비교 실험으로, 연구자들은 봉지로 식물을 씌워서 잎에서 감지되는 풍매의 화학신호를 통해 생길 수 있는 지상의 신호전달 가능성을 배제시켰다. 주의 깊게 통제된 상황이었기 때문에, 이러한 군집 방어 반응의 원인이 된 신호는 땅 속의 균류 네트워크를 통해 전달된 것으로 밝혀진 것이다. 그 연구의 선임연구자인, 데이비드 존슨(David Johnson) 박사는 ”우리는 식물이 공격을 받을 때 휘발성 화학물질을 생산한다는 것을 알고 있었고, 그들이 지상 위로 서로 위험을 소통한다는 것을 알고 있었다. 이제 또한 우리는 땅 속의 곰팡이 네트워크를 통해 식물이 위험을 소통한다는 것은 마찬가지로 알게 되었다”라고 말했다.[4] 지금까지 연구한 여러 형태의 농작물(단지 콩 뿐만 아니라, 밀, 벼, 옥수수, 보리와 같은 초본식물을 포함하여)의 근계는 이러한 형태의 균근 곰팡이와 상호작용 함을 보여주었다. 의심할 바 없이 이러한 놀라운 상호 연결 관계는 농업에서 사용하는 식물에서도 일어날 수 있는데, 사실 농업용 식물들은 야생으로부터 길들여온 것이기 때문이다. 진화론자들은 완전히 다른 형태의 생물체 간의 복잡한, 상호협력적인 네트워크를 어떻게 설명할 수 있을지, 특히 그것들이 두 별개의 형태의 생물체에서 상호작용하는 동적인 생화학 네트워크를 포함한다고 할 때, 어떻게 그것이 다윈의 진화를 통해서 구축될 수 있었는지를 설명하기위해 머리가 아프게 되었다. 그 대신, 이러한 사실은 전지전능하신 창조주에 의한 지적설계의 명백한 증거가 되고 있는 것이다. 말하는 나무와 식물의 향수들  (Of Talking Trees and Plant Perfumes ) Headlines    나무가 말한다는 것은  단지 공상 소설에나 나오는 이야기가 아니다. 우리 지구의 숲도 언어를 가지고 있다. 파멜라 힌즈(Pamela J. Hines)가 사이언스 지(2006. 2. 10)에 보고한 [1] '보이지 않는 꽃다발(invisible bouquet)' 이라고 불리는 식물들의 의사소통(plant communication)에 쓰이는 화학적 언어(chemical language)에 관한 일련의 논문들을 소개하도록 하겠다. ”식물들이 생산할 수 있는 수천의 서로 다른 대사 물질들 가운데, 많은 물질들이 식물 주위에 구름(cloud)을 형성한다. 이 휘발성 혼합물은 식물들이 가진 복잡한 신진대사를 반영하며, 또한 다양한 기능들을 나타낸다. 휘발성 혼합물은 곤충, 병원균, 꽃가루 매개자들(pollinators)에게 똑같이 유혹의 신호를 보낸다. ”나의 적의 적은 친구”라는 고전적인 경우는 여기에도 적용되어, 곤충에 의해 공격당하고 있는 식물은 자신을 갉아먹고 있는 곤충의 천적을 불러들이는 휘발성 신호(volatile signals)를 보낼 수 있다는 것이다. 밤에 꽃이 피는 식물들이 최상의 꽃가루 매개자 곤충들을 유혹하기 위해서는,  꽃의 색이나 모양보다 휘발성 물질들이 더 좋은 신호일지도 모른다. 휘발성 신호는 또한 인근 식물들에 의해 읽혀지고, 재해석되어, 그들 자신의 방어를 조절할 수 있도록 도와준다.” 식물 휘발성 물질들의 이러한 '향기로운 이야기'는 같은 편 '사이언스' 지의 세 논문 속에 상세하게 기재되어 있다. 피처스키(Pichersky) 등은 식물에 의해 생산된 이 많은 혼합물들의 미묘함을 '자연의 다양성과 재능(nature's diversity and ingenuity)'으로 특징지었다.[2] 이 혼합물들은 그냥 우연히 생긴 것이 아니다. 메틸화(methylation), 아실화(acylation), 산화/환원(oxidation/reduction), 방향성 고리의 형성(formation of aromatic rings) 등 마치 여러 유기화학 공정 연구 작업을 마쳤던 것처럼 복잡한 화학물질들의 공정 단계와 과정들을 거쳐서 합성되어진 것이다. 식물들은 이러한 작업들을 위해 특수한 효소(specialized enzymes)들을 고안해 냈다. 여러 방향성 물질들을 조절하여 장미에서 향기로운 냄새가 나게 하는 것은 머리가 어지러워질 정도로 복잡한 고도의 혼합기술이라고 저자들은 기술했다. 게다가, 혼합물들은 저장주머니를 가진 특화된 세포에서 생산되고 적절한 시간에 공기로 방출된다. 저자들은 유전자중복과 다양화에 의해 이 과정들이 발전되었다고 믿고는 있지만, ”수렴 진화(convergent evolution)로  가끔 다른 종의 식물들이 동일한 휘발성 물질을 합성하는 능력을 갖추게 되었다”고 말하였다. 이 가설에 동조하든 안하든 간에, 현재까지 1,000여 개의 유사한 화합물질들이 발견되었고, 그 몇 배에 달하는 화합물질들이 발견될 것이 예상되기 때문에 이는 확실히 놀라운 일임에 틀림없다. '사이언스' 지의 다른 논문에서도 식물들이 만드는 몇 만 또는 수십만의 일차, 이차 대사물질들이 모두 다양한 생물학적 특성과 기능을 가지고 있다는 것을 제시하고 있다. 어떻게 식물들이 이러한 화학물질들을 만들고, 저장하고, 방출하는지를 연구하는 분야는 아직 미개척분야라고 저자들은 말한다. 실제로 또 다른 논문에서 발드읜(Baldwin) 등은[3] '말하는 나무(talking trees)'에 대해 다음과 같이 언급하고 있다. ”식물들은 자신들이 공격당하기 전에 방어기전을 활성화 해놓기 위하여, 초식동물들에게 공격당하고 있는 이웃 식물들이 방출하는 휘발성 유기화합물(volatile organic compounds, VOCs)들을 엿듣고 있는지도 모른다. 휘발성 유기화합물에 노출된 식물의 유전자 전사체(transcriptome)와 신호전달 양상을 분석해 본 결과, 식물이 직, 간접적인 방어를 준비하고 있으며, 경쟁적인 능력을 연마하기위해서 휘발성 유기화합물들을 엿듣고 있다는 가능성이 제안되고 있다. 휘발성 유기화합물 생합성과 인식작용에 관한 연구의 전진으로, 유전적으로 특별한 휘발성 유기화합물에 대해 반응을 하지 않는 ‘귀머거리(deaf)’ 식물들의 생산과, 그들의 휘발성 어휘(volatile vocabulary)중 일부 화합물질을 만들지 못하는 '벙어리(mute)” 식물들의 생산이 가능하게 되었다. 이런 식물들은 휘발성 유기화합물들의 분석계측기의 개발과 더불어 타식물의 휘발성 유기화합물을 인지하는 ('deaf'나 'mute'가 아닌 의사소통이 유창한) 능력이 자연 생태계에서 식물의 적응성에 도움을 주고 있는지를 판단할 수 있도록 해 줄 것이라는 것이다.” '말하는 나무(talking trees)'라는 용어는 과학자들이 식물간의 의사소통을 설명하기 위해 실제로 사용하여 왔었다. 말을 한다거나 혹은 엿듣는다는 것은 단지 관점의 차이일지도 모른다. 실험결과, 이러한 신호에 귀먹게 된(deaf) 식물들은 외부로부터 손상받기가 쉬운 것으로 나타났다. 식물의 휘발성물질에 관한 일련의 특별 기사들 중 마지막 논문은 우리 인간들에게 흥미롭다. 왜 양념은 우리의 미각을 돋우는가? 그것은 우리들 자신의 후각이 어느 식물이 건강에 좋은지 혹은 해로운지를 알아내는데 예민하기 때문일지도 모른다는 것이다. 고프(Stephen Goff)와 클리(Harry Klee)는 식물의 휘발성물질들이 건강과 영양학적 가치에 단서를 제공하는지를 관찰했다 [4]. ”중요한 맛에 관련된 휘발성물질이 필수영양소에서 비롯된다”는 증거가 포착되었다는 것이다. 그들은 덧붙여서, ”비록 하나의 과일 또는 야채가 수백 가지의 휘발성물질들을 합성하지만, 단지 작은 조합의 물질들이 '맛 지문(flavor finger print)‘을 형성하여, 동물이나 사람들이 적합한 음식들은 인식하고, 위험한 음식들의 선택은 피하도록 돕고 있다.” 아마도 우리 모두는 잃어버린 기술을 연습하여, 숲에서 또는 슈퍼마켓에서 더 열심히 코로 냄새 맡기를 시작할 필요가 있다. 세균과 식물들은 네트워크 기술을 알고 있었다.  (Bacteria and Plants Know Network Tech) Headlines    Science Daily(September 27, 2007)의 한 기사는 '식물들은 서로 서로에게 경고를 보내는데 사용할 수 있는 대화 시스템(chat systems)들을 가지고 있다”고 보도하고 있다. 딸기(strawberry), 토끼풀(clover), 갈대(reed), ground elder 등과 같은 많은 초본(풀) 식물(herbal plants)들은 자연적으로 네트워크(network, 연락망, 통신망)를 형성한다. 각각의 식물들은 기는줄기(runners)들에 의해서 어떤 기간동안 서로 연결되어 있다. 이 연결은 내부 채널을 통해 식물들 상호 간에 정보를 공유할 수 있게 해준다.   그러면 식물들은 무엇에 대하여 대화를 하는가? 위험이다. 그들의 '초기 경고 시스템”은 위험이 다가올 때 대비토록 하는 것이다. '예를 들어 네트워크를 통해 경고를 받게 되면, 식물은 그들의 화학적 기계적 저항성을 강화시킨다. 그래서 그들은 벌레나 유충들에게 덜 매력적인 식물이 되도록 하는 것이다.”       심지어 더 작은 생물체들도 네트워크를 가지고 있을지 모른다. 필립 볼(Phillip Ball)은 News&Nature 지에서 '박테리아들은 토양에 전선을 깔고 있을 수도 있다”고 썼다. 믿거나 말거나 ”박테리아들은 토양을 하나의 지질 배터리(geological battery)로 변형시키는 전기적 전선망(webs of electrical wiring)을 싹트게 할 수 있다'고 한 연구팀은 주장했다. 일부 박테리아들은 대사반응 동안에 만들어지는 전자(electrons)들을 분로(shunt)시키는 ”나노 전선(nanowires)'들을 돌출시키고 있다는 것이다. 벤터 연구소(Venter Institute)의 한 지구화학자는 ”우리의 발아래 땅은 미생물들의 대사 시스템에 동력을 공급하기 위해서 미생물들에 의해서 만들어진 하나의 초거대한 회로(a gigantic circuit)로서 작동되고 있을지도 모른다'고 말하였다. 만약에 그렇다면, 이 미생물학의 새로운 국면은 너무도 환상적이어서, 어떤 사람들이 받아들이기에는 고통스러울 것으로 보인다. 그러나 이 개념이 맞는 것이라면, 그것은 정말로 놀라운 일이다.         ----------------------------------------------------------- 어떻게 이러한 놀라운 상호 네트워크들이 목표가 없고, 방향이 없고, 무작위적이고, 우연한 돌연변이들로 생겨날 수 있었을까? 그리고 이것은 치열한 생존 경쟁 이야기와는 맞지 않는 것처럼 보인다. 네트워크 전문가들이 이들 보잘 것 없는 것으로 여겼던 생물체들로부터 일부 기술들을 배우는 날이 올지도 모르겠다.