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편평한 식물 잎에 숨어있는 놀라운 설계
(Flat leaves—a curly problem)
David Catchpoole

   식물의 편평한 잎(flat leaves)은 어디에나 존재하지만, 왜 그렇게 되어있어야 했을까? 왜냐하면 편평한 잎 모양은 주어진 재료로 최대의 면적을 만들어낼 수 있어서, 최대의 햇빛에너지를 얻을 수 있기 때문이다. 햇빛은 식물생장에 필요한 탄수화물(전분과 당)을 생산하는 광합성(photosynthesis)에 있어서 필수적인 요소이다.

식물 잎의 편평함은 어디에서나 볼 수 있지만, 자세히 살펴보면 설명하기가 쉽지 않다. 식물생리학자들은 다음과 같이 지적하고 있었다. 

”잎의 중심 부위의 생장은 가장자리의 생장과 조화되어야만 하기 때문에, 평탄한 잎을 만드는 것은 곡면으로 된 잎을 만드는 것보다 더 어렵다.”[1]

실제로, 평탄한 잎은 매우 주의 깊게 조절된 생장과정의 결과이며, 과학자들은 그것이 유전자들에 의해 조절됨을 최근에 발견하였다.[2] 그래서 만약 잎의 생장이 적절히 조절되지 않는다면, 즉 유전적 돌연변이가 일어나 있는 식물에서는 어떤 일이 발생하게 될까? 그러한 식물들은 평탄한 잎을 가지지 못하며, 이상적인 ‘제로 곡률(평탄성)’과는 거리가 먼 곡면 잎을 가지게 되는 것이다. 예로써, 잎 가장자리 근처에 있는 세포들이 중앙에 있는 세포들보다 더 느리게 자라난다면, 그 잎은 컵 모양 같은 즉 ‘양의 가우스곡률’(positive Gaussian curvature)을 지닌 잎으로 끝난다. 반대로, 잎 가장자리 근처에 있는 세포들이 중앙 지역의 세포들보다 더 빠르게 자라난다면, 그 잎은 가장자리가 물결모양의 형태로 된, 승마안장과 비슷한 ‘음의 가우스 곡률’(negative Gaussian curvature)을 지닌 비틀린 잎이 될 것이다.

연구자들이 지적한 것처럼, 음의 곡률, 혹은 양의 곡률이 발생할 가능성이 훨씬 높은 것을 생각해볼 때, 잎의 제로곡률은 정말로 매우 놀라운 일이라는 것이다 :

”비록 그러한 잎의 평탄성은 종종 당연한 것으로 여기고 있음에도 불구하고, 우연히 이러한 평탄성이 생겨날 가능성은 매우 낮다. 왜냐하면 제로곡률보다는 음의 곡률, 혹은 양의 곡률을 취하기 위한 구조에는 매우 많은 방식들이 있기 때문이다”[2]

금어초(snapdragon) 잎의 생장을 자세히 살펴보면, 잎의 편평함을 만드는데 필요한 정교한 조절이 있음을 보여주고 있다. 새로운 잎이 나타날 때, 그들은 세포분열에 의해 확장된다. 즉, 각 세포는 분열하여 두 개의 새로운 세포를 만들고, 그것의 각각은 또 다시 두 개의 새로운 세포를 만들고, 이 일은 계속된다. 정상적인(즉 편평한) 잎에서는, 잎의 선단에 있는 세포들은 분열을 중지하고, 잎의 기저부에 있는 세포에 앞서서 성숙(분화)된다.

이제 연구자들은 본질적으로 금어초 잎의 선단에서 기저부를 따라 지나가는 ‘파동’ 혹은 ‘앞쪽 진행 정지’는 세포가 분열을 멈추고, 성숙 잎 세포로 분화되는 원인이 됨을 보여주었다. 그러나 이러한 파동이 일어나는 시점과 모양은 잎의 모양과 잎의 곡률에서 절대적으로 중요했다. 정상 잎에서 앞쪽 진행 정지는 볼록했고, 그것은 잎의 선단에서 일정한 거리를 두고 있었다. 그리고 잎 가장자리의 세포들은 잎 중앙의 세포에 앞서 분열을 멈추었고, 결과적으로 평탄한 제로곡률(그림 잎 A)을 가진 타원형 잎이 만들어진다.

.성장하는 잎의 아래쪽 부분의 앞쪽 진행 정지가 약하게 볼록일 때(잎 A), 타원형 잎의 마지막 모양은 ‘제로 가우스 곡률’을 나타낸다. 그러나 돌연변이체에서, 오목한 앞쪽 진행 정지는(잎 B) 잎의 가장자리에서 빠른 성장을 만들어서, 음의 곡률을 지닌 잎을 만든다. (Nath et al. 2003. 그림 4(E), 참조 2).
 
그러나 유전자에 돌연변이가 일어난 금어초 식물은, 그 앞쪽 정지가 오목했고, 정상적인 잎보다 느리게 점진적으로 분화되었다. 결과적으로, 금어초 돌연변이체에서, 잎 중앙의 세포들은 잎 가장자리 가까이의 세포들에 앞서 분열을 멈추었고, 가장자리에서 더 크게 생장하여, 결과적으로 음의 곡률을 지닌 넓적한 잎이 만들어진다.(잎 그림 ‘B').

동일한 문제가 곤충의 날개에도 적용될 수 있다. 분명히, 거기에도 많은 생장률의 조절이 있음에 분명하다. 그것은 쪼글쪼글한 날개가 생기는 돌연변이체에서 볼 수 있다. 마찬가지로 돌연변이들은 주름이 많은 날개를 가져올 수 있다. 그러나 곤충 날개의 평탄성은 공기역학적 비행에 필수적이기 때문에, 곤충에게서는 더욱더 중요하다.

편평한 잎을 만드는데 포함되는 모든 요인들을 고려해 볼 때, ”우연히 그것이 생겨날 수 있는 가능성은 극도로 낮다”[2]. 그렇다면 편평한 잎은 어디에서 왔을까? 신다윈주의자들은 몇몇 무작위적인 돌연변이들과 자연선택에 호소하려 할 것이다. 그러나 편평성(flatness)은 생장률에 있어 고도로 조율된 변화를 요구하기 때문에, 도킨스의 방식에서처럼, 단순히 돌연변이들의 누적 선택으로는 불가능하다. 만약 우연이나 누적선택이 아니라면, 로마서 1장 18~32절에서 말씀하고 있는 것처럼, 남아 있는 유일한 논리는 ‘설계(Design)’인 것이다.


References

1. McConnell, J.R. and Barton, M.K., Leaf development takes shape, Science 299(5611):1328–1329, 2003.
2. Nath, U., Crawford, B.C.W., Carpenter, R. and Coen, E., Genetic control of surface curvature, Science 299(5611):1404–1407, 2003.
(Available in Chinese (Simplified) and Chinese (Traditional)) 

 

출처 : Journal of Creation 19(1):8, April 2006
URL : http://creation.com/flat-leaves-a-curly-problem
번역자 : 문흥규

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