식물은 인지능력이 있나?

 

의사소통

식물도 과연 의사소통을 할까? 에 대한 연구자료가 있습니다.

https://scent.kisti.re.kr/site/main/archive/article/%EC%8B%9D%EB%AC%BC%EB%8F%84-%EC%9D%98%EC%82%AC%EC%86%8C%ED%86%B5%ED%95%98%EB%A9%B0-%EC%9C%84%ED%98%91%EC%97%90-%EB%A7%9E%EC%84%A0%EB%8B%A4;jsessionid=5340DA9652BF0BFB3ABDA64281029602.scent_left

식물도 의사소통하며 위협에 맞선다

간을 비롯한 동물들은 외부에서 공격을 해오면 도망을 가거나 맞서 싸운다. 반면에 식물은 그런 계책을 생각해내지 못할뿐더러 몸을 움직일 수도 없다. 그렇다면 식물은 외부의 공격을 그저 당하고만 있는 것일까? 최근 연구에 따르면 식물 역시 외부로부터의 위협을 감지하고 방어하는 기제를 가지고 있는데, 그 기제의 핵심은 세포 간 의사소통(신호 전달)에 있다. 식물은 외부의 공격으로 상처를 입으면 위험 신호를 몸의 다른 부분에 전달하고 침략자를 쫓기 위한 방어 태세를 갖춘다.

 

위험 신호의 장거리 운반자, 칼슘 이온

 

칼슘 이온은 동물의 체내에서 전기적, 화학적 신호를 운반한다고 알려져 있다. 미국 위스콘신-매디슨 대학교의 식물학자 시몬 길로이(Simon Gilroy)와 토요타 마사츠구(Masatsugu Toyota) 박사 연구진은 애기장대(Arabidopsis thaliana)를 대상으로 한 최근 연구에서 식물이 감지하는 위험 신호 역시 칼슘 이온을 통해 전달된다는 사실을 확인했다.

 

연구자들은 칼슘 이온의 양이 늘어난 곳에서 녹색 빛이 나도록 애기장대에 녹색 형광 단백질(GFP, green fluorescent protein) 유전자를 투입하고, 애기장대의 이파리를 가위로 자르거나 애벌레가 갉아 먹게 한 후 칼슘 이온의 움직임이 어떠한지를 추적했다. 그리고 현미경을 통해서 애기장대의 한쪽 잎이 먹히거나 잘려나간 후 몇 초 지나지 않아 해당 위치에 녹색 빛이 들어오고 이 빛이 곧 주변으로 옮겨져 다른 잎들로 퍼져나가는 것을 관찰했다. 특정 부분의 칼슘 신호가 단기간에 장거리를 이동한 것이다.

 

칼슘 이온은 먼 거리를 이동하면서 방어 기제들을 수반한다. 칼슘 이온이 지나가는 곳에는 스트레스 호르몬인 자스몬산(jasmonic acid)이 만들어지며, 이것은 식물이 물리적으로, 화학적으로 외부의 위협을 방어할 수 있게 해준다. 자스몬산은 세포벽을 단단하게 만들어 먹기 어렵게 만들고, 자스몬산의 산물인 메틸 자스모네이트(methyl-jasmonate)는 공기 중으로 분사되어 곤충의 소화를 방해한다.

https://youtu.be/5HtD7x8RXPQ

동영상 1. 다른 잎이 상처를 받자 칼슘 이온을 방출해 대비하는 모습. (출처: UW-Madison Campus Connection)

 

세포 간 신호 전달의 개시자, 글루탐산

 

칼슘 이온이 위험 신호의 운반자라면, 그 신호를 개시하는 것은 무엇일까? 길로이와 마사츠구 연구진에 따르면 칼슘 이온을 활성화시키는 것은 글루탐산(glutamate)이다. 글루탐산은 아미노산의 일종으로 애벌레가 잎을 갉아 먹는 등 외부로부터의 공격이 있은 뒤 세포 외부에 분비되는 물질이다. 세포 외부에 있던 글루탐산은 세포막에 있는 글루탐산 유사 수용체(GLR, glutamate-like receptor)와 결합하고, 그 결과 칼슘 이온 통로(ion channel)가 열리면서 칼슘 이온이 세포 내로 쏟아지게 된다. 이후 칼슘 이온의 분포에 따라 만들어지는 전기적 신호 때문에 칼슘 이온은 세포 간 채널을 통해 먼 곳까지 전달될 수 있게 된다. 글루탐산은 이 장거리 칼슘 신호의 시작을 담당한다.

 

이러한 글루탐산의 역할 역시 길로이와 마사츠구의 연구를 통해 확인되었다. 아무런 조작을 가하지 않은 애기장대에서는 애벌레가 잎을 먹거나 잎을 가위로 자른 뒤 글루탐산을 묻히면 칼슘 신호가 퍼져나갔지만, 글루탐산 유사 수용체를 발현시키는 유전자를 없앤 애기장대에서는 칼슘 신호가 매우 약하게 나타났다.

동영상 2. 글루탐산을 묻히자 퍼져나가는 칼슘 이온 신호. (출처: UW-Madison Campus Connection)

 

동물과 닮은 식물의 세포 간 의사소통

 

식물이 가진 세포 수준의 방어 기제는 이번 연구를 통해 발견되었지만, 그 기제 자체는 생물학자들에게 매우 낯익은 것이다. 포유동물의 신경계에서 유사한 신호 전달 과정이 발견된 바 있으며 글루탐산은 신경세포 간 신호 전달을 매개하는 신경전달물질(neurotransmitter)로서 이미 잘 알려져 있다. 동물의 신경세포에서도 글루탐산은 수용체와 결합해 이온 통로를 활성화시키고 신경세포 간에 화학적 신호가 전달될 수 있게 한다.

 

동물의 신경계와 식물의 방어 기제의 신호 전달 체계가 닮아있다는 사실은 동물과 식물이 공통의 조상으로부터 파생되었음을 시사한다. 동물과 식물은 모두 진핵생물(eukaryote, 세포 내에 막으로 둘러싸인 핵을 가진 생물)이면서 다세포 생물이다. 공통 조상으로부터 갈라져 나온 이후 오랜 기간 동안 서로 다른 환경에 적응해온 탓에 겉모습도 자극에 반응하는 방식도 다르지만 기본적인 세포 활동은 매우 유사하다.

 

길로이와 마사츠구의 연구 결과는 식물이 외부로부터의 위협에 능동적으로 반응하며, 그 과정이 세포 간의 의사소통을 통해 이루어짐을 보여준다. 식물은 겉으로 보기에는 아무런 움직임이 없지만 그 내부에서 일어나는 세포 간의 화학적 신호 전달은 빠르고 지속적이고 또 역동적이다. 이러한 식물의 방어 기제가 동물의 신경계와 닮아있다는 점도 이 연구가 주는 또 다른 메시지이다. 식물의 생리에 대해 아직 모르는 것이 많은 현시점에서 식물과 동물의 세포 기제가 진화적으로 연속되어있다는 관점은 남은 연구 문제들을 해결하는 데 도움이 될 것이다.

 

글: 이보윤 서울대학교 과학사 및 과학철학 협동과정/일러스트: 유진성 작가

 

 

 

 

 

식물의 숨겨진 언어 공개: 식물이 공중 경보를 수신하고 응답하는 방법

인간의 눈으로 감지할 수 없는 영역에서 식물은 의사소통과 자기 방어를 위해 이 천상의 언어를 사용하면서 공기 중의 화합물의 섬세한 안개에 자신을 가두었다. 향기와 비교하여, 이 화합물은 배고픈 초식 동물을 쫓아내고 주변 식물에게 임박한 위협을 경고하는 역할을 한다. 과학자들은 1980년대부터 이러한 식물 방어 메커니즘을 인식해 왔지만, 식물이 이러한 공중 경보를 수신하고 대응하는 과정은 우리의 이해를 할 수 없었다.

이러한 지식 격차를 해결하기 위해 사이타마 대학의 분자생물학자 유리 아라타니(Yuri Aratani)와 우에무라 타쿠야(Takuya Uemura)가 이끄는 일본 연구진은 실시간 이미징 기술을 활용하여 식물 의사소통의 신비를 풀었다. 연구자들은 부상당하거나 곤충에 감염된 식물에서 방출된 화합물을 손상되지 않은 식물에 전달하는 실험을 수행하고 형광 현미경을 사용하여 반응을 관찰했다.

토마토 식물의 잎과 일반적인 겨자과의 잡초인 Arabidopsis thaliana는 애벌레 공격(Spodoptera litura)에 노출되었다. 칼슘 이온의 유입을 감지하면 녹색 형광을 발하는 바이오센서로 이들 식물을 유전자 변형한 연구자들은 위험 신호에 대한 온전한 애기장대 식물의 반응을 모니터링했다.

이 연구에서는 상처 입은 식물에서 방출된 휘발성 화합물이 애기장대에서 칼슘 신호를 유도한다는 사실이 밝혀졌다. 두 가지 특정 화합물인 Z-3-HAL과 E-2-HAL이 이 반응의 주요 원인으로 확인되었다. 연구진은 또한 식물 표면에 기공을 형성하는 공변 세포가 반응을 시작하는 데 중요한 역할을 한다는 사실을 확인했다. 식물의 '콧구멍'과 유사한 기공은 문지기 역할을 하며 공기 중의 화합물에 반응하고 결과적으로 잎의 내부 조직인 엽육 세포에서 칼슘 신호를 촉발한다.

연구진은 보호세포, 엽육세포 또는 표피 세포에만 형광 센서를 설계함으로써 위험 신호에 먼저 반응하는 정확한 세포를 찾아냈다. 보호 세포가 칼슘 신호를 생성하고 엽육 세포가 뒤따르는 조직화된 반응 순서를 통해 식물이 공기 중 경고에 어떻게 반응하는지에 대한 자세한 이해를 제공했다.

본질적으로 수석 저자 마사츠구 토요타(Masatsugu Toyota)가 주도한 이 획기적인 연구는 식물이 고통받는 이웃으로부터 공기를 통해 전달되는 미묘한 '경고 메시지'를 언제, 어디서, 어떻게 해독하고 반응하는지에 대한 복잡한 이야기를 공개했다.

작성자: Impact Lab

출처: [식물의 숨겨진 언어 공개: 식물이 공중 경보를 수신하고 응답하는 방법]본질적으로 수석 저자 마사츠구 토요타(Masatsugu Toyota)가 주도한 이 획기적인 연구는 식물이 고통받는 이웃으로부터 공기를 통해 전달되는 미묘한 '경고 메시지'를 언제, 어디서, 어떻게 해독하고 반응하는지에 대한 복잡한 이야기를 공개했다.-ainet - https://www.ainet.link/13281

[식물의 숨겨진 언어 공개: 식물이 공중 경보를 수신하고 응답하는 방법]본질적으로 수석 저자

 

 

식물의 뇌

"식물에도 작은 뇌가 있다"식물 주변 상황 판단에 따라 파종 여부 결정

1983년 전이성 유전인자를 발견해 노벨 생리의학상을 수상한 유전학자 바버라 머클린턱(Barbara McClintock)은 식물이 지능이 있다고 생각했던 것 같다. ‘생각하는 식물 세포들’이라는 말을 해 세계적인 주목을 받은 바 있다.

그러나 회의론자들은 식물의 지능을 입증하지 못하면서 식물이 지능이 있다고 주장하는 과학자들에 대해 강한 반대의사를 표명하고 있다. 식물 지능 논쟁이 수그러들지 않는 가운데 식물에 작은 뇌가 있다는 연구결과가 나와 큰 주목을 받고 있다.

8일 ‘라이브 사이언스’에 따르면 영국 버밍엄 대학 연구팀은 국제학술지 ‘생태학 저널’을 통해 “식물에게 매우 작은 뇌가 있어 스스로 자신의 씨앗을 파종해야 할지, 아니면 휴면 상태에 들어가야 할지 판단하고 있다”는 내용의 논문을 발표했다.

 

“사람 뇌처럼 정보처리 능력 지니고 있어”    

논문의 공동집필자인 식물생물학자 조지 바셀(George Bassel) 교수는 “이 뇌가 씨앗에 있는 배아 끝단에 위치하고 있으며, 서로 다른 두 종류의 호르몬을 분출하고 있는데, 어떤 호르몬을 분출하느냐에 따라 씨앗 파종이 결정된다”고 설명했다.

파종을 최종 결정하는 것은 씨앗 속에 있는 세포들이다. 매우 작은 수의 세포들이지만 이들의 판단에 따라 파종이 결정된다. 이는 사람 뇌처럼 회백질로 구성돼 있지는 않지만 사람 뇌처럼 정보를 처리할 수 있는 능력을 지니고 있다는 것을 말해주는 것이다.

과학계는 이번에 발견한 씨앗의 속성을 이용해 불규칙한 기후변화에도 불구하고 동시에 파종이 가능한 씨앗을 만들 수 있을 것으로 보고 있다. 이 논문은 '생태학 저널' 외에  미 국립과학원 회보( the journal Proceedings of the National Academy of Sciences)에도 게재됐다.

식물이 느끼고(feel), 들으며(hear), 본다(see)는 주장이 제기된 것은 한 두 번이 아니다. 과학자들은 식물이 주변에서 발생하고 있는 소리의 진동 수를 감지하고 있으며, 가까이 함께 자라고 있는 식물이 있을 때 경쟁적으로 성장한다는 논문을 발표한 바 있다.

2007년 ‘생태학 저널’에서는 식물 주변에 위험이 닥쳐왔을 때 서로 신호를 주고받는다는 논문이 게재된 바 있다. 바셀 교수는 “이처럼 주변 상황을 인식할 수 있는 식물의 능력이 씨앗 파종기에 매우 중요한 요소로 작용하고 있다”고 말했다.

“혹시 동물에게 먹히거나 혹은 거센 바람을 타고 먼 곳으로 날아갈 수 있는 지, 혹은 위험을 감지한 후 일정기간 휴면상태에 들어가든지 자신의 행동 여부를 판단하고 있다”며, “이는 이는 씨앗은 물론 식물 생존의 중요한 키가 된다”고 말했다.

바셀 교수 연구팀은 이번 실험 대상에 애기장대를 투입했다.  애기장대는 유전체 염기서열이 완전하게 밝혀진 최초의 식물이다. 유전적 연구, 식물 발달 및 생리학 연구에 주로 사용되는데 배추과의 모델 식물로, 작고 하얀 꽃을 피운다.

동물도 단세포에서 진화… 식물의 지능 강조    

애기장대 성장과정에서 연구팀이 주목한 것은 파종 시 씨앗 내에서 분출되는 호르몬이다. 두 종류의 호르몬이 배출되는데 하나는 지베렐린(gibberellin, GA)이고, 다른 하나는 아브시스 산(abscisic acid, ABA)이다.

지베렐린은 고등생물의 생장조절제로 알려져 있다. 지베렐린이 생장을 촉진하지만 아브시스 산은 생장을 억제해 휴면과정에 이르게 한다. 이번 연구에서 새로 밝혀낸 사실은 씨앗 배아 끝단에서 이 두 종류의 호르몬이 대량 분출된다는 것이다.

연구팀은 씨앗은 3000~4000개 정도의 세포로 구성되는데 이 중 25~40개의 세포가 이 호르몬 생산과 분출을 결정하는 핵심적 역할을 하고 있다고 말했다. 한 쪽의 세포들이 GA를 생산해 분출하면 파종을 하라는 신호다.

반면 다른 한 쪽의 세포들이 ABA를 생산해 분출하면 파종을 중단하고 휴면상태에 들어가라는 지시다. 바셀 교수는 “이 두 가지 유형의 신호를 통해 줄다리기가 이어지고 있는데, 이는 보행 신호등에서 파랗고 빨간불이 켜지는 것과 유사하다”고 말했다.

연구팀은 또 이들 호르몬의 기능을 확인하기 위해 호르몬의 배출 시기와 분출 양을 조절했다. 그러자 씨앗 파종을 조절할 수 있었다. 바젤 교수는 “이들 홀몬이 뇌 속에서 근육을 통제하고 있는 운동피질(motor cortex)처럼 씨앗 움직임을 통제하고 있다”고 말했다.

서로 다른 호르몬을 분출하고 있는 세포들 간에 강한 차단 벽이 있어 반대편으로부터 들려오는 소음 등의 영향을 받지 않고 있는 점 역시 흥미로운 부분이다. 이는 씨앗 내에 디지털과 같은 이진법 기능이 들어있음을 말해주고 있다.

연구팀은 그러나 기온이 급격히 변동했을 때 파종에 어떤 영향을 미치는지에 대해서는 아직 정확한 연구 결과를 밝혀내지 못했다고 말했다. 그동안 과학자들은 기온 변화가 씨앗 움직임에 큰 영향을 미치고 있다고 믿어왔다.

그러나 어떤 식으로 영향을 미치고 있는지는 아직 밝혀내지 못하고 있었다. 씨앗 스스로 자신이 뿌리를 내려야 할 토양 온도를 감지해 파종을 단행한다는 주장이 있지만 연구를 통해 명확히 증명된 것은 아니다.

기온이 오르락내리락 하는 상황에서 씨앗이 파종을 단행한다는 주장도 있다. 그러나 이 역시 확인된 것은 아니다. 그러나 씨앗 스스로 판단을 내리는 것은 분명해 식물의 지능이 있다는 주장에 힘을 실어주고 있다.

그러나 식물의 판단 구조가 동물의 판단 구조와 그 외형과 내용이 매우 달라 식물이 사람 뇌처럼 판단을 내리고 있다는 주장에는 많은 반론이 제기될 것으로 보인다. 식물 지능을 반대하는 진영에서는 동물과 식물 지능을 비교하는 것 자체를 거부하고 있다.

바셀 교수는 그러나 “16억 년 전 살았던 동물들은 조류같은 단세포 생물이었다”며, “유사한 지능 구조를 갖고 있는 동물과 식물을 지나치게 차별하는 것은 생물 연구 전반에 부정적인 영향을 미칠 수 있다”고 말했다.

https://www.sciencetimes.co.kr/nscvrg/view/menu/248?searchCategory=220&nscvrgSn=165112

사이언스타임즈/사용자메뉴/과학기술/기초·응용과학

 

Electrical experiments with plants that count and communicate | Greg Gage

https://www.youtube.com/watch?v=pvBlSFVmoaw

 

 

 

긱블에서 한 실험

 

https://www.youtube.com/watch?v=cGoT9NGtHE0