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극한의 추위에도 견딜 수 있도록 설계된 식물
: 수백의 유전자들이 온-오프 되며, 부동액이 만들어진다.
(Extreme Cold Can Be an Inconvenient Truth:
Botanical Design Ensures Plant Survival)
Jeffrey P. Tomkins

   최근 창조과학연구소(Institute for Creation Research, ICR)는 알래스카에 일부 부지를 확보했다. 이것은 극한의 기후에서 살아가고 있는 식물의 독특한 메커니즘을 연구하기 위해서이다. 실험을 위해 선발된 나무들은 흰색가문비나무, 오리나무, 미루나무, 자작나무, 버드나무 등으로, 이 나무들은 '탁월한' 지적설계의 산물로서, 식물의 독특하고 다양한 내한성 시스템을 연구할 수 있게 해주었다. 극한의 추위는 살아있는 유기체에 해로울 수 있기 때문에, 알래스카의 혹독한 겨울에 생존(심지어 번성하기 위해)하기 위해서는, 매우 뛰어난 프로그래밍이 요구된다.


 

실제 생태과학은 작동되고 있는 자연을 관찰해야 한다.

식물의 추위에 대한 순화(acclimation)와 저항성 과정에 대해 알려진 것이 많지만, 이 분야에서 수행된 연구의 대부분은 온대기후에 적응된 식물들, 이를테면 모델식물인 애기장대(Arabidopsis thaliana, 겨자 과의 작은 잡초식물)로 이루어졌다. 이러한 기초 연구들은 내한성 연구의 기초 자료가 되는 탁월한 유전적, 생리학적 데이터들을 제공해왔다.

그러나 ICR의 새로운 알래스카 부지에서 발견한 것처럼, 매우 극단적으로 추운 온도에서도 살아갈 수 있는 여러 식물 종들이 발견되었다. 그 식물에는 애기장대에 없던, 다른 특별한 내한성 메커니즘이 들어있었다. '남중부 알래스카' 지역에 위치한 이 특별한 지역은(앵커리지에서 멀지 않다) 아북극 기후, 또는 한대 기후의 범위 내에 있다. 이 지역은 겨울철 온도가 종종 -40℃ 아래로 떨어지는, 장기간(9 개월 동안)의 추운 겨울을 특징으로 하기 때문에, 내한성 식물 종의 연구에 이상적이다. 여름은 짧고 온화하며 기온이 26℃ 이상으로 올라갈 수 있지만, 밤에는 때때로 영하로 떨어지곤 한다.[1]


순화 과정은 초고도로 복잡한 과정이다.

추운 겨울의 온도에서 식물이 생존하기 위해서는, 먼저 순화과정(acclimation process)을 거치게 된다.[2] 식물의 내한성(cold tolerance)이 증가되는 것과 관련하여, 순화시기에 대부분 세포의 활성화가 일어난다. 순화는 겨울이 가까워지면서, 가을부터 서서히 온도를 낮추는 것으로 시작된다.

현대 유전체학에 기초한 연구 기술의 발달로 인해, 이제 과학자들은 한 번의 실험으로 수천 개의 유전자들과 그것의 작용을 연구할 수 있게 되었고, 추위와 같은 환경적 자극에 어떻게 반응하는 지를 연구할 수 있게 되었다. 이러한 연구들에 의하면, 식물의 저온 스트레스에 대한 전체적인 반응은 유전자 하위 그룹을 포함하여, 수백 가지 유전자들의 활동이 포함된다는 것을 보여주었다. 저온에 노출되는 동안 이 하위 그룹 유전자들은 다른 시간에서 모듈(modules) 또는 블록(blocks)의 스위치를 켜거나 끄는데, 이것은 온도 기반 스트레스에 대해 식물이 감지하고 있음을 가리키는 것이다. 게다가 더 작은 유전자 부분들이 저온 스트레스에 반응하여, 꺼지거나 또는 하향조절 되고 있었다. 이 모든 유전자들은 그들 내에 암호화된 단백질들의 기능에 따라 분류해보면, 매우 흥미롭고, 고도로 설계된, 정교한 그림이 만들어진다.

모델식물 종인 애기장대(thale cress)에서, 1주간의 시험 기간 동안 저온에 반응하여 적어도 306개의 서로 다른 유전자들이 저온과 관련 있는 것으로 나타났다.[3] 이들 유전자들 중 218개가 켜져서, 저온에 반응하여 활성화되었고, 88개는 꺼지거나 하향조절 되었다.


 

추위에 견디도록 식물에 들어있는 부동액
 
기능적으로 그룹화 된 유전자들의 스위치가 켜지는 것은, 극도로 추운 날씨에 식물의 생존에 유리하도록 해주는, 관측되는 세포의 반응과 잘 적합된다. 예를 들어, 세포 밖으로 액체의 펌핑이 증가되는 것과 같은, 꽤 많은 변화가 세포 사이의 공간에서 발생한다. 이것은 부동액의 특성을 제공하는 단백질과 분자들의 증가와 함께, 세포 내부보다는 세포 사이의 공간에서 얼음 결정(ice crystals)이 형성되는 원인이 된다. 만약 세포 내에 얼음 결정이 형성된다면, 그것은 커지고 팽창하면서, 세포가 파열되고, 결국 식물은 죽게 될 것이다.

또한, 다양한 스트레스 관련 단백질들이 추운 온도에 반응하여, 세포 내부에 축적되기 시작한다. 이 스트레스 반응 단백질들은 세포를 안정화시키는데 도움이 되는데, 일부는 DNA에 부착하는 유형이고, 다른 유형은 다양한 세포 단백질들에 부착하고, 또 다른 것들은 지질로 만들어진 세포막을 유지하고 보호하는데 도움을 주는 것들이다. 단백질의 다른 유형도 생산이 되는데, 이것은 식물에서 액체가 얼지 않도록 도움을 주는, 다양한 부동액(주로 당)을 생산하는 다양한 생화학적 경로를 형성하는 효소들이다. 이 부동액 화합물은 자동차 엔진에서 부동액이 작동하는 것과 같은 방식으로 작동한다. (사람이 자동차용 부동액을 발명하고 설치했을 때, 그들의 천재성에 찬사를 받았다. 그렇다면 이것보다 훨씬 복잡한 발명품들과 부동액을 설치하신 하나님께 그러한 찬사를 올려드려야 하지 않겠는가?)

더욱 흥미로운 사실은 순화과정에서 효율성이 관찰되고 있다는 것이다. 그것은 동일한 유전자들이 가뭄 스트레스 또는 물이 부족한 조건에서도 켜지며, 많은 단백질들을 만들어낸다는 것이다. 이것은 저온에 순화된 세포들은 낮은 수분 함량을 갖고 있기 때문으로, 세포액의 대부분이 세포 사이의 공간인 세포 밖으로 빠져나가기 때문이다. 이것은 세포 내에서 얼음 결정이 형성되는 것을 막는 데에 도움을 주는 한편, 수분함량의 감소는 가뭄조건과 마찬가지로 세포에 동일한 스트레스를 가하기 때문이다. 물론, 가뭄 스트레스를 받는 세포는 토양수분의 부족으로 인해 수분 함량이 감소된다. 따라서 스트레스와 관련된 동일한 유전자들의 상당수가 이 두(추위와 가뭄) 세포 순화과정에 이용되고 있었던 것이다.


비상 추위를 대비한 구급용 단백질

순화과정 동안에 다양한 종류의 단백질들이 생산될 뿐만 아니라, 다른 부류의 단백질도 또한 시간에 따라 즉각 반응하는 방식으로 만들어진다. 첫 번째 생산되는 그룹은 신속반응 단백질, 또는 일시적 부류의 단백질로 불리는 것들이다. 이들을 만드는 유전자는 추운 온도에 반응하여 즉각적으로 스위치가 켜지며, 구급차의 응급 구조팀이나, 건강상 응급상황처럼, 세포에 응급처치를 할 수 있는 단백질들을 만들어낸다.

이 유전자들은 저온 스트레스의 가장 미약한 신호에 대한, 최초 반응 파(wave)에도 스위치가 켜질 뿐만 아니라, 스트레스가 존재하는 한 활성화가 유지된다. 만약 저온 스트레스가 며칠 동안 지속된다면, 다른 그룹의 유전자들도 켜져서, 장기적인 세포 변화를 일으키고, 겨울 여러 달 동안에 걸쳐 내한성을 기른다. 사고/비상사태가 계속된다면, 이 유전자들은 환자가 병원에 ​​도착한 후 일어나는 일들의 유형을 나타냈는데, 환자는 돕는 의사들을 만나게 되고, 어떤 종류의 치료적 수술을 받고, 여러 약품들과 장비에 둘러싸여, 장기적으로 건강을 보장받는 것처럼 말이다.

(사시나무, 자작나무, 포플러 등이 포함되는) 낙엽송(larch)과 같은 아북극 지역의 식물에 대한 연구는 흥미진진한 초기 결과를 보여주었다.[4] 이 나무들은 앞에서 언급한 내한성 메커니즘의 기본적 반응을 갖고 있으면서, –51℃의 극한 온도에도 대응할 수 있는 추가적 기능을 갖고 있었다. 잠시 멈추어, 여름철에는 21~26℃까지, 겨울철에는 –18~-40℃에 이르는 엄청난 범위의 온도 적응을 하고 있는 생물체를 생각해 보라.


추위에 견딜 옷이 없을 때

물론 사람은 추운 환경에 반응하여, 두터운 옷과 방한 장비를 착용할 수 있지만, 식물은 그러한 옵션이 없다. 식물의 고도 내한성 시스템은 극도로 정교한 엔지니어링을 나타내며, 특별하게 조절되는 블록 및 시간 틀 안에서 함께 작동되는, 수백 가지의 일련의 복잡한 유전자들은 지적설계를 가리킨다. 생물학에서 관찰되는 다른 모든 생리학적 과정들과 마찬가지로, 돌연변이라는 방향도 없고, 계획도 없는, 무작위적인 과정을 통해서, 그러한 역동적이고 초고도로 복잡한 시스템이(특히 극한의 온도와 변동 하에서) 생겨났다는 것은 매우 우스꽝스러운 주장이다.[5]


References
1. For an introductory overview of these climatology concepts, see 'Subarctic climate' on wikipedia.org. For a more technical treatment and data archive, see National Climatic Data Center, a service of the National Oceanic and Atmospheric Administration, posted on ncdc.noaa.gov.
2. Thomashow, M. F. 1999. Plant Cold Acclimation: Freezing Tolerance Genes and Regulatory Mechanisms. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology. 50: 571-599.
3. Fowler, S. and M. F. Thomashow. 2002. Arabidopsis transcriptome profiling indicates that multiple regulatory pathways are activated during cold acclimation in addition to the CBF cold response pathway. The Plant Cell. 14 (8): 1675-1690.
4. Takata, N., J. Kasuga, D. Takezawa, K. Arakawa, and S. Fujikawa. 2007. Gene expression associated with increased supercooling capability in xylem parenchyma cells of larch (Larix kaemferi). Journal of Experimental Botany. 58 (13): 3731-3742.
5. Romans 1:18-21.

* Dr. Tomkins is Research Associate at the Institute for Creation Research.
Cite this article: Tomkins, J. 2010. Extreme Cold Can Be an Inconvenient Truth. Acts & Facts. 39 (3): 8-9.


URL : http://www.icr.org/article/extreme-cold-can-be-inconvenient-truth/
번역자 : 문흥규

관련 자료 링크:

1. 동물들이 혹한의 추위에도 견딜 수 있는 이유는? : 펭귄이 물에 젖어도 얼어붙지 않는 비밀이 밝혀지다. (How Animals Keep Warm in Freezing Wetness)
2. 추위를 견디는 개의 놀라운 발바닥 구조 (Why Dogs Don't Need Snow Boots)
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5. 생명체에 작용하는 동력학 법칙 Ⅱ
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60. 식물도 수학 계산을 한다. (Plants Do Arithmetic)
61. 광합성의 양자 비밀이 밝혀졌다. (Quantum Secret of Photosynthesis Revealed)
62. 식물은 땅속의 ‘곰팡이 인터넷’을 사용하여 통신을 한다. (Plants Use Underground 'Fungal Internet' to Communicate)
63. 식물의 보이지 않는 영향이 밝혀지고 있다. (Invisible Influence of Plants Coming to Light)
64. 식물이 전기 신호를 보내고 있다는 충격적 증거! (Shocking Evidence of Electrical Signals in Plants)
65. 식물을 사랑해야 될 더 많은 이유들 (More Reasons to Love Plants)
66. 전기 발생 생물에 대한 놀라운 사실들 (Shocking Facts About Electric Life)
67. 파동 성장을 하는 식물 (Pulsating plants)
68. 편평한 식물 잎에 숨어있는 놀라운 설계 (Flat leaves—a curly problem)
69. 풀산딸나무 화분의 경이로운 폭발! : 투석기와 유사한 발사 장치는 설계를 가리킨다. (Bunchberry bang!)
70. 새로운 잡종 무의 출현은 유전정보의 획득과는 전혀 상관없는 변화이다! (Rampaging Radishes)
71. 녹색 파워 광합성 : 경이로운 식물의 태양광 발전소 (Green power (photosynthesis) God’s solar power plants amaze chemists)
72. 씨앗의 경이로움 : 작은 꾸러미는 하나님의 작품임을 증명하고 있다. (Sensational Seeds: compact packages attest to God’s handiwork)
73. 나무의 기원 (The Origin of Trees)
74. 사막의 미스터리한 식물 : 살아있는 화석 웰위치아 (Mystery Plant of the Desert)
75. 생물권 전역에서 공학적 설계가 발견되고 있다. : 생체모방공학의 계속되는 행진 (Engineering Designs Found Throughout the Biosphere)
76. 식물도 눈을 가지고 있다. (Even the Plants Have Eyes)
77. 태초에 창조된 식용 채소의 “종류”에 대한 현대 분류학적 검토 (A View on “KINDS” of Food Vegetables Created in Genesis Compared to the Modern Binomial Classification System)
78. 진화론을 거부하는 규조류 : 정교한 구조와 다양한 아름다움을 가진 경이로운 생물. (Homage to Diatoms)
79. 똑똑한 클로버 : 진화의 증거인가? (Clever Clover: Evidence for Evolution?)
80. 카페인 : 수렴진화된 것인가, 창조된 것인가? (Caffeine: Convergently Evolved or Creatively Provided)
81. 나무는 정말로 “보기에 좋도록” 창조되었다. (Trees Really Are 'Pleasant to the Sight')
82. 식물에 내장되어 있는 광합성 조절 스위치 (Plants' Built-in Photosynthesis Accelerators)
83. 계속 밝혀지고 있는 식물의 고도 복잡성 : 식물의 썬크림, 광 스위치, 변태, 미생물과의 공생 (Plants Are Clever 1)
84. 식물의 진화 연구는 실패를 거듭하고 있다. (Plants Are Clever 2)
85. 식물에서 인트라넷이 작동되고 있었다. : 식물 내의 정교한 통신 시스템은 진화론을 거부한다. (Plant Intranet Seen in Action)
86. 식물이 씨앗을 퍼뜨리는 놀라운 방법들 (Plants Borrow Their Transportation)
87. 낭상엽 식물은 박쥐를 유인하도록 설계되어 있었다. (Pitcher Plants Designed to Attract Bats)
88. 사막에서 화려하게 피어난 꽃들 (Dry Desert Explodes in Color)
89. 식물의 그늘 감지 센서와 토양 두께 측정기. (Plant Brains Solve Problems)
90. 해바라기의 해굽성은 아직도 미스터리이다. (Sunflower Motion Is a Black Box)
91. 꽃들은 벌을 위한 ‘전기적 착륙유도등’을 켜고 있었다. (Flowers Create ‘Electric Landing Lights’ for Bees)
92. 도시의 나무들은 창조를 가리킨다. (Urban Trees Point to Creation)
93. 다목적의 식물 센서는 과학자들을 당황시키고 있다 : 빛을 감지하는 파이토크롬 단백질은 온도도 감지한다. (Multipurpose Plant Sensors Startle Scientists)
94. 기적의 식물인 모링가 나무는 제3세계의 식량과 연료가 될 수 있다. (Miracle Tree Could Feed and Fuel Third World)
95. 식물에서 이메일 시스템이 확인되었다! : 이러한 고도의 복잡성은 진화론을 부정한다. (Plant Email System Described)
96. 식물은 정교한 이메일 시스템을 사용하고 있다. : 식물의 극도로 복잡한 정보전달 시스템이 우연히? (Plants Use Elaborate Email System)
97. 식물은 사람에게 설계를 가르치고 있다. : 리그닌, 교통 통제, 빛을 수확하는 놀라운 방법들. (Plants Teach Humans About Design)
98. 열대우림의 나무들은 질소고정을 위해 협력하고 있었다. (New found Nitrogen Harmony Saves Tropical Forest Trees)
99. 식물의 복잡성은 창조주의 경이로운 설계를 드러내고 있다! (Complex Plant Systems: Rooted in God's Genius)
 
 
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