[수첩] "이런 상상? 동물은 중앙집권, 식물은 연방자치?"

'지구 생명의 기반인 광합성, 그리고 식물이 사는 방식'에 관해

 남홍길 교수와 2차 인터뷰 하다 (7월22일 낮, 포항공대 연구실에서)

            

[인터뷰 전날 보낸 메일]    

남 교수님. 저번 인터뷰는 너무 짧은 시간에 서둘러 하다 보니 여러 대목에서 자세한 말씀을 듣지 못했네요. 2차 인터뷰를 진행해보고 아무래도 부족하다 싶으면 한 번의 인터뷰를 더 추가해야 하지 않을까 합니다. 제가 인터뷰 기사의 주제를 아직 선명히 잡지 못해서요. 2차 인터뷰에서는 새롭게 드러나는 식물의 광합성에 관해서, 그리고 식물의 독특한 생명현상에 대해서, 또 식물 생물학 연구의 과제에 대해서 좀더 얘기를 나누었으면 좋겠습니다. 또한 교수님 연구실의 문화나 연구방향에 관해서도 말씀을 들었으면 하고요.   

Plagiomnium_affine_laminazellen » 엽록체들을 지닌 이끼의 세포들. 출처/ Wikimedia Commons
   

# 1. 지구에 광합성이 있다, 그래서 다양한 생명이 있다

   
(1)  광합성은 6CO2 +12H2O +빛 --> C6 H12O6 + 6H2O + 6O2의 화학식으로 정의됩니다. 즉, 광합성이란 빛에너지를 이용해 이산화탄소와 물을 재료로 삼아 새로운 화합물인 포도당을 만들어내는 반응이라고 볼 수 있겠지요. 이런 광합성은 식물은 물론 미생물과 조류(식물성 플랑크톤?)에서도 일어난다고 알고 있습니다. 그렇게 보면 생명현상을 만드는 이런 광합성이 지상 생명체에서 볼 때에 훨씬 더 보편적이라는 생각이 들기도 하는데요, 이런 생각이 타당성이 있다고 생각하시는지요?   

 

지구 전체에서 보면, 광합성이 굉장한 규모로 일어나는 것인데요, 그래서 어찌보면 광합성이라고 하는 게 특별한 게 아니고 도리어 더 일반적이고... 지구 차원에서 지구 규모에서 볼 때에 더 일반적이고, 외계인이 와서 봤을 때에 생명체가 운영되는 원리로 볼 때에 이게 훨씬 더 보편적이고 일반적이다 이렇게 보여지는 게 아닌지.  


보편적이라는 게 더 많다 이런 건지 모르지만. 아까 말씀하신대로 외계인이 있다면 지구에 와서 볼 때 기본적으로 이렇게 보일 것 같습니다. 전체적으로 지구가 녹색이고 식물류들이 대부분의 대사를 해나가고 있고 동물들이 거기에 의존해서 살아가는 그런 식의 시스템으로 볼 것 같습니다.    


지구 차원에서 보면, 그럴 만한 이유가 있을까요? 이렇게까지 넓게 지구에서 광합성 생명현상이...  


기본적으로 생명체 유지되려면 에너지와 매스(물질)가 있어야 하고요. ...지구 전체에 들어오는 에너지는 태양 에너지고요, 그것을 매스로 바꾸어야 하는데 그것을 CO2를 통해 매스를 만들어내어야 물질이 만들어질 수 있고 그래야 생명체가 유지될 수 있는 거고요.  

그러니까 기본적으로 이런 물질을 만들어내지 못한다면 생명체가 영속하지 못하고 그 물질을 만들어내는 1차적인 생물은 식물이고, 동물은 거기에 의존해서 살아가니까. 식물이 생산해내는 것만큼만 동물은 살아갈 수 있고. 지구의 생명체 자체가 그 안에서만 움직일 수밖에 없으니까 그래서 식물이 더 많을 수밖에 없습니다. 전체 에너지와 물질의 밸런스로 볼 때에. 사람도 영위하는 게 식물이 만들어낸 물질과 에너지를 먹고 우리가 필요한 것을 재조합해서 성장해가는 것이거든요. 포괄적으로 봤을 때에... 그렇다고 생각합니다.


00photosynthesis » 지구 생명의 기본 화학반응식.


광합성이라는 게 이산화탄소 하고 물 분자를 재료로 삼아서 빛, 광을 이용해서 화학반응을 일으키고 그래서 새로운 화합물을 만들어내는 것이죠. (위의 반응식을 보며) C6H12O6, 이게 포도당입니까? 그러면 지구에서 일어나는 큰 1차 생산자의 생명활동이라고 하는 것은 이산화탄소와 물, 빛을 가지고서 포도당을 만드는 것. 그렇게 요약할 수 있는 것입니까?  


맞습니다. 근본적으로 그게 지구 전체를 유지하는 기본 화학반응입니다. 이게 없으면 지구 전체는, 생명체는 존재할 수 없으니까요.    

이게 지구 생명의 출발이 되는 거네요. 그런데 포도당 외에도 여러 물질들이 많이 만들어지잖아요?  


네. 이거로부터 시작해서 분해하고 조합하고 뭐... 이것을 작게 사용하기도 더 길게 만들기도 하고.    


아... 포도당을 쪼개기도 하고 몇 개 붙여 다른 물질을 만들기도 하고.  


네. 거기에다가 질소나 황이나 인산기를 붙여나가면서...    


질소. 황, 인산, 그런 것들은 식물 자체가 만든 게 아니라 외부 물질을 이용해서.  


질소 황 인산은 뿌리에서 흡수한 거고요. 물론 질소는 질소고정을 통해서 만들기도 하지요. 땅에서 흡수해 사용하기도 하지만...    


그러면 기존에 있던 것으로이용하는 것은 질소, 황, 인산기이고. 식물이 새로 창조하는 것은 포도당이고... 포도당은 광합성이 아닌 다른 방식으로 자연에서 만들어지지 않나요? 식물에서만 만들어지나요?  


그 근본은 광합성입니다.    


동물 박테리아나 동물성 플랑크톤은 1차 생산자가 아니니까, 결국은 이들을 포함해 대부분 생물들이 이렇게 만들어진 포도당을 이용하는 것이군요. 우리 몸에 있는 포도당도 결국은 어디에선가 식물 어디에서 온 것이네요.

완전히 다른 비유입니다만, 말씀을 나누다보니까... 우리 몸이 초신성에서 유래했다는 말을 물리학자들은 하거든요. 왜냐하면 중원소, 그러니까 탄소나 등등은 무거운 원소 자체가 만들어진 것은 초신성 폭발로, 별에서 무거운 원소가 만들어지잖아요, 그게 폭발해서 다시 뭉친 게 행성이고 거기에서 생명이 만들어졌으니까 우리는 초신성의 잔해다 라고 하는데... 비유가 그렇기는 하지만 우리가 먹는 포도당 모든 것들도 광합성을 하는 식물이든, 박테리아이든, 조류든 거기에서 유래했다는 것이네요. 그들이 없다면... 포도당을 우리가 만들지 못하니까...

 

네. 지구상에서... 그건 식량 활용 측면이고, 또 광합성에서는 또 산소가 만들어지거든요. 산소가 없으면 우리가 에너지를 만들 수 없거든요.    


산소는 원래 지구상에 존재하지 않았...  


원래 존재하지 않았습니다. 광합성이 있고나서... 그리고 동물은 그 산소를 활용하는 것이고요.    


그러니까 중요한 두 가지 ... 먹이 그리고 호흡, 또다른 에너지 산소를...  


결국은 화학반응식이 거꾸로 가는 겁니다. 우리는 포도당을 먹고 빛 대신에 산소를 태워 에너지로 쓰는 거죠. 그렇게 해서 이산화탄소 나오고...   

00plant » 지구 생명의 자가영양(Autotroph)과 종속영양(Hetrotroph). 출처/ Wikimedia Commons



# 2.  광합성의 뛰어난 효율과 유연성

(2)  광합성은 매우 단순한 기작으로 여겨집니다만, 교수님은 저번에 광합성이 여전히 큰 수수께끼의 과제라고 말씀하셨습니다. 왜 그렇게 여겨지는지요? 

   

광합성이라는 게 이 반응식으로 보면 간단하잖아요. 한치의 오차도 없이. 그런데 광합성 연구에서 노벨상이 네여섯 개 나올 정도이고 또 연구할 게 많다고 했는데.  


이런 화학반응을 정교하게 일으키게 하는 단백질들의 조합들, 그 공장들이죠, 그것들의 구조와 정교성, 조절성, 효율성 이런 것들이 하나하나 다 이슈가 되거든요. 그래서 어딘가 그림을 보시면 알지만 코어에 몇 십 개 단백질들이 좍 모여서 전체적으로 공장을 해나가면서 일종의 연쇄적인 화학반응을 일으키는 공장을, 그것도 자동적으로 조립하거든요. [자동조립이란?] 자기들끼리 몇십개 단백질을 어레인지를, 공장이 되게 끼워맞춰서 자기조립을 해서 그래서 공장을 만들고, 그리고 만들고나서 맨 처음에 시작되는 게 광에너지를 흡수하는, 받는 효율이 거의 100%에 가깝습니다.  

최초의 과정은 반사나 열로 일어버리지 않고 떨어지는 포톤들은 자기들이 거의 다 ...초기에는 다 기본적으로... 놀라울 정도로 거기에서... 그것들이 다 분자 구조로 만들어져 있는데 인간은 그런 분자 구조를 만들어본 적이 없지요. [모방을 하면 되잖나요?] 네, 그런데 모방이 안 되는 것이 생명체의 공장은 사람이 만든 공장처럼 픽스된 게 아니라 유연성을 갖습니다. 빛이 적은대로 많은 대로 각도에 따라 어디에 떨어져도 자기가 원하는 곳에다 에너지를 가져가고 그런 식으로... [처음에 받는 효율이 100%이고요] 100%는 아니고 100%에 가깝습니다.

   

그걸 어디에 저장을 합니까?  


그런 다음에는 화학반응을 하는데 화학반응이 일어나는 과정들은 필요에 따라 얼마나 쓸지를 중간에 결정합니다. [포톤을?] 얼마나 쓸지는 그 다음 화학반응에 따라서... 열로 내보내거나 빛으로 내보내거나 그렇게... 원하는 만큼 오지 않으면 밑의 시스템을 효율적으로 돌려야 하고요, 많아지게 되면 나머지를 버리고    


이 광에너지를 받는 분자구조, 유연성을 갖는 분자구조를 모방할 수 있다면 인간이 광합성은 하지 않지만 빛 자체를 에너지원으로 충분히 활용하며 살 수 있겠네요.  


그렇게 생각합니다. 꼭 물질 자체를 모방할 필요는 없겠지만 그 원리 자체를 모방해낼 수 있다면 효율적인 에너지원으로 사용할 수 있을 것 같습니다.    


광합성에 관한 연구에서 이것 말고도 다른 관심사들은 뭐가...  


...광합성에서 제가 보기에 가장 큰 장점 중 하나는 조금 전에 말씀드린 것처럼 유연성인 것 같습니다. 공장이 픽스된 게 아니라 환경 조건에 따라 화학반응 자체를 조절해나가는 유연성. 구조가 픽스된 게 아니라... 그 자체가 가장 큰 놀라운 부분인 것 같습니다. 그게 제가 연구해보고자 하는 하나이기도 하고요.    


예전에 비슷한 연구결과를 낸 적도 있지 않나요?  


네, 그건 광합성이라기보다는 빛의 양을 조절하는... 빛이 크게 두 가지로 쓰이는데요. 하나는 에너지원으로 쓰이고요. 다른 하나는 식물이 자기 주변에 관한 정보로 씁니다. 빛이 있으면 낮, 없으면, 밤, 또 빛을 보고서 옆에 경쟁자가 있구나 이런 걸 아는 정보로 이용합니다. 제가 요즘 세미나에서 많이 하는 얘기인데 생물체를 기본적으로 정보 프로세스로 생각해보자 이렇게 많이 얘기하거든요. 인포메이션 프로세스로. 그런 측면에서 식물도 빛의 정보를 빛의 양, 빛의 질, 빛의 길이 등을 통해서 정보로 얻어서 환경을 인식하고 거기에서 자신이 어떻게 가장 적절한 성장 전략을 취할까 결정하게 되는 과정들이... 그래서 광합성과 광정보는 궁극적으로 연결됩니다. 광합성의 양과 연결해 하나는 대사적인 측면과 하는 정보적은 측면을 연결해서 가장 적절한 성장 전략을 취하는 것이지요.     


교수님이 하시는 건 이 광합성 분야에서 어떤 테마가 있습니까.  


기본적으로 광합성을 구성하는 기구들의 유연성이 어떻게 전체를 효율적으로 만드는 데 관여하는가 하는 건데, 이 문제는 광합성에만 관련되는 게 아니라 기본적으로 생체 기구들의 유연성 문제에 답할 수 있는 굉장히 좋은 테마 중의 하나라고 생각합니다.    


말씀하신 '기구'라는 것은...  


광합성 공장, 머시너리. 단백질, 복합체....    


종합적인, 그런 테마인 것 같은데요.  


네...    


유연성이라고 하는 게 과학의 입장에서 볼 때엔 상당히 밝히기 쉽잖을 것 같은데요. 뭐가 있다 없다를 밝히는 건 쉬운데 유연성이라는 것은 뭔가 부연의 설명이 돼야 하는...  


네. 그래서 새로운 영상 툴을 많이 쓰고 있습니다. 변화의 과정을 볼 수 있는, 단백질의 다이내믹스를 볼 수 있고, 분자 하나하나를 단분자 레벨에서 볼 수 있고, 빠르기를 볼 수 있고.    


분자가 어디로 몰려가느냐, 어떤 속도로 가느냐, 이런 게 물리학적인 피지컬한 게 중요해진다는 거군요.  


네...      



# 3. 핵, 미토콘드리아, 엽록체, 그리고 DNA

(3)  예전에 제가 쓴 기사들을 다시 보다보니까 이런 대목이 있습니다.    “...디엔에이로 식물 종을 식별하는 일은 동물 종 식별과는 달라 매우 까다로운 것으로 알려져 있다. 왜 그럴까? 식물과 동물은 다른 속도와 방향으로 진화해왔기 때문이다. 동물 종의 디엔에이 식별은 모계를 통해 전해지는 세포 속 미토콘드리아 염색체의 염기서열을 판독해 이뤄진다. 미토콘드리아 유전체(게놈)는 진화 속도가 빨라 일찍부터 종마다 다르게 분화했으며, 이 때문에 이곳의 디엔에이 염기서열의 차이를 보면 손쉽게 동물 종을 구분할 수 있다는 것이다. 하지만 식물에선 미토콘드리아 유전체의 진화가 빠르게 일어나지 않았다. 김기중 고려대 교수는 “식물 종의 분화를 미토콘드리아 유전체에서 찾기란 쉽지 않아 식물학계에선 주로 엽록체의 유전체에서 디엔에이의 차이를 찾는 방식이 추구돼왔다”고 말했다. 광합성을 일으키는 장소인 엽록체는 식물 잎 세포에서 90% 가량을 차지할 정도로 식물을 대표하는 세포기관이다. 그는 “하지만 식물에선 잡종 빈도가 높고 변이가 적어 식물 종의 식별 때엔 훨씬 더 긴 염기서열을 비교하는 좀 더 복잡한 방식을 써야 한다”고 말했다.“    종 구분이 동물과 식물에서 이렇게 다른 것은, 즉 엽록체를 유전물질 보존의 공간으로 활용하는 식물의 전략은 어떻게 해석이 되는지요? 엽록체는 이중막 구조에 자체의 DNA를 갖고 있다고 하는데요, 이런 식물의 전략은 학계에서 어떻게 해석이 되고 있는지요?  

   

이건 제가 분류하는 사람이 아니라서 제가 정확하게 얘기해줄 수 없을 것 같습니다.    


식물의 경우에는 핵 안에 엽색체가 있고, 미토콘드리아에 또 디엔에이가 있고요, 또 엽록체에 디엔에이가 있고. 동물과 다른 점이 엽록체 DNA인데 이건 적응을 위한 겁니까? 광합성만을 위해서 특별하게 이런 구조를 갖는 건가요?  


광합성만 위한 건 아니고요 그 안에서 다른 화학반응도 합니다. 색소를 만든다든지 하는 다른 반응도 합니다. 근본적으로 저게 들어가 있는 이유는 사람들이 생각하기에는 공생의 결과라고 생각하지요. 그러니까 독립적으로 살던 광합성 조류와 다른 그렇지 않은 세포가 결합해서 생긴 것이라고 보지요. [그런 가설이] 네. 그런데 점점 진화하면서 너무 협력을 잘하다 보니까 서로간에..  

초기에 지구상에 맨처음에 살았던 동물은 지구상에 있는 다른 에너지들, 예를 들어서 화산분출구나 이런 것들을... 다른 무기물로부터 시작해서 지금의 유기물이 아닌 다른 유기물을 만들고 등등.. 그건 제가 잘 아는 바가 아니네요.

   

그런데 엽록체가 주로 광합성을 주로 하는데... 그게 식물학계에서 추정하는 가설이 두 생물체가 공생하면서 진화하다가 결합이 된 것이라는 해석이 많다는 거네요.  


현재는 그게 정설로 받아들여지고 있습니다. 궁극적으로 보면 생물체를 DNA를 보존하고 복제하기 위한 기계를 목표로 삼는 생명체로 본다면 .. 서로 두 목적을 위해 공생했고 엽록체가 되기 전에 같이 살면서 성공적으로 DNA를 복제해 나가는 것이고 그리고 이것은 DNA의 대부분을 염색체에 다 보냈습니다. 디엔에이 자체를. 그래서 디엔에이가 굉장히 작습니다. 기능을 분담해서    


여기는 광합성 위주로만 하고 다른 기능은 핵 DNA로 보내버리고... [네..] 분열을 할 때는 각자 복제를 ...  


네 각자.. 물론 서로 정보를 주고받겠지요.    


식물이 동물보다 더 복잡하네요. 식물이 더 단순할 것 같은데 도리어...  


네. 생화학은 더 복잡하지요.    


보통 고등화할수록 복잡하다는 게 통념인데...(웃음)  


그게... 고등의 개념에 대해서 저는 잘 모르겠습니다. [앗, 또 지적하시는군요] 예를 들어 식물이 가진 다른 특성 중 하나가... 발달의 유연성이거든요 굉징히 환경 조건에 따라 조절을 잘 하거든요. 그런데 동물을 그걸 잘 못합니다. 발달의 유연성이 떨어집니다. 그러면 어느 게 더 고등하느냐. 변화를 잘 못 하기 때문에 열등하냐 변화를 잘 하기 때문에 고등하냐... 그런 유연성 속에 숨어 있는 원인 자체는 분자적인 그런 차이는 적고요. 왜냐면 식물의 유전자나 동물의 유전자는 개수에서 차이가 별로 안 나거든요. 결국은 그것이 구성된 네트워크의 특성의 차이일 거라고 생각하는데요. 그런 측면에서 네트워크의 유연성이 식물이 더 많은 것 같습니다. 최소한 발달의 측면에서. 어떤 환경이 왔을 때에 네트워크를 잽싸게 바꾸어서 거기에 맞는 네트워크로 전환해 살아가는 것 같습니다.    


교수님, 발달의 유연성이라는 것은, 빛이 적을 때에 자라는 어떤 형태나 모양, 성장발육 하고 빛이 많을 때의 성장발육 하고 확 차이가 난다 이런 의미 얘기입니까.  


네. 콩나물과 콩이 그렇고, 그리고 예들 들어서 바람 많은 곳에서는 키가 작고 나무가 탄탄해지고 그렇지요. [콩나물과 콩은 무슨 의미...?]  콩나물과 콩처럼. 그러니까 빛이 있고 없고 차이가 나고요.    


그게 빛이 없고 있고 해서 생기는 차이입니까? 아, 빛을 빨리 받으려고 웃자라는 게 콩나물이고요, 물을 많이 줘서 그런 게 아니고요?   남 맞습니다. 원래 땅속에 숨어 있잖아요. 어두우면 빛을 찾아나가려고... 기본적으로 중력의 반대 방향에 빛이 있다는 것을 알고 계속 웃자라다가, 계속 올라가다가 빛을 딱 만나면 웃자라는 것을 스톱하고서 (다른 생장전략을 펴게 되지요).     저는 물을 많이 줘서 콩나물이 된다고 생각했는데요.(웃음)  


과학 담당 기자가 그러면 곤란한데요.(웃음)      



# 4. 과감한 상상... 동물은 중앙집권, 식물은 연방자치? 

(4)  과감한 상상을 한번 해보았습니다. 저번 인터뷰 때에 말씀을 듣다보니 이런 비유가 떠올랐습니다. 동물은 뇌를 중심으로 중앙집중적인 생명현상을 발전시켰다고 보여지는 데 견주어, 식물은 각 기관별로 자치적인 생명현상을 이루면서 각 기관들이 신호전달과 그 반응을 통해서 전체의 생명현상을 이뤄나가는 게 아닌가 하는 생각이 들었습니다. 이런 비유가 얼마나 타당할까요?

 

이것은 저의 상상인데요. 동물은 뇌를 중심으로 일사불란하게 통제하잖아요. 뇌가 모르는 게 없잖아요. [뇌가 다 아는 건 아닐 겁니다] 네 다 아는 것은 아니겠지요. 그런데 식물은 저번에 말씀하셨듯이 잎에서 어떤 신호를 줘야 꽃에서 어떤 반응이 일어나고, 그런 기관의 신호전달 이런 말씀을 하셔서. 그것은 어떤 기관이 다른 기관에 신호를 알려줘야 하는, 중앙에서 정보를 받는 게 아니라 ‘기관 대 기관’ 커뮤니케이션 이런 얘기인데요. 이건 전체의 큰 틀은 있고 함께 가면서 각자의 기관별 생존 모델이 있고, 그렇지만 총화는 전체의 생존이고요. 그런데 동물은 그것과 달리 하나의 정체성을 갖잖아요, 1개체 1정체성을 갖잖아요. [네, 상대적으로] 네 그걸 두고서 중앙집중체 하고 연방자치체의 이미지가 떠오르는데요. 물론 인간사회 하고 그걸 직접 비교는 할 수 없지만 약간의 특징들이 유사한 게 아닌가 하는 생각이 듭니다.  


나타납니다. 유사성이 있을 수밖에 없는 게 사람들의 세포도 결국은 세포들의 소사이어티, 세포들의 사회이거든요. [엔분의 1의 위치는 아니잖아요] 네, 서로 분업도 하고, 역할분담도 하고 그러면서 전체적인 경쟁력을 키워나가는 것, 그래서 사회구조와 유사성이 많이 있을 겁니다.    


아까 사람의 경우에는...  


사람은 중앙집중적, 식물은... .기본적으로 그건 정도의 차이라고 생각합니다. 예를 들어서 오 기자님과 저와 대화를 하는 것 자체도 인터랙션이거든요. 우리가 완전한 인디뷰디얼이면 커뮤니케이션이 일어날 수 없겠지요. 식물들 간에도 커뮤니케이션 하고요. 전체 소사이티가 움직이고, 거기에 우리가 보통 얘기하는 개체 안의 세포들은 훨씬 더 가까운 인터랙션이 일어나는 것일 테고요.    


그러니까 이런 측면도 있다고 볼 수도 있는 거지요.  


네에. 식물들이 분산컴퓨팅을 하는 것은 사실인 것 같습니다.    


식물에서도 이런 분산컴퓨팅 같은 비유도 많이 하나요.   네에 최근 들어 나오기 시작하고 있습니다.    


   

# 5.  '식물 대 동물'의 대칭사고는 합당한가?

(5)  1차 인터뷰 때에 동물 중심의 관점 때문에 오해를 하게 되는 식물의 여러 특징들을 말씀해주셨는데요, 그것은 관념적인 시각의 문제인가요? 아니면 실제로 그런 동물 중심적인 사고를 했을 때에 나타날 수도 있는 식물 연구의 문제들도 생길 수 있는지요? 다시 말씀 드리면, 동물 중심의 관점이 식물 연구에 걸림돌이 되는 구체적인 예들이 있는지요?

   

실질적인 예를 들기는 애매하긴 한데. 제 자신이 인식했다기보다 식물 연구를 하면서 새로운 것을 알아가면서 아, 내가 인간 중심으로 보면 안 되겠구나 많이 알게 되고 그게 뭐 특정한 사건 때문에 그런 건 아닌데. 그렇게 보면 거꾸로 식물을 연구하지 않으시는 분은 굉장히 제한적인 시각을 갖고 있지 않을까 생각합니다. 물론 제가 동물을 보는 것에도 제한적이기는 하겠지만.    


식물을 포용하는 생명의 관점은, 이건 계속 얘기해오셨던 건데, 짧게 다시 정리하면 어떤 것인가요? 동물 중심의 관점을 넘어서서 생명체, 보편적인 생명체를 보는 관점을 계속 말씀해오셨는데 그걸 다시 정리하면 그것에서 가장 핵심적인 것은 어떤 건가요? 다양성인가요?  


생명체 전체적인... 어떤 동질성에 기초한 다양성인 것 같습니다. 생물체들의 기본 물질과 원리는 거의 다 같은 것 같고요. 그런데 그걸 어떻게 활용하느냐에 따라 여러 가지 다양한 형태와 모습으로 나타나는 것으로 보는 게 맞을 것 같습니다.    


식물과 동물 유전자 규모가 비슷하다고 하셨는데  


네에. 보통 2만개, 3만개...    


보통 사람은 2만 몇 천 개라고 하는데요.  


초파리가 그렇고, 애기장대가 그렇고. 포도당, 리보좀, 뭐뭐 다 기본적인 것은 같고요. 그렇게 생각하면 진짜 생물체가 놀라워요. 그렇게 동질성을 가지면서도 어떻게 활용하느냐에 따라 이렇게 다양하게 나타난다는 것 자체가.    


식물계, 동물계의 유전자 차이는 몇 퍼센트다 이런 계산도 있나요?  


숫자는 정확히 모르는데, 그런 계산들이 있지요. 애기장대와 사람이랑 비교하니까 30-40퍼신테는 인간 유전자와 비슷한 것으로 나타난다고 알고 있습니다. [생각보다 크네요] 아니, 그런 식으로 보면 효모에 있는 유전자도 사람에게 대부분 있는데요.    


보통 식물과 동물을 얘기할 때에 대칭적으로 얘기하잖아요. 식물과 동물 이렇게. 앞에서 말씀하신 것은 바탕이 되는 게 식물이고 그 바탕 위에서 노는 게 동물이고 한데... 식물과 동물이 대칭적인 관계가 아닌데...  


그것은 인간의 사고 체계의 문제라고 생각합니다. 어떤 문제를 단순화하고 그런 데에서 나온 분류일 거라고 봅니다. 물론 그런 특징들이 다 있지만, 알게 모르게 그런 사고에서 영향을 받는 것 같습니다.      



# 6. 식물의 외적 거동, 그 내부의 프로그래밍 비밀은?

(6)  1차 인터뷰 때에 식물 분야의 큰 물음으로서, 교수님께서 “기계적인, 식물체의 기계적인 부분들과 유전학적 부분들의 연계 문제는 큰 이슈가 될 것”이라고 말씀해주셨습니다. 큰 이슈가 될 것이라는 말씀에 좀 더 여쭙습니다. 이 부분을 조금 더 자세히 말씀해주신다면...

   

네.. 현재까지 식물학은 대부분 화학적인 해석이 주였습니다. 화학반응, 화학물질 대사... 그런데 그것들에 있는 물리적 특성이나 그 합으로 나타나는 물리적 특성에 대해서는 굉장히 관심이 적었다는 생각이 들고요. 그런 것도 생명현상에서 굉장히 중요한 대상인데...    

'물리적 특성'이란 게 예를 들면 어떤 건가요?  


예를 들어서 갈대의 잎... 바람이 불고 해도 안 찢어지고 버티고 있지요. 그 모양, 그 재질 특성, 표면의 특성 그 모든 것들이 그걸 견디게 디자인 된 것이지요. 지난번에 말씀드린 것처럼 봉숭아 터질 때에 터지게 하는 특별한 재질과 구조를 만들고 또 그걸 가져야만 얘가 종족 보존에 성공할 수 있거든요. [유전적 다양성이란 여기에서 어떤 의미?] 그 자리에만 떨어지면 친족교배가 많아지겠지요. 멀리 떨어지면 다른 것과 교배. 그 자리에 떨어지면 경쟁이 격심해져 경쟁을 줄여야 하고요 예를 들어서. 그런 물리적 특성들도 생명현상이고 중요한데 그동안 우리가 너무 주의를 적게 주어왔다는 거죠.    


새로운 접근법이네요.  


네에. 너무 간과했던 것 같아요.  생체재료학, 생체기계학... 그런 거에 가까운데요. [    


이게 분자유전학과 어떻게 연결되나요.  


그런 것들이 다 분자유전학적으로 프로그램 된 특성들입니다. 그 연계 관계가 지금 거의 안 알려지고 있고요.    


예를 들어서 복숭아가 터지는 구조라면 그런 것을 만드는 단백질 유전자들이 어떤 게 작동해 만들고 하는... 그리고 터지는 시점을 인식하는 시그널이 무엇이고. 그러니까 식물의 외적인 거동, 내부에서 일어나는 화학반응이 아니고 외적인 거동을, 그러니까 예전의 화학반응은 내부에서 일어나는 것이고 지금은 외적인 거동, 기계적 특성 이것을 내적으로 어떻게 작동되는지 한번 보자는 것이네요. [네 그렇게 얘기해도...] 어떻게 보면 내부의 화학반응, 신호전달 이런 게 어느 정도 규명이 되니까 그걸 바탕으로 외부 거동도 어느 정도 설명이 가능해졌다는 것이겠네요.  


맞습니다. 전에는 화학반응 모를 때에는 충분히 설명할 길이 없었으니까...    


생체기계분자유전학 이렇게 불려도 되겠네요. 재미는 있을 것 같네요.  


네, 그게 나아가면, 결국에는 사이보그나...    


사이보그요?  


그러니까 인공생체가 되겠지요. 결국에 지금 로봇이나 사이보그나 하는 게 우리가 보는 것은 매크로한 것이고 움직이게 하는 것은 마이크로한 것이고. 그걸 이해해야 우리가 그걸 만들 수도 있겠지요. ...[이런 걸 염두에 두고서] 제가 그렇게 생각한다기보다 그렇게 연결될 거라고 생각하는 거지요.    


이렇게 되면, 공학적인 마인드도 많이 들어가야 할 건데요.  


네 그럼요. 마인드도 그렇고 방법도 그렇지요.    


응용하는 것만이 아니더라도 이해하는 데에도 공학적인 방법이...  


네, 맞습니다. 그게 생명과학에서 굉장히 큰 화두로 시작되고 있는 것들이 시스템생물학이라고 해서 생명을 회로의 구성으로 보려고 하지 않습니까. 그게 화학공학이나 이런 프로세스가 들어오면서 커진 것이거든요. 그게 하나의 큰 트렌드이고, 제가 말씀드린 부분도 하나의 큰 트렌드가 될 것이고...    


생물공학 분야에서 자주 쓰이는 게 파트, 디바이스, 모듈 이렇게 말하는 데, 광합성이라는 게 그게 식물들에서 비슷하게 쓰이는 모듈처럼 들어가는 건가요.  


광합성을 한다고 했을 때 그 근본은 굉장히 유사합니다.    


자연이 특정한 유전물질 장치를 폭넓게 공유하면서... 합성생물학 인터뷰를 해서 그런지, 하나의 모듈처럼 느껴지기도 하거든요.  


저희도 생물학 연구하다보면 그렇게 느껴집니다. 어떤 기본적인 모듈을 가지고서 변형해서 다양하게 쓰는 것이 굉장히 뛰어난 것 같고요. 그게 생체 물질의 특징 같습니다. 그래서 우리가 성공적으로 이렇게 다양하게 퍼져 있는 것 같습니다. 무생물과는 다르게...    


시스템생물학처럼 그런 공학적인 게 많이 결합이 될 것 같다는 말씀....  


네... 큰 트렌드로서.      



# 7.  식물의 코디네이션, 커뮤니케이션  

(7)  1차 인터뷰 때에 “식물도 스스로, 그리고 동종 식물 간에, 또 다른 식물들 간에, 그리고 동물들과도 굉장히 많은 신호들을 주고받는다”라고 말씀하셨고, 향후 식물 분야의 큰 물음 중 하나로 “식물 각 기관들의 코니네이션이 어떻게 이뤄지는가”가 큰 이슈라고 했습니다. 실제로 이 분야에서 최근에 여러 연구들이 발표되고 있는지요? 교수님은 이 주제 중에서 특히 어떤 부분에 관심을 갖고 있는지요? 

  

또 달리 얘기해주신 게, 커뮤니케이션, 코디네이션 얘기인데요. 최근에 이런 게 관심사가 되고 있는 것인지? 교수님 연구실에서 이런 주제도 연구하시는지?  


식물에서 코디네이션은 중요합니다. 전반적으로 제가 하고 있는 부분이 식물의 성장과 발달이 대주제인데, 그 안에서 그걸 조절해나가는 방법들을 화학적, 기계적, 물리적으로 보고 있는 것인데요, 그 코데네이션 문제는 (전체의 효율을 위해서) 각 부분들에서 하는 역할들이 서로 적절하게 코디네이션 되어야만 하는데요. 그런데 또 완전한 코디네이션이 되면 식물은 망합니다. 특정한 환경에서 가만히 있으면 공격을 당하는데, 특정한 부위가 공격당해도... [동물체는 머리만 잡아먹히면 생명 기능을 잃지요]  네에. 그러다보니까 코디네이션 일어나면서도 루스한 코디네이션이 일어나고 그 다음에 코디네이션이 특별한 방식으로 일어나는 것 같습니다.    


코디네이션을 우리말로 옮기면 뭐라고 하나요. 조화? 조절...?  


글쎄요...    


각 기관들이 코디네이션을 하니까. 조화협력? 협력조화?  


네, 협력적 조화네요....    


아, 협력적 조화. 그러니까 아까 말씀 나눈 말을 쓰면 될 것 같네요. 연방자치... (웃음)  


네에. 연방국가 같은... (웃음)    


당장엔 협력적 조화, 이런 말이 근사할 것 같네요. 그냥 조화라고 하기에는 그렇고...  


네.    


코디네이션되는 과정을 커뮤니케이션으로 보는 거죠? [네] 결국은 화학물질의 전달 이런 겁니까  


전기, 화학, 그 다음에 기계적인 것... [예를 들어서 뭐가 툭 치거나 그런 것?] 한 세포의 팽압이나 압력 같은 것이 전달될 수도 있고요.    


압력을 인식하는 센서가 있어야 하겠네요.  


압력센서는 식물에 있습니다. 바람이 세게 불 때에 그걸 인식해서 세포벽을 두텁게 만들거나 하는...    


이건 신호를 생성하는 것이고요. 신호를 전달하고 해석하는 것도 있겠지요. 그런데 전기신호도 있나요?  


네 알려져 있습니다. 현재 알려진 게 한쪽에서 상처를 받으면 벌레가 뜯어먹으면 신호를 전체에 다 보내서 뜯어먹히고 있다 대비하라고.... 그것보다는 더 광범위하게 쓰일 것 같습니다.    


이건 애기장대를 대상으로 한 연구인가요? 외국에서 연구된 건가요.  


외국 연구결과이고요, 그건 토마토 대상 연구였습니다.    


조금 전에 말씀하신 '식물이 대비한다'는 것은 어떤 의미?  


식물이 어떤 독성물질을 만들게 하거나 소화억제물질을 만들거나... 독성단백질을 만들기도 하고, 독성대사산물이기도 하고 그렇습니다. 벌레가 기피하도록.    


이 분야에서 교수님이 특별히 관심을 갖고 있는 것은 있나요?  


 현재 생각하고 있는 부분들은 생체시계 신호가 전체적으로 어떻게 서로 코디네이션 되는지 각각이 얼마나 따로 노는지 얼마나 같이 노는지... [얼마나 따로 노는 것을 측정하기는 쉽잖을 것 같은데요] ...되겠지요. 수학과 교수님과 함께하고 있어요. 우리는 실험을 하고 수학과 교수님이 코디네이션 정도를 계산해내고.    


생체시계 신호라는 게 낮과 밤 이런 것을 인식하는 것일텐데...  


24시간으로 주기가 돌아가지요. 각 파트가 대사활동이건 서로 연결해서 움직이겠지요, 얼마나 같이 움직였는지...     


여기에서 ‘얼마나’가 중요합니까. 당연히 코디네이션이 있을 거라고는 생각될 것 같은데요.  


네, 맞습니다. 얼마나 일어나고, 어떻게 일어나느냐 그게 중요하겠지요.    


생체시계 인식하는 유전자들은 많이 발견됐지요. 교수님 연구팀에서도 피오나 같은 유전자들이...  


네. 이번 연구는 그 연구의 다음 레벨 연구들이죠.    


생체시계에 관여하는 유전자들이 있는데, 이게 빛에 의해 생체시계가 작동되는 것인가요.  


유전자가 빛 자체에 의해 드라이브 되는 게 있고, 하나는 내재적으로 드라이브되는 게 있습니다. 두 개가 상호작용에 의해서 전체 답이 나타나게 되는데요. 빛에만 따라가면 서로 신호전달 필요 없는 것이고 그런데 그렇게만 했을 때의 문제점들은 각각 너무 로컬해지면 전체 연결이 약해져서 반응이 이상해질 테고. 예를 들어서 뿌리는 빛을 받지 못하는데 전체적으로 맞춰야 하는데 맞출 수 없겠지요.    


아, 뿌리는 빛을 못 보니까, 그래서 알려줘야 하니까... 생체시계 신호전달과 관련해서 확인된 어떤 화학적 신호전달 이런 게 일부 나와 있는 게 있습니까?  


현재까지는 코디네이션 관련해서는 생체시계에서는 알려진 게 없습니다. 찾아보려고는 하고 있습니다.     



# 8. 연구실, 연구문화...

(10)  교수님의 연구실 문화나 연구방향을 독자들한테 간략히 소개해주셨으면 합니다. 연구실에는 어떤 연구 파트들이 있는지요?

   

연구파트들은 연구 주제별로 혹은 연구 방법별로 나뉘어 있는데요. 연구주제별로 보면 식물노화팀이 있고, 식물광반응팀이 있고요. 전체적인 토픽은 식물의 성장, 발달이고요. 그것을 보는, 해결하고자 하는 개념의 방향은 시간, 공간, 그리고 네트워크, 그러니까 인터랙션... 시간적으로 공간적으로 어떻게 변하는가, 상호작용이 어떻게 변하는가....그런 패러다임을 향해서 가고 있고요. 그리고 방법론적으로는 기본적으로 분자유전학 방법이고 거기에 수학이라든지 이미징, 캐미컬지노믹스...    


수학은 어디에 쓰이나요  


생체회로의 모델링, 생체회로의 특성 분석....이런 것을.    


이상엽 교수가 하는 게 가상세포, in silico인데...  


조금 다른데요. 저는 실제 일어나는 회로를 밝히고 왜 그런 특성이 생체 내에서 어떤 이점이 있는가 하는. 저는 실제 존재하는 생물학적인 원리를...    


거기에서 수학적 특성을 보는 건가요?  


수학으로 회로의 특성을 풀어보는 거죠. [네트워크를 보는 겁니까?] 네, 네트워크의 특성, 그런 네트워크의 특성이 어떻게 생명현상과 연계되는가 하는...    


식물 노화는 예전에도 한번 발표하셨던 게 있는 거죠. [네] 그러면 지금 새로운 과제가 어떤 것...  


지금 말씀드린 게 국가과학자 연구의 영역입니다.    


노화에서는 어떤 게 주제인가요?  


식물의 노화 관련된 것을, 앞에서 말한 이런 개념으로 풀어서 하려는 것이지요.    


그리고 광반응 연구라는 것은 광합성을 연구한다는 건가요.  


광합성과 광정보 두 개를 연계시켜서...    


그리고 애기장대 하나만 대상으로 연구합니까?  


네. 주로 애기장대를 하고 있고요, 필요하면 관련되는 다른 생물체를 사용할 겁니다. 그게 동물이건 조류가 됐건.... 그건 공동연구를 통해서. 예를 들어서 애기장대의 노화와 꼬마선충의 노화를 비교하기도 하고... [공동연구는 다른 외부 대학의...] 아니, 우리 과에 계신 교수님과 함께...    


식물 분야만의 어떤 독특한 연구문화 이런 게 있나요?  


식물 분야만의 연구문화...? 식물이기 때문에 생기는 연구 문화에서 가장 큰 특성은 굉장히 플랜을 잘 해야 합니다. 굉장히 긴 시간이 걸리기 때문에 한번 디자인을 잘 못하면 시간을 낭비할 수 있습니다.. 그래서 [애기장대의 사이클이 어느 정도... ] 6주 정도. [태어나서 죽을 때까지가?] 빠르죠 생물치고는. 하지만 대장균이나 효모에 비하면 긴 시간이지요. 또한 전체적인 효율을 주기 위해서 전체적으로 팀 단위로 움직입니다. 노화팀 하면 거기에 보통 포스닥, 상급대학원생, 신입대학원생 이렇게 구성됩니다. 전체적으로 코디네이트 하게 지식과 기술이 트랜스퍼 되고 시너지도 서로 생기고 그런 식으로.     전체 연구원이 몇 명인지요?   지금 현재 25명 정도 됩니다.    


식물에 대해서 너무 폭넓게 여쭈어봐서, 뭐에 초점을 맞출지... 결국에는 동물 중심의 사고에서 벗어나자 이런 얘기로 써야 할 것 같은데요.  


그러니까 크게 생각하면 지구상의 식물이란 게 굉장히 많이 퍼져 있는 중요한 생물체인데도 굉장히 많은 오해나 모르는 지식이 있는 것 같다는 그런 얘기였던 것 같습니다.        



# 9. "들녘에서 일어나는 조용하지만 역동적인 광합성 장관"

제가 내려오면서 트위터에 글 하나 올렸는데요. 남홍길 교수 인터뷰 하러 가는 길인데 차창을 보니 들과 산이 온통 녹색이잖아요. 그런데 거기에서 조용하게 역동적으로 광합성 작용이 일어난다고 생각하니까, 저번에 뵙고 여러 얘기 들은 것도 있고 해서 그래서 가슴이 막 두근두근 하더라고요. [저와 보낸 시간이 보람이 있었네요...] 그러니까 기이하게 느껴지더라고요. 지구에서 대부분 표면을 식물이 덮고 있는데, 육지에서... 바다에서도 또 바다 광합성 생물체가 있고... 그래서 광합성이라고 하는 게 정말 중요한 것이구나 하는 이런 생각이 들더라고요.  


저와 보낸 시간이 보람이 있었네요.(웃음)    


광합성에 대한 얘기를 교과서에서 도식적으로 식물은 광합성을 한다 이렇게 외우는 게 아니고, 이게 정말 지구의 생명현상, 지상에서 펼쳐지는 생명현상에서 광합성이라고 하는 단일한 현상이 엄청난 규모로 반복적으로 일어나잖아요. 그게 기괴한 느낌이 들더라고요  


네, 그만큼 성공적인 화학반응이지요.    


성공이 검증되어 왔으니까 이렇게 나눠서 쓰는 거겠지요? 그런데 동물은 왜 그걸 버렸을까요?  


그렇게 사는 게 더 쉬우니까... 조금 전에 말씀하신 게 과학하는 재미인 것 같더라고요.    


아, 더 쉽게 기생할 수 있으니까....(웃음). 예전에 제가 이런 기사도 쓴 적이 있는데... 식물도 생각할 줄 안다. 식물에도 신경이 있다.... 외국의 연구성과가 나왔는데 제가 기사로 쓰면서 관련 연구자와 통화하면서 들은 얘기였던 것 같은데. 식물이 좋은 분위기에서 잘 자라고 분위기에 반응한다, 이런 말에 수긍하시나요?  


분위기보다는 이렇게 생각하면 어떨까 싶어요. 동물이 굉장히 공격적인 동물이 있을 때에 그럴 경우에 가능성이 잇습니다. 그런 동물들의 공격성에 관련되는 물질을 식물이 인식할 가능성도 있을 거라고 봅니다. 그러니까 정서라는 것을 화학이나 물리적인 엔터티로 해석만 해내면 가능할 거라고.    


동물의 신경 같은 것은 식물에서 어떻게 나타나나요?  


신경이라는 것 자체는 결국 전기신호를 전달하는 방법이라고 생각하게 되면 식물에도 전기신호 전달하는 방법이 있습니다. 정확히는 모르지만 아마 세포 표면에 있는 동물과 유사하게 이온채널을 이용하는 것 같습니다. [그런 이온채널이 순식간에...] 동물처럼 빠르지는 않고요. 그게 연결되는 것인데 기본적으로 신경세포라는 것은 이온채널을 이용하는 것이거든요. 그리고 식물들에도 이온채널이라는 게 있고요. 그렇게 활용하느냐는... [지금 말씀은 추정인 건가요? ] 전기가 통한다는 것은 알고요...메커니즘은 정확히 알려져 있지 않습니다. [그런데 추정으로...] 이온채널 있으니까 그런 게 존재할 수 있다고 생각할 수 있을 것 같습니다. ... (웃음) ... 그런데, 신경 얘기는 제가 더 안 하는 게 낫겠습니다. 그렇지만 식물은 생각 이상으로 굉장히 예민한 생명체입니다. 정말 바람 세기의 변화까지도 예민하게 인식해내고요 자기 속에서... [다른 방식으로 예민한 것이네요.] 네. 식물은 바람에도 빛에도 습기에도 예민해야 하고....    


다른 방식, 다른 대상에 대해 예민한 것이네요. 그러니까 누가 더 예민하냐 그걸 따지는 게 별로 의미가 없다는 말씀이군요. 각자의 방식이라고.  


그래서 식물이 안 움직인다, 그것도 극한적으로 말하면. 사막의 식물의 경우에 굉장히 말라지면 몸 전체를 굉장히 말려서 몸이 떨어져서 직접 굴러가죠. [그게 죽은 상태 아닌가요] 아뇨. 그러다가 물을 만나면 그 자리에서 다시 뿌리를 박고서. . 그걸 움직인다고 보야 할지 모르지만.    


사막에서 바람 불면 굴러다니는 그거, 그게 죽어서 굴러다니는 거 아니에요? 그 식물 종 이름이 뭔가요?  


이름은 모르겠고, 그때에 사용하는 화학물질이 트리할로스라는 화학물질입니다. 이걸 체내에 많이 축적하면 수분이 거의 없어도 다시 .... 이건 단백질 아니고 당입니다. 수분이 없어도 살아갈 수 있게 하는 물질입니다. 그게 화장품에도 많이 씁니다. 피부 건조를 막아주는 것으로.    


긴 시간 인터뷰 감사합니다. 다음에 최종 인터뷰를 하도록 하지요.   

   

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오철우 한겨레신문사 과학담당 기자, 사이언스온 운영
1990년 한겨레신문사에 입사해 편집부, 사회부, 문화부, 생활과학부 등을 거쳤으며 주로 과학담당 기자로 일했다. <과학의 수사학>, <과학의 언어>, <온도계의 철학> 등을 번역했으며, <갈릴레오의 두 우주체제에 관한 대화>를 썼다.
이메일 : cheolwoo@hani.co.kr      

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