사회토론부

산비탈에서 중력 반대 방향으로 자라는 나무. 식물의 중력감지는 식물 성장 방향에 영향을 끼친다. 위키미디어 코먼스 제공

식물의 줄기나 뿌리가 자라는 방향에 영향을 주는 요인은 몇 있다. 내부 요인으로는, 뿌리를 땅 속으로 줄기를 위로 성장하도록 식물의 중력 반응에 작용하는 유전자 조절 네트워크가 중요한 역할을 할 것이다. 외부 요인으로는 빛과 영양분도 중요하겠지만 중력은 식물의 성장 방향에 크나큰 영향을 준다.

쓰러진 화분에서도, 가파른 비탈에서도, 식물 몸체는 중력을 감지해 그 반대 방향으로 성장한다. ‘평형세포(statocyte)’라는 식물 세포 안에서 중력 방향과 다른 기울기를 감지하는 어떤 ‘중력센서’가 작동하기 때문이다. 평형세포에는 ‘평형석’(statolith)이라 불리는 녹말 주성분의 매우 작은 알갱들이 들어 있어, 이리저리 움직이며 기울기를 감지하는 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 식물 몸체가 기울어질 때에, 평형석들은 그 기울기에 어떻게 반응할까?

평형석들은 알갱이 모양의 입자들이지만, 산 모양을 이룬 모래 더미가 일정한 기울기 각도 이상일 때에야 무너져 내리는 사태를 일으키는 것과는 다르게, 액체처럼 작은 기울기에도 흘러 수평을 유지하는 것으로 나타났다는 새로운 연구결과가 나왔다. 식물 세포 안의 중력센서 입자들은 물리학적인 입자들과 다르게 기울기에 매우 민감한 거동을 보인다는 것이다.

프랑스 엑스-마르세유 대학과 끌레몽 오베르뉴 대학 등 소속 연구진은 이런 내용의 연구결과를 과학저널 <미국 과학아카데미회보(PNAS)>에 최근 발표했다.

기울어진 상태에서 몇 시간만에 위쪽 방향으로 성장하는 밀 새싹(오른쪽). 중력을 감지할 수 있게 해주는 식물 세포 내 평형석 알갱이 더미의 확대 영상. 영상·설명: 프랑스 CNRS, http://www2.cnrs.fr/en/3107.htm

연구진은 평형석들이 어떻게 중력에 반응하는지를 직접 관찰하기 위해 밀 새싹의 평형세포들에서 기울기 각도에 따라 달라지는 평형석들의 거동을 현미경으로 살펴보았다. 관찰에서는 기울기 각도를 달리하자 평형석들은 서서히 움직이면서 이내 평형석 더미의 표면을 수평으로 맞추는 것으로 나타났다. 수평을 맞추는 입자들의 거동은 사태가 일어날 수 없는 작은 각도에서도 일어났다.

평형석들은 모양은 입자상인데도 그 거동은 액체와 비슷하게 나타나는 것으로 해석됐다. 흔히 입자상의 모래 알갱이들은 마찰력과 모양 때문에 서로 낀 상태가 되면서 일정한 기울기 각도 이하에선 움직이지 않다가 일정 각도 이상이 될 때에 무너져 내리는 ‘사태’를 일으키는데, 평형석들의 거동은 이와 달리 비교적 작은 기울기에도 그릇 안의 액체가 수평을 맞추듯이 쉽게 움직여 수평 상태를 유지하는 특징을 보여준다는 것이다.

연구진은 세포를 모방한 작은 빈 공간에다 물을 채우고 마이크로 알갱이를 집어넣고서 평형세포를 흉내내는 생체모방 실험을 추가로 벌인 뒤에 평형세포 관찰 결과와 비교했다. 연구진은 생물학적 시스템과 생체모방 시스템을 비교해보니 액체 흐름과 같은 평형석의 거동 특성이 식물 세포의 활동 덕분에 일어날 수 있는 것으로 보인다는 분석을 내놓았다.

기울어진 상태의 세포(위)와 물로 채워진 빈 공간에 담긴 마이크로 입자들(온도에 의해 요동이 일어나는 마이크로 실리카 알갱이)의 생체모방 시스템(아래)에서 일어나는 평형석 “사태”의 비교 영상. 두 경우에 모두 다 알갱이 더미의 표면은 일반적인 입자상 더미와는 다르게 평평하게 안정화한다. 영상·설명: 프랑스 CNRS, http://www2.cnrs.fr/en/3107.htm

이 연구결과는 식물이 비교적 작은 기울기 각도에도 민감하게 반응할 수 있음을 보여준다. 바람 때문에 생기는 일시적인 기울기에는 식물이 바로 반응하지 않겠지만 기울기가 한 동안 계속될 때 식물은 작은 기울기에도 반응해 중력과 반대되는 쪽으로 성장 방향을 정할 수 있다는 것이다.

하지만 이번 연구에서는 이렇게 민감하게 반응하는 평형석의 독특한 거동을 식물 세포는 또 어떻게 감지하는지 그 메커니즘이 밝혀지지는 않았다. 연구진은 이번 연구결과가 자이로스코프나 가속도계에 들어가는 새로운 소형 경사계(clinometer) 장치를 개발하는 데 도움이 될 수도 있으리라고 기대했다.

논문 초록 (우리말 번역)

식물은 중력의 방향에서 벗어나는 작은 기울기를 감지하고 이에 반응할 수 있다. 이는 성장 과정에서 똑바른 자세를 유지하는 데 중요하다. 식물의 중력감지는 녹말으로 채워진 마이크로 크기의 알갱이(평형석, statolith)로 이뤄진 독특한 센서에 의존한다. 그 평형석들은 중력감지세포들의 바닥에 축적되어 작은 입자 더미를 이룬다. 그 센서가 어떻게 기울기를 감지할 수 있는지는 명확하게 밝혀지지 않았다. 모래와 같은 입자상 물질은 마찰과 끼임(jamming)으로 인해 유동의 임계치(문턱값)를 지니게 되며 일정한 각도 이상이 될 때에나 흘러내리는 사태(avalanche)를 일으키는 것으로 알려져 있기 때문이다. 이번 연구에서 우리 연구진은 식물 세포 내 평형석 사태를 직접 시각적으로 관찰하고, 또한 마이크로 유체 빈 공간(cavity)에다 무거운 브라운 입자들의 현탁액을 채운 생체모방 세포를 이용해 실험을 행하고서, 그 두 결과를 합하는 방식으로 이 문제를 풀었다. 우리는 평형석들이 입자와 같은 성질을 지니면서도 마치 액체 경사계가 그러하듯이 아주 작은 기울기 각도에도 움직이며 반응한다는 것을 입증해 보여준다. 생물학적 시스템과 생체모방 시스템을 비교해보니, 이런 액체 같은 거동은 세포 활동에서 비롯한 것으로 나타났다. 세포 활동으로 인해 실제 온도보다 한자릿수 배율로 더 큰 겉보기 온도로 평형석들은 요동한다. 우리 연구결과는 기울기에 대한 식물의 높은 민감도를 설명하는 데에 활발한 평형석 요동의 역할이 중요함을 밝혀준다. 우리 연구는 또한 식물의 거시적인 중력 반응과 현미경 수준에서 관찰되는 활발한 입자상 유변학을 연결해줌으로써, 식물의 중력감지에 대한 최근 학설을 뒷받침한다.

내 생각: 산은 비탈길인데 어떻게 나무는 늘 일직선으로만 자랄 있을까? 이러한 질문에 의문을 품었다. 일단 결과적으로 일직선으로 자랐기 때문에 모든 나무고 고루고루 광합성을 할 수 있다. 식물이 본능적으로 광합성을 많이 하기 위해 자랐다는 것은 이 전체적인 산의 시스템을 이해하지 못했기 때문에 아닌 것 같다. 이러한 식물의 원리를 찾는 사람이 아마 노벨상을 탈 수도 있지 않을 까 라는 생각을 했다.