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식물의 수학적 패턴은 진화론자들을 계속 난처하게 만들고 있다.
: 피보나치 수열이 돌연변이로 우연히?
(Plant Patterns Prolong Perplexity)
CEH

   식물들은 고대 이집트, 그리스, 로마 시대로부터 현대에 이르기까지 학자들의 감탄을 자아내게 하는 경이로움을 수행하고 있다. 그것은 수학적으로 완벽한 패턴을 재생시키는 능력이다. 잎차례(phyllotaxis, 식물의 줄기에 나는 잎의 배열 방식)라 불리는 이러한 능력은 수학적으로 피보나치 수열(Fibonacci Series)과 황금각(Golden Angle)으로 설명될 수 있다. (피보나치 수열은 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144...으로 1+1=2, 1+2=3, 2+3=5, 3+5=8… 처럼 인접한 두 수의 합이 다음 수가 되는 수열이다. 그리고 피보나치 수열에서 뒤의 수를 앞의 수로 나누면, 즉 3/2, 5/3, 8/5,  13/8, 21/13, 34/21, 55/34, 89/55...은 1.618이라는 숫자에 가까워진다. 이 비율을 황금비율이라 한다).    

해바라기, 솜엉겅퀴(artichokes), 선인장, 민들레의 머리, 기타 식물들에서의 아름다운 나선형 구조들은 오늘날 어린이나 어른들을 계속 매료시키지만, 그러한 것들이 유일한 예는 아니다. 줄기 위의 잎들은 나선형의 계단처럼 잎차례식 패턴으로 나타날 수 있는데, 환경에 의존하여 식물들은 서로 다른 발달단계들에 따라 그 패턴을 변환시킬 수 있다. 과학자들은 잎차례가 어떤 패턴으로 나타나는지는 알게 되었지만, 여전히 그 대본(script)에 대해서는 이해하지 못하고 있다. 어떻게 유전자와 단백질들이 그러한 경이로운 패턴을 만들어내는지에 대한 상세한 내용은 이해하기 어려운 채 남아 있는 것이다.

최근 Current Biology 지[1]에서, 프랑스의 생물학자인 장 크리스토프(Jean-Christophe Palauqui)와 패트릭(Patrick Laufs)은 잎차례를 설명하기위해 연구되어왔던 이론들 중 일부를 자세히 설명하였다. 과학자들은 식물 호르몬인 옥신(auxin)이 새로운 기관 원기가 나오는 줄기 생장점(shoot meristem)에 집중되고, 그러한 PIN1 옥신 수송자(PIN1 auxin transporter)가 옥신의 위치를 대립(분열)시킨다는 것을 알게 되었다.

Current Biology의 동일한 이슈에서 보고된 새로운 연구는 PLETHORTA (PLT) gene family를 포함하고 있었는데, 그 유전자들은 생장점에서 진행되는 과정들과 뿌리 형성에 영향을 끼치는 것으로 알려져 있다. 그 유전자들을 조작하는 것은 식물의 패턴 형성을 촉진할 수도, 억제시킬 수도 있다.

.해바라기 잎은 이전 잎에서 360÷1.618 = 222.5° (또는 360°- 222.5°= 137.5°) 씩 회전하여 나오고 있다.

이 유전자들이 어떻게 상호작용을 하고 있는지는 잘 이해되지 않고 있다. 그것은 유전자들의 호르몬 켜기, 단백질 켜기와 같은 단순한 사건이 아니다. 유전자들 각각은 하나의 복잡한 안무(choreography)로서 서로서로 앞뒤로 신호를 보낸다. 또한 PLT 유전자들은 그들이 PIN1 극성과 옥신 분포를 조절함으로서, 원기(primordia)에 기계적인 힘을 자극시킬 수 있는 것처럼 보인다. 또한 유전자 발현과 하류효과(downstream effect) 사이에는 시간 지체가 있어서, PLT 유전자들이 활성화되는 시간에서부터 PIN1 복사본의 농도가 증가되는데 까지 4시간이 걸렸다. 그러나 그 뒤에 옥신의 농도는 PIN1 유전자의 발현 조절을 위해 또한 피드백을 할 수 있었다. 따라서 내부 지시자의 신호는 간접적이고 복잡한 것으로 나타났다.

연구자들은 이러한 유전자들의 당혹스러운 상호작용은 생물학자들을 바쁘게 만들고 있다고 언급하였다 : ”PLT가 관여하는 잎차례의 조절 메커니즘을 해명하는 것은 앞으로의 과제가 되고 있으며, 그것은 PLT 유전자 발현의 양적인 설명과 모델링, PIN1의 수준과 분극화, 옥신의 분포, 생장과 역학에 의존하는 것 같다”고 그들은 말했다. 이러한 문제들이 언젠가 기계론적 이론으로 해결된다 하더라도, 어떻게 (잎차례를 보이지 않는) 하나의 씨앗이 잎차례를 보이는 성숙한 식물로 자랄 수 있는지에 관해서는 여전히 많은 질문들이 남아있는 것이다. 그것을 넘어서, 미학을 하는 철학자들은 어떻게 식물들과, 그리고 식물들과 직접 관련이 없는 다른 많은 자연현상들, 즉 나선은하, 허리케인, 소라껍질, 사람 귀의 달팽이관 등에서 인간에게 아름다움을 가져다주는 ”황금비율(divine proportions, 신의 비율)”이 계속 발견되는지를 숙고해 보아야만 할 것이다 (ICR에서 Fred Willson이 쓴 기사 2003. 11. 20 을 참조하라).

1. Jean-Christophe Palauqui, Patrick Laufs, 'Phyllotaxis: In Search of the Golden Angle,” Current Biology, Volume 21, Issue 13, R502-R504, 12 July 2011, DOI 10.1016/j.cub.2011.05.054.

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어떤 것의 메커니즘을 설명하는 것이 그것의 기원을 설명하는 것은 아니다. 당신이 조립 라인에서 자동차가 어떻게 만들어지는지, 그것의 구조, 조립순서도, 균일화, 설계도 등을 이해할 수 있고 설명할 수 있다하더라도, 그러한 지식은 자동차가 만들어지는 이유를 설명하지는 못한다.

위키 백과사전(Wikipedia)은 다윈의 진화론 발표 이후 10년도 되지 않아 빌헬름 호프마이스터(Wilhelm Hofmeister, 1824~1877, 독일의 식물학자)에 의해서 그것에 대한 해결책이 발견되었다고 주장하면서, 자연선택의 한 결과로서 그 같은(잎차례나 황금비율..) 것들이 생겨났다고 쉽게 설명하고 있다. ”세부적인 질문들은 남아있다”고 말하면서, 지나치게 간소하게 그것을 설명하고 있는 것이다. 호프마이스터를 포함하여 그 당시 사람들은 유전자 암호는 말할 것도 없고, PIN1과 PLT에 대해서 아무 것도 알지 못했다. 단순한 경쟁하는 기계적 힘 모델은 1896년에 주장된 것이다. 그 이론은 오늘날 유전자 코드, 단백질, 세포신호 등을 관측하고 있는 사람들을 만족시킬 수 없는 것이다.

만일 언젠가 진화론자들이 그 모든 메커니즘을 다 이해하게 되었다 하더라도, 앞에서 언급한 질문들은 여전히 남아있는 것이다. 모든 식물들이 잎차례를 사용하는 것은 아니다. 그리고 그러한 패턴은 식물의 생존에 불필요한 것처럼 보인다. 따라서 목적이 없고, 방향이 없고, 지시되지 않은, 무작위적인 돌연변이들에 의해서, 우연히, 생존에 불필요한, 그러한 경이로운 패턴들이 생겨났다는 진화론은 하나의 공허한 이야기가 되어버리는 것이다.

해바라기(sunflower)를 주의 깊게 살펴보라. 여기에는 보다 좋은 과학, 깊은 철학, 그리고 무엇보다도 건전한 신학을 위한 자연적 경이가 들어있는 것이다.

 

*참조 :

1. Fibonacci Numbers in Nature, by Jill Britton
    http://britton.disted.camosun.bc.ca/fibslide/jbfibslide.htm

2. Fibonacci Numbers and Nature
    http://www.mcs.surrey.ac.uk/Personal/R.Knott/Fibonacci/fibnat.html
 
3. Fibonacci Numbers and the Golden Section
    http://www.maths.surrey.ac.uk/hosted-sites/R.Knott/Fibonacci/fib.html
 
4. 15 Uncanny Examples of the Golden Ratio in Nature
    http://io9.com/5985588/15-uncanny-examples-of-the-golden-ratio-in-nature

 

 

출처 : CEH, 2011. 7. 11.
URL : http://crev.info/content/110711-phyllotaxis
번역자 : 문흥규

관련 자료 링크:

1. 식물들은 수학을 알았는가? (Do Plants Know Math?) : 식물들에 존재하는 피보나치 수열
2. 황금의 수 (The Golden Number) : 해바라기 꽃에서 나타나는 피보나치 수열.
3. 식물의 피보나치 나선들에 대한 설명 찾기 (Seeking Explanations for Plant Fibonacci Spirals)
4. 하나님의 창조 속에 나타나 있는 형태, 수, 패턴, 황금비율 : 피보나치 수열, 황금 나선, 그리고 행성의 공전주기
5. 생명체에 작용하는 동력학 법칙 Ⅰ
6. 생명체에 작용하는 동력학 법칙 Ⅱ
 
 
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