저도 처음엔 식물이 그냥 거기 서 있는 존재라고 생각했습니다. 물 주고 햇빛 쬐어 주면 끝인 줄 알았는데, 정작 화분을 세 번 죽이고 나서야 제가 아무것도 모르고 있었다는 걸 깨달았습니다. 일반적으로 식물은 수동적이고 조용한 생명체라고 알려져 있지만, 실제로는 수십만 가지 화학물질로 주변과 끊임없이 소통하고, 천적을 구분해 서로 다른 무기를 꺼내 씁니다. 이 사실을 알고 나서 식물을 바라보는 눈이 완전히 달라졌습니다.
식물이 말을 한다고? 화학신호의 정체
솔직히 이건 예상 밖이었습니다. 식물이 소리를 내지 않는다는 건 알고 있었는데, 설마 화학물질이 언어 역할을 한다는 생각은 해본 적이 없었습니다. 일반적으로 식물은 자극에 반응하지 못하는 존재라고 알려져 있지만, 카이스트 식물 분자생물학 연구 결과에 따르면 식물은 화학물질을 통해 정교하고 분명한 의사소통을 합니다.
핵심은 자스몬산(Jasmonic acid)입니다. 자스몬산이란 곤충이 잎을 갉아먹기 시작하는 순간 식물 내부에서 만들어지는 방어 호르몬으로, 식물 전체에 '지금 공격받고 있다'는 경보를 전달하는 총괄 스위치 역할을 합니다. 쉽게 말해 식물 내부의 비상사이렌입니다. 흥미로운 건 이 자스몬산이 여러 단계로 작동한다는 점입니다. 단순히 스치고 지나간 자극에는 낮은 레벨로 반응하고, 곤충의 침까지 섞여 들어오면 더 높은 레벨이 켜집니다.
여기에 전기신호도 함께 쓰입니다. 식물이 공격을 받으면 관다발이라는 조직을 통해 전기 신호가 퍼지는데, 관다발이란 뿌리부터 꽃까지 연결된 식물의 수송 조직으로 동물로 치면 신경 다발에 해당합니다. 실제로 애벌레가 잎을 먹기 시작하면 1~2초 안에 해당 잎에서, 수분 안에 식물 전체에서 칼슘 이온 농도가 올라가며 방어 기작이 활성화된다는 사실이 형광 이미징 실험으로 확인됐습니다(출처: KAIST 생명과학과).
- 자스몬산: 곤충 공격 시 분비되는 방어 호르몬, 식물 전체에 경보 전달
- 살리실산(Salicylic acid): 병원균 침입 시 분비되는 호르몬, 아스피린의 원료 물질
- 관다발: 식물의 신호 전달 통로, 전기 신호와 화학 신호 모두 이동
천적을 구분하는 방어전략, 어디까지 정밀한가
제가 직접 화분을 키워봤을 때 느낀 건, 식물이 아무 말도 안 한다는 거였습니다. 그냥 어느 날 보면 잎이 노래져 있고, 어느 날 보면 죽어 있었습니다. 그때는 제가 관심이 없어서 그렇다고만 생각했는데, 사실 식물은 저한테는 말을 못 걸고 자기 천적에게는 아주 정밀하게 반응하고 있었던 겁니다.
카이스트 김상규 교수 연구팀이 집중적으로 연구하는 야생 담배(Nicotiana attenuata)는 만두카 섹스타, 파밤나방, 담배 줄기 바구미 애벌레라는 서로 다른 천적을 각각 구분해 대응합니다. 식물이 이 구분을 가능하게 하는 열쇠는 팩스(FAC, Fatty Acid-Amino acid Conjugate)입니다. 팩스란 곤충이 식물을 씹어 먹을 때 곤충의 장에서 만들어지는 지방산-아미노산 결합물질로, 각 곤충마다 고유한 팩스 조성을 가지고 있습니다. 식물은 이 팩스를 인식해 '지금 나를 먹는 게 누구인지'를 판단합니다.
예를 들어 줄기를 파고드는 바구미 애벌레가 공격할 때는 니코틴 대신 리그닌을 생성해 줄기를 목질화시킵니다. 리그닌이란 나무를 딱딱하게 만드는 고분자 물질로, 줄기를 단단하게 굳혀 애벌레가 이동하지 못하게 막는 전략입니다. 공격자가 달라지면 무기도 달라지는 것입니다. 제 경험상 이런 이야기를 들으면 '설마 그게 가능해?'라고 먼저 의심하게 되는데, 실제 자연에서 열 마리가 공격하면 아홉 마리가 방어에 실패한다는 데이터를 보고는 의심이 사라졌습니다.
식물도 기억한다, 프라이밍과 후성유전학
일반적으로 기억은 뇌가 있어야 가능하다고 알려져 있지만, 제 경험상 과학은 이런 상식을 자꾸 뒤집습니다. 식물도 과거에 공격받은 경험을 기억해 두고, 같은 천적이 다시 나타났을 때 첫 번째보다 빠르게 반응합니다. 이 현상을 프라이밍(Priming)이라고 하는데, 프라이밍이란 식물이 이전 자극을 후성유전학적 방식으로 기록해 두고 이후 동일한 위협에 더 신속하게 대응하는 메커니즘을 뜻합니다.
후성유전학(Epigenetics)이란 DNA 염기서열 자체는 바뀌지 않지만, DNA에 가해지는 화학적 변형이 유전자 발현 방식을 바꾸는 현상입니다. 쉽게 말해 악보는 그대로인데 연주 방식이 달라지는 것과 같습니다. 수백 년, 수천 년을 살아가는 나무가 계속해서 환경 변화에 적응할 수 있는 것도 이 메커니즘 덕분입니다. 또한 식물은 유전체 전체가 두 배, 네 배, 여덟 배로 복제되는 배수체화(Polyploidization) 현상이 동물보다 훨씬 자주 일어납니다. 딸기가 유전체를 여덟 세트나 갖고 있는 것이 대표적인 예입니다(출처: Nature Plant Biology).
이 부분을 읽고 가장 놀랐습니다. 뇌도 없고, 신경계도 동물과 다른데, 기억을 유전자 수준에서 저장한다는 게 말이 되나 싶었거든요. 그런데 생각해 보면 기억이란 결국 정보를 저장하고 꺼내 쓰는 기능인데, 방법이 꼭 뇌일 필요는 없다는 걸 이 연구들이 보여주고 있습니다.
- 프라이밍(Priming): 과거 공격 경험을 기록해 이후 동일 위협에 더 빠르게 반응하는 메커니즘
- 후성유전학(Epigenetics): DNA 서열 변화 없이 유전자 발현 방식을 바꾸는 현상, 식물의 환경 적응 핵심
- 배수체화(Polyploidization): 유전체 전체가 복제되어 물질 다양성을 폭발적으로 늘리는 식물 고유의 전략
화학 공장으로서의 식물, 그리고 우리가 몰랐던 것들
식물(Plant)이라는 단어가 '공장(Plant)'과 같다는 이야기가 꽤 인상적이었습니다. 단순한 언어 유희 같지만, 실제로 식물은 광합성으로 만든 포도당을 출발점 삼아 수십만 가지의 화학물질을 합성해 냅니다. 카페인, 니코틴, 캡사이신, 멘톨, 아스피린의 원료인 살리실산, 항암제 파클리탁셀까지 모두 식물이 먼저 만들어낸 물질들입니다. 인간 화학자들이 수십 년에 걸쳐 합성한 것들을 식물은 진화 과정에서 이미 개발해 두었습니다.
이 물질들을 2차 대사산물 또는 특수 대사물질(Specialized Metabolites)이라고 부릅니다. 특수 대사물질이란 생존에 필수적인 1차 대사산물과 달리, 외부 환경 변화나 공격에 대응하기 위해 식물이 추가적으로 합성하는 화학물질 군을 뜻합니다. 테르펜(Terpene)이라는 물질군이 그 핵심인데, 탄소 다섯 개짜리 기본 단위를 레고 블록처럼 조합해 열 개짜리(레몬 향), 서른 개짜리(인삼 진세노사이드), 마흔 개짜리(루테인 같은 색소)를 만들어냅니다. 2022년 기준 인류가 등록한 화학물질이 370억 개를 넘어섰는데, 그 상당수가 식물에서 영감을 받은 구조입니다.
저는 이 부분에서 한 가지 보충이 필요하다고 생각합니다. 방송에서는 식물이 마치 의식적으로 판단하고 전략을 짜는 것처럼 표현된 부분이 있는데, 이런 반응은 오랜 진화 과정에서 형성된 생리적 메커니즘입니다. 인간처럼 감정을 느끼거나 의도를 갖는 것은 아닙니다. 그 사실을 알면서도 식물의 정밀함에 놀라게 된다는 게 오히려 더 흥미롭습니다. 눈에 보이지 않아서 없는 게 아니라, 제가 볼 줄 몰랐던 것뿐이었습니다.
화분을 세 번 죽이고 나서야 식물을 제대로 보게 됐습니다. 물을 너무 많이 줘서, 혹은 너무 오랫동안 안 줘서 죽인 그 식물들이 사실 그 순간에도 뭔가를 감지하고 반응하고 있었을 거라는 생각이 듭니다. 식물은 말이 없는 게 아니라 제가 그 언어를 몰랐던 것입니다. 앞으로 화분 곁에 잠시 앉아서 이 식물이 지금 어떤 환경에 있는지를 먼저 살피는 것부터 시작해 보려 합니다. 식물처럼 생각해 보라는 조언이, 생각보다 꽤 실용적인 이야기였습니다.
참고: https://www.youtube.com/watch?v=eZKCzIw4Zdg&list=PLkKcqR2KGxgzqeKZo1Rx93kJFokuVkpye&index=19
"식물은 생각보다 무섭습니다." 우리가 몰랐던 식물의 치밀한 복수 방법 (feat. 김상규 교수) [취미는 과학/ 71화 확장판]