식물이 중력에 예민한 이유

[요약] 식물은 어떤 상황에서도 하늘을 향해 똑바로 자란다. 중력을 감지하기 때문으로 알려져 있는데 프랑스 국립과학연구원 연구진은 식물이 이토록 중력에 예민한 이유를 밝혔다. 식물 세포 내 전분 입자가 독립적으로 요동치며 마치 액체처럼 흐르며 성장의 기준점을 제공하는 것으로 분석됐다. (2018. 05)

식물은 최소 경사각을 감지할 수 있을 정도로 중력에 민감하다. 중력을 감지하는 메커니즘은 미세 입자에 의존한다. 이론적으로 미세입자에 의존하는 식물의 시스템으로 경사각을 정밀하게 감지하기는 거의 불가능하다. 그런데 프랑스국립과학연구원(CNRS)과 클레르몽 오베르뉴대학 연구진은 이 미스테리한 역설을 설명하는 데 성공했다.

연구진은 식물 세포 내에서 미세 입자들이 지속적으로 요동친다는 사실을 관찰하는 데 성공했다. 이는 액체에 녹아들어간 입자와 유사하게 집합적으로 조화롭게 행동할 수 있도록 해준다. 이번 연구결과는 국립과학원회보(PNAS)에 발표됐다.

자라고 있는 식물을 구부리면 식물은 자라는 방향이 하늘을 향하도록 다시 방향을 바꾸게 된다. 식물은 어떻게 자신의 자라는 방향의 경사각을 감지하는 걸까. 굴지 반응과 관련된 전분 입자로 불리는 녹말의 미세한 입자로 채워진 경사 감지 세포를 활용하는 것으로 분석됐다. 이 입자들은 식물 조직이나 기관에서 아래쪽에 위치하기 때문에 성장 호르몬의 분배를 조절하고 성장의 기준점을 제공해 식물이 똑바로 자랄 수 있도록 해준다.

경사 감지 세포의 미세한 입자들의 경우 일반적으로 마찰이나 입자 사이 간격이 고정되면서 입자의 흐름을 제한할 것으로 여겨졌다. 이는 미세 입자로 이뤄진 시스템을 비효율적으로 만든다. 경사각을 감지할 정도로 정밀한 시스템 구현이 어려운 것이다. 그러나 식물의 (굴지 반응과 관련된) 전분 입자는 놀라울 정도로 정밀하다.

연구진은 먼저 식물을 구부리는 데 대한 반응으로 전분 입자들이 어떻게 움직이는지 직접 분자 수준에서관찰했다. 그 결과 이들은 일반적인 미세 입자 시스템과는 다르게 움직였다. 전분 입자들은 식물 세포들이 어떻게 지면과 각을 이루든 간에 움직이고 흘렀다. 전분 입자가 쌓이는 곳의 표면은 마치 액체와 같이 항상 수평면을 유지했다. 마치 물이 든 컵을 기울이면 물의 수면이 컵의 기울기를 따라 기울어지는 게 아니라 처음의 수평면을 유지하는 것처럼 말이다.

식물 세포들이 어떻게 이처럼 전분 입자를 액체와 같이 일정하게 수평면을 유지하며 흐를 수 있도록 할 수 있을까. 이를 알아내기 위해 연구진은 실제와 비슷한 크기의 인공 세포에 아주 작은 플라스틱 조각을 넣어 식물의 전분 세포 성장 모델을 만들어 연구를 계속했다. 그 결과 실제 식물의 전분 입자로 만들어진 정밀한 시스템과 인공적으로 만든 전분 세포 성장 모델 시스템의 집단적인 유동성은 각 전분 입자들의 독립적인 움직임을 통해 만들어진다는 결론을 내리는 데 성공했다. 전분 세포는 분자 수준에서 마치 ‘모터’를 만들어 끊임없이 미세 입자를 약동시킨다는 설명이다.

결과적으로 미세 입자들은 서로 엉키지 않으며 충분히 긴 시간 동안 액체와 비슷한 특성을 보일 때까지 배열되는 것이다. 세포와 입자들의 이같은 행동은 식물에는 필수적이다. 아무리 구부려도 똑바로 자랄 수 있도록 해주고 바람의 영향으로 흔들려도 성장하는 데 방해가 되지 않는다는 것을 의미하기 때문이다.

연구진의 발견은 식물이 중력에 민감한 이유를 설명하는 데 도움을 준다. 굴지 반응에 영향을 주는 전분 입자의 움직임을 부분적으로 설명한다. 식물이 어떻게 전분 입자의 위치를 감지하고 이같은 시스템을 만들어내는지에 대한 추가 연구가 여전히 필요하다. 하지만 이번 발견은 응용 산업 분야에서 자이로스코프나 가속도계 등 정밀함을 요구하는 시스템의 대안에 대한 실마리를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.