식물은 세포 사이의 틈을 이용하여 빛을 찾습니다 | 콴타 매거진

테라코타 화분이 늘어선 선반 위에는 허브가 가장 가까운 창을 향해 줄기를 구부리고 있습니다. 황금빛 야생화 들판에서는 나뭇잎이 태양의 길을 따라 회전합니다. 얼룩덜룩한 숲에서는 덩굴이 나무들을 엮어 어둠을 피해 위쪽으로 뻗어나갑니다.

고대부터 식물의 눈 없는 몸이 가장 가깝고 밝은 광원을 향하도록 하는 능력(오늘날 굴광성이라고 함)은 학자들을 매료시켰고 수많은 과학적, 철학적 논쟁을 불러일으켰습니다. 그리고 지난 150년 동안 식물학자들은 식물이 빛을 감지하고 그 정보에 따라 행동하는 방식을 뒷받침하는 많은 주요 분자 경로를 성공적으로 밝혀냈습니다.

그러나 결정적인 미스터리가 남아 있었습니다. 동물은 렌즈와 광수용체로 구성된 복잡한 기관인 눈을 사용하여 빛의 방향을 포함하여 주변 세계에 대한 자세한 그림을 얻습니다. 생물학자들은 식물이 조명을 측정하기 위한 강력한 분자 도구 모음을 보유하고 있음을 확립했습니다. 그러나 렌즈와 같은 명백한 물리적 감지 기관이 없는 상황에서 식물은 빛이 나오는 정확한 방향을 어떻게 파악합니까?

이제 유럽 연구팀이 답을 찾았습니다. 최근 논문에서는 에 게시 과학, 그들은 길가에 잡초가 있다고 보고합니다. Arabidopsis식물 유전학자들이 가장 좋아하는 식물인 는 세포 사이의 공기 공간을 사용하여 빛을 산란시키고 조직을 통과하는 빛의 경로를 수정합니다. 이러한 방식으로 공기 채널은 묘목이 빛이 어디에서 오는지 정확하게 판단하는 데 도움이 되는 빛의 변화도를 생성합니다.

빛을 산란시키기 위해 공기 채널을 이용함으로써 식물은 눈과 같은 개별 기관의 필요성을 피하고 더 깔끔한 트릭, 즉 사실상 몸 전체를 "볼" 수 있는 능력을 선호합니다.

뿌리깊은 논쟁

식물이 빛을 향해 방향을 잡는 이유와 방법은 다음과 같습니다. 치열한 논쟁의 주제 2,000년이 훨씬 넘는 시간 동안. 초기 그리스 철학자들은 식물도 동물과 마찬가지로 감각과 운동, 심지어 욕망과 지능까지 가질 수 있다고 주장했습니다. 그러나 아리스토텔레스와 같은 후기 사상가들은 식물은 선천적으로 수동적이어서 환경을 감지할 수 없고 환경에 따라 움직이는 능력도 없다고 주장했습니다. 그는 “식물은 감각도 욕망도 없다”고 썼다. 식물에. “우리는 이러한 견해를 불건전하다고 거부해야 합니다.” 수세기 동안 학자들은 그의 의견에 동의하는 경향이 있었습니다.

연금술사이자 자연철학자인 토머스 브라운(Thomas Browne)은 1658년이 되어서야 지하실의 화분에서 자라는 겨자 묘목이 지속적으로 열린 창문 쪽으로 성장한다는 사실을 기록함으로써 굴광성을 사실로 확립했습니다. 그러나 그 후 XNUMX년 이상 동안 생물학자들은 식물이 어떻게 반응하는지, 그리고 식물이 태양빛이나 열에 반응하는지에 대해 계속해서 논쟁을 벌였습니다.

1880년에 찰스 다윈(Charles Darwin)과 그의 아들 프란시스(Francis)는 궁극적으로 입증된 광전자성 메커니즘을 기술하기 위한 실험을 이끌었습니다. 에 설명된 대로 식물의 움직임의 힘, 두 사람은 아직 광합성을 수행할 수 없고 대신 씨앗에 저장된 에너지에 의존하는 식물인 묘목을 어두운 방에서 재배했습니다. 특정 방향에서 푸른빛이 비추면 식물들이 그 쪽으로 다가온다. 그런 다음 다윈 부부는 빛을 방 주위로 옮기면서 묘목의 상응하는 움직임을 추적했습니다.

실험을 바탕으로 다윈 부부는 묘목이 싹 끝 부분에서 빛에 가장 민감하며, 그곳에서 감지한 것이 식물의 성장 방향에 영향을 미치는 물질의 생성으로 이어진다고 제안했습니다. 1920년대에 식물학자들은 그 모델을 자세히 설명하는 편안한 합의에 이르렀습니다. 즉, 식물의 끝에는 빛 센서가 있고, 그늘진 쪽에서 더 많은 성장을 촉진하여 줄기와 잎이 자라도록 하는 호르몬(나중에 옥신으로 확인됨)을 생성한다는 것입니다. 빛을 향해 몸을 굽히는 것.

많은 위대한 발견과 마찬가지로 이 발견 역시 새로운 질문을 불러일으켰습니다. 애초에 식물이 정확히 어떻게 빛을 감지할 수 있었을까요? 그들에게는 뚜렷한 감각 기관이 없었습니다. 연구자들은 식물이 정교한 감각 능력을 가지고 있음에 틀림없다고 의심하기 시작했습니다.

분자생물학자들은 식물이 동물의 눈으로 할 수 있는 것보다 훨씬 더 넓은 범위의 빛을 측정하고 반응할 수 있음을 보여 주면서 책임을 맡았습니다. 비록 식물에는 특별한 지각 기관이 부족하지만 말입니다. 5가지 서로 다른 광수용체 계열과 호르몬 및 신호 경로가 함께 작용하여 식물이 새로운 조직을 만드는 방향을 세포 수준까지 지시합니다. 이는 줄기가 필요에 따라 어떻게 비틀고, 돌리고, 위로 솟아오르는지 설명합니다. 이러한 광수용체는 식물체 전체에 퍼져 있지만 대부분 줄기의 내부 조직에 집중되어 있다고 합니다. 크리스티안 판카우저, 스위스 로잔 대학의 식물 생물학자이자 새로운 연구의 저자입니다.

그러나 단순한 센서만으로는 식물이 빛의 방향을 결정할 수 있는 능력을 부여하기에는 충분하지 않습니다. 강한 조명의 방향을 가장 잘 찾아내려면 식물이 가장 강렬한 빛을 향해 성장할 수 있도록 서로 다른 광수용체 간의 신호를 비교할 수 있어야 합니다. 그리고 이를 위해서는 가장 밝은 것에서 가장 어두운 것까지 그라데이션으로 센서에 떨어지는 들어오는 빛이 필요합니다.

동물들은 눈의 발달을 통해 이 문제를 해결했습니다. 플라나리아 벌레와 같은 단순한 유기체는 단지 빛의 존재 여부를 감지하는 "안점"을 가지고 살아갑니다. 우리 눈과 같이 더 복잡한 동물의 눈에는 수정체와 같은 해부학적 특징이 있습니다. 망막을 향한 직접적인 빛, 포토 센서로 가득 차 있습니다. 그런 다음 뇌는 곡면 렌즈를 통해 도달하는 빛의 양을 개별 세포에 등록된 양과 비교합니다. 빛의 물리적 조작과 분자 센서를 결합한 이 시스템을 사용하면 밝기와 그림자의 세밀한 변화도를 감지하고 그 해상도를 시각이라고 부르는 그림으로 표현할 수 있습니다.

그러나 식물에는 뇌가 없기 때문에 동일한 결론에 도달하려면 수동 시스템이 필요합니다. 이것이 바로 물리적 구배를 형성하는 식물의 능력이 중요한 이유입니다. 식물이 적극적으로 비교할 필요 없이 세포 사이에 고유한 구별을 만듭니다.

따라서 식물학자들은 난제에 직면하게 되었습니다. 굴광성은 일부 사람들이 의심하는 것처럼 전적으로 분자 과정이었습니까? 아니면 식물이 광선을 변경하여 경사도를 만들고 반응을 더 잘 유도할 수 있었습니까? 후자가 사실이라면 식물은 빛을 집중시킬 수 있는 물리적 구조를 가지고 있어야 합니다.

그 구조는 마침내 빛을 찾기 위해 애쓰는 길가 잡초의 돌연변이 버전에서 확인될 것입니다.

눈먼 돌연변이

Thale cress — 과학에 다음과 같이 알려져 있습니다. Arabidopsis thaliana — 특별히 매력적인 식물은 아닙니다. 25cm 높이의 잡초는 방해받은 땅, 들판 가장자리, 도로 갓길을 좋아합니다. 아프리카와 유라시아가 원산지이며 현재 남극 대륙을 제외한 모든 대륙에서 발견됩니다. 이후 식물 생물학자들은 이를 과학적인 생활 방식에 맞게 조정했습니다. 짧은 수명 주기, 작은 게놈(2000년에 완전히 매핑됨) 및 실험실에서 유용한 돌연변이를 생성하는 경향은 모두 식물 성장과 유전학을 이해하는 데 탁월한 모델 유기체가 됩니다.

Fankhauser는 다음과 함께 일했습니다. Arabidopsis 1995년부터 빛이 식물 성장에 어떻게 영향을 미치는지 연구하기 시작했습니다. 2016년에 그의 연구실에서는 빛에 특이한 반응을 보이는 돌연변이 식물을 찾기 위해 묘목의 유전자를 검사했습니다. 그들은 묘목이 옆으로 향하도록 하기 위해 푸른 빛이 있는 어두운 방에서 씨앗을 키웠습니다. 거기서부터 실험은 150년 전 다윈 부부가 했던 것처럼 거의 진행되었습니다. 연구자들이 빛의 방향을 바꾸자 식물도 그 방향으로 방향을 바꾸었습니다.

그러나 한 돌연변이 식물이 어려움을 겪었습니다. 중력을 감지하는 데에는 문제가 없었지만 빛을 추적할 수는 없는 것 같았습니다. 대신 그것은 마치 눈이 멀고 어둠 속에서 주변을 느끼는 것처럼 모든 방향으로 구부러졌습니다.

빛을 감지하는 돌연변이의 능력에 뭔가 문제가 있었던 것 같습니다. Fankhauser 연구실의 박사후 연구원이자 새로운 논문의 공동 저자인 식물 생물학자 Martina Legris에 따르면 팀이 식물을 조사했을 때 전형적인 광수용체가 있다는 것을 발견했습니다. 그러나 연구팀이 현미경으로 줄기를 관찰했을 때 이상한 점을 발견했습니다.

야생 Arabidopsis대부분의 식물과 마찬가지로 세포 사이에 공기 채널이 있습니다. 이러한 구조는 밀봉된 세포 구획 주위에 짜여진 환기 샤프트와 같으며 광합성과 산소 공급 세포 모두에서 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 돌연변이 식물의 공기 통로는 물로 가득 차 있었습니다. 연구팀은 유전자의 돌연변이를 추적했습니다. ABCG5이는 식물의 공기 통로가 방수되도록 보장하기 위해 세포벽을 방수 처리하는 데 도움이 될 수 있는 단백질을 생성합니다.

호기심이 생긴 연구자들은 실험을 시도했습니다. 그들은 돌연변이가 아닌 식물의 세포간 공기 통로를 물로 채워 이것이 식물의 성장에 영향을 미치는지 확인했습니다. 돌연변이와 마찬가지로 이 식물도 빛이 어디서 오는지 파악하는 데 어려움을 겪었습니다. "우리는 이 식물들이 유전적으로 정상이라는 것을 알 수 있습니다"라고 Legris는 말했습니다. "그들이 놓치고 있는 유일한 것은 이러한 공기 채널뿐입니다."

연구자들은 굴절 현상, 즉 빛이 다른 매체를 통과할 때 방향을 바꾸는 경향에 기반한 메커니즘을 통해 식물이 빛에 방향을 잡는다고 추론했습니다. Legris는 굴절 때문에 빛이 법선을 통과한다고 설명했습니다. Arabidopsis 줄기 표면 아래로 흩어집니다. 대부분이 물로 구성된 식물 세포를 통과한 다음 공기 통로를 통과할 때마다 방향이 바뀝니다. 빛의 일부가 이 과정에서 방향이 바뀌기 때문에 공기 채널은 서로 다른 세포에 걸쳐 가파른 빛 구배를 설정하며, 식물은 이를 사용하여 빛의 방향을 평가하고 그 방향으로 성장할 수 있습니다.

대조적으로, 이러한 공기 채널이 물로 채워지면 빛의 산란이 줄어듭니다. 식물 세포는 물이 담긴 채널과 유사한 방식으로 빛을 굴절시킵니다. 둘 다 물을 함유하고 있기 때문입니다. 빛은 산란하는 대신 세포와 침수된 채널을 거의 직선으로 통과하여 조직 내 더 깊은 곳으로 이동하여 빛의 기울기를 감소시키고 묘목의 빛 강도 차이를 박탈합니다.

빛을 보아라.

연구에 따르면 이러한 공기 채널은 어린 식물이 빛을 추적하는 데 중요한 역할을 합니다. 로저 행가터새로운 연구에 참여하지 않은 인디애나 대학교 블루밍턴의 식물 생물학자는 오랜 문제에 대한 영리한 해결책을 찾은 것에 대해 환영했습니다. Fankhauser, Legris 및 그들의 동료들은 "이 공기 공간의 중요성에 대해 관에 못을 박았습니다"라고 그는 말했습니다.

이 아이디어는 이전에도 나왔다고 Hangarter는 지적했습니다. 1984년 요크 대학교 연구팀은 다음과 같은 제안을 했습니다. 식물 세포 사이의 공기 통로 필요한 조명 그라데이션을 설정하는 데 도움이 될 수 있습니다. 그러나 팀은 비용이 많이 드는 실험을 수행할 자금이 없었기 때문에 그들의 제안은 테스트되지 않았습니다.

Hangarter는 “이 작고 아주 작은 – 거의 투명한 – [배아 식물]이 어떻게 경사도를 감지할 수 있는지는 항상 당혹스러웠습니다.”라고 말했습니다. “우리는 관련된 분자를 찾는데 정신이 팔렸기 때문에 영공에 관한 것에 큰 신뢰를 두지 않았습니다. 특정 연구 경로에 진입하면 눈이 멀게 됩니다.”

공기 채널 메커니즘은 식물이 빛이 통과하는 방식을 제어하기 위해 진화한 다른 독창적인 장치와 결합됩니다. 예를 들어, Hangarter의 연구는 엽록체(광합성을 수행하는 세포 소기관)가 잎 세포 안에서 활발하게 춤을 춘다 빛을 이리저리 움직이게 합니다. 엽록체는 약한 빛을 흡수하기 위해 세포 중앙에 탐욕스럽게 모여들거나 더 강한 빛이 식물 조직에 더 깊이 들어갈 수 있도록 가장자리로 도망갈 수 있습니다.

현재 공기 채널에 대한 새로운 발견은 묘목에만 적용됩니다. 이러한 공기 채널은 성체 잎에도 나타나 빛의 산란과 분포에 역할을 하는 것으로 나타났지만, 굴광성에서 역할을 하는지는 아직 테스트한 사람이 없다고 Legris는 말했습니다.

항공 채널이 이 역할을 얼마나 오랫동안 수행해왔는지는 불분명합니다. 400억년 전의 원시 육상 식물 화석에는 뿌리도 잎도 보이지 않습니다. 그러나 식물의 핵심 조직은 꽤 큰 세포 간 공기 공간. 아마도 그들은 조직 통기나 가스 교환을 위해 처음에 생겨났고 그 후 굴광성에서의 역할에 적응했다고 Fankhauser는 말했습니다. 아니면 식물이 부분적으로 빛을 감지하는 데 도움이 되도록 줄기의 공기 공간을 진화시킨 다음 다른 기능을 수행하도록 선택했을 수도 있습니다.

Fankhauser는 “이러한 구조, 즉 구조가 어떻게 만들어졌는지, 그 뒤에 숨은 메커니즘은 무엇인지를 더 이해하는 것은 식물이 빛의 방향을 어떻게 감지하는지에 대한 질문을 넘어서 식물 생물학자들에게 흥미로울 것입니다.”라고 말했습니다.

또한 식물에 대한 사람들의 인식에 여전히 남아 있는 아리스토텔레스의 유령을 쫓아내는 데 도움이 될 수도 있다고 그는 말했습니다. “많은 사람들은 식물이 매우 수동적인 유기체라고 생각합니다. 그들은 아무것도 예측할 수 없습니다. 그들은 단지 그들에게 일어나는 일을 할 뿐입니다.”

그러나 그 아이디어는 눈이 어떤 모습이어야 하는지에 대한 우리의 기대에 기초하고 있습니다. 식물은 몸 전체를 보는 방식, 즉 세포 사이의 틈새를 엮어 보는 방식을 진화시켰습니다. 빛을 쫓는 데에는 눈 한 쌍만큼 서투른 것도 필요하지 않습니다.