[TED] 식물을 통해 익히는 재미있는 두뇌과학 (한영 자막)

저는 신경과학자이자 ‘백야드 브레인스’의 공동 대표를 맡고 있습니다.

저희의 임무는 차세대 신경 과학자들을 길러내는 것인데요

대학원에서 사용하는 수준의 신경 과학 연구 장비를 중고등학교 아이들이 이용할 수 있게끔 돕는 일을 하고 있습니다.

 

저희의 직접 교실로 찾아가 굉장히 무거운 주제인 ‘뇌’와 관련하여 학생들의 흥미를 유발하기 위해 ‘신경과학’과 관련된 굉장히 간단한 질문을 던집니다.

바로 ‘뇌를 가지고 있는 건 무엇일까?’ 라는 질문이죠.

 

이 질문에 학생들은 즉각적으로 자신들이 키우는 고양이나 강아지라고 대답합니다.

또는 쥐 혹은 작은 벌레라고 대답하는 친구들도 있습니다.

하지만 식물이나 나무, 또는 관목 등에 뇌가 있다고 대답하는 학생들은 없습니다.

 

그러면 저희는 학생들을 좀 더 밀어 붙이는데요

왜냐하면 이 질문을 통해 학생들에게 뇌의 작용원리를 설명하기가 유리하기 때문입니다.

아무튼 학생들에게 다음과 같은 질문을 합니다.

 

‘살아 있는 것들 중에 뇌의 유무를 나누는 기준은 무엇일까?’ 라고 말입니다.

그러면 몇몇 학생들은 “움직이는 것은 뇌가 있죠” 라고 본인들이 스스로 정의를 해 보고 답합니다.

 

사실 이게 정답입니다.

우리의 신경계를 살펴보면 전지를 사용하였기 때문에 진화할 수 있었는데요

신경계는 신호를 빠른 속도로 전달하기 때문에 우리는 바깥 세계의 자극에 즉각 반응하고, 필요하다면 움직일 수도 있는 거죠.

 

그러면 다시 아까 그 학생의 답변으로 돌아가서

“식물은 뇌가 없는데 움직이잖아!” 라고 되물을 수 있습니다.

식물을 키워 보신 분들은 아실 겁니다.

식물이 태양쪽을 향해 움직인다는 사실을 말이죠.

 

이렇게 말하면 학생들은

“근데 그건 느린 움직임이잖아요. 그러니까 그건 아니죠.

그건 그냥 화학 작용일 수도 있구요” 라고요.

 

그렇다면 빠르게 움직이는 식물의 경우는 어떻게 봐야 하죠?

1760년도에 노스캐롤라이나 주의 주지사였던 ‘아서 답스’는 굉장히 흥미로운 발견을 하게 됩니다.

 

그는 자기 집 뒤편의 습지에서 식물을 하나 발견 했는데요

이 식물은 곤충이 트랩(잎) 사이로 안착하면 항상 닫힌다는 사실을 발견하게 됩니다.

그는 이 식물을 파리지옥이라고 불렀습니다.

 

파리지옥은 10년도 채 안 되는 시간에 유럽으로 퍼졌고, 결국 그 유명한 ‘찰스 다윈’까지 이 식물을 연구하게 됩니다.

그리고 찰스 다윈은 이 식물에 매혹되어 버립니다.

다윈은 이 식물을 일컬어 ‘세계에서 가장 멋진 식물이’라고 불렀습니다.

이 식물 이야말로 진화의 기적을 보여주는 것이었기 때문입니다.

이 식물은 굉장히 빨리 움직였는데 이는 굉장히 희귀한 케이스였고

식충성(곤충을 먹이로 하는 식물)을 띄고 있었는데 이 또한 굉장히 희귀한 특징이었습니다.

 

그런데 제가 오늘 이 자리에서 말씀드리고 싶은 건 파리지옥은 이보다 더 굉장한 능력이 있다는 사실입니다.

이 식물의 가장 놀라운 점은 바로 숫자를 셀 수 있다는 것입니다.

 

자, 그럼 이제 말은 좀 줄이고 직접 보여 드리겠습니다.

제가 학생들을 만나 실제로 하는 것과 똑같이 보여 드리겠습니다.

지금부터 우리는 ‘전기 생리학’과 관련된 실험을 할 겁니다.

 

우리 몸의 신경세포와 근육으로부터 나오는 전기 신호를 기록하는 건데요

이렇게 전극을 감지하는 기기를 팔목에 부착합니다.

그리고 연결하면 스크린을 통해 시그널을 확인할 수 있는데요

 

‘이 시그널 어디서 본 것 같은데?’ 하는 분들이 계실 거예요.

이를 ‘EKG’ 또는 ‘심전도’라고 부릅니다.

지금 보시는 건 제 심장의 뉴런(신경세포)에서 보내는 신호인데요

지금 제 심장에서 활동전위를 발사하고 있는 겁니다.

이때 ‘전위’는 전류를 뜻하고요, ‘활동’은 위아래로 활발하게 운동하는 걸 말합니다.

즉, 제 심장에서 일어나는 활동전위를 이 시그널을 통해 보고 계신 겁니다.

 

자 그러면, 지금 보여지는 이 시그널의 형태를 잘 기억해 주세요.

왜냐하면 이 시그널이 오늘 강연의 핵심이기 때문입니다.

이게 바로 우리 뇌가 정보를 ‘활동전위’의 형태로 암호화 하는 방식입니다.

 

자, 그럼 이제 여기 있는 식물을 한번 살펴볼까요?

먼저 제가 소개해 드릴 식물은 미모사입니다.

칵테일 미소사랑 이름이 같죠.

아무튼 중앙아메리카와 남아메리카 지역에서 발견되는 미모사 푸디카는

몇 가지 습성을 가지고 있습니다.

 

그러면 제가 첫 번째로 보여드릴 습성은

바로 제가 이 잎사귀를 건드리면 잎이 위로 오므라든다는 것입니다.

그리고 두 번째 습성은

이렇게 잎 전체 부분을 쳐주면 잎사귀 전체가 숙이게 되는 것입니다.

왜 이러는 걸까요?

 

과학적으로 입증된 것은 아니지만, 예측 가능한 이유 중 하나는 아마 곤충들을 겁주기 위해서 거나,

혹은 초식동물에게 안 뜯어 먹히기 위한 습성이 아닐까 짐작 할 뿐입니다.

그런데 어떻게 이런 습성을 보이는 걸까요?

이 부분이 사실 굉장히 흥미로운데요

실험을 통해 함께 알아보겠습니다.

 

그럼 이제 어떻게 할 거냐,

방금 전에 제가 제 몸의 활동전위를 기록했던 것과 같은 방식으로

미모사의 활동전위를 한 번 스크린을 통해 확인해 보겠습니다.

 

그러면 이제 제가 할 일은...

보시면 줄기 사이사이로 전선이 보이실 겁니다.

제가 이 접지전극을 어디에 매설했죠?

그렇죠, 흙 밑이죠

죄송합니다. 전기 공학자들은 이러고 놉니다.

아무튼 그래서 여기 잎사귀를 한 번 쳐 보겠습니다.

 

여러분께서는 스크린의 시그널에 집중해 주세요. 이를 통해 식물의 내부를 살펴보자구요.

우와, 엄청 크게 반응해서 화면 밖으로까지 뻗었네요.

자 그럼 이게 무엇이었죠?

바로 식물 안에서 일어나는 활동전위인데요

왜 이런 반응이 나타난 걸까요?

그건 바로 미모사가 움직이고 싶어 했기 때문입니다.

 

제가 미모사의 촉각 수용체를 건드렸더니, 미모사는 전류를 줄기의 끝자락으로 쏘아서 움직이게 한 겁니다.

우리 인간은 팔 안의 근육을 이용해 움직이지만 식물은 근육이 없으니까요.

그 대신 식물의 내부는 수분으로 가득 차 있는데요

여기에 전류가 흐르게 되면 세포가 활짝 열려서 수분을 방출하여

세포의 모양이 변화를 주게 되고, 그래서 줄기가 고개를 숙이게 된 겁니다.

 

좋습니다.

방금 우리는 활동전위의 형태로 정보를 코드화 해서 식물이 움직이는 걸 보았습니다.

그런데 여기서 멈추지 말고 조금 더 나아가 살펴볼까요?

 

자 여기 보시면 우리에게 친숙한 파리지옥이 있습니다.

파리지옥 잎 안에 파리가 안착하면 어떤 일이 일어나는 지 한 번 살펴보겠습니다.

그러면 제가 파리 역할을 해보죠.

여기 파리지옥이 있습니다.

잎 안을 보시면 양 쪽에 3개의 가는 털이 있는 걸 보실 수 있습니다.

이를 자극털이라고 하는데요

여기에 파리가 닿게 됩니다. 이 자극털 중 하나를 건드려 보겠습니다.

 

준비 되셨죠? 하나, 둘, 셋.

무슨 일이 일어났죠?

활동전위가 아름다운 포물선으로 나타났네요.

그런데 파리지옥이 닫히지 않았습니다.

이를 이해하기 위해 파리지옥의 습성에 대해 조금 더 살펴보겠습니다.

 

우선, 파리지옥이 트랩을 닫았다가 다시 열기까지 굉장히 많은 시간이 소비됩니다.

대락 24시간~ 48시간까지 걸리는데요

만약에 트랩 안에 파리가 없다면 엄청난 에너지 손실이겠죠?

 

그리고 두 번째로 파리지옥은 사실 1년 내내 파리를 그렇게 많이 섭취할 필요가 없습니다.

아주 조금만 섭취하면 됩니다.

왜냐하면 대부분의 에너지는 태양으로부터 얻고

나머지 영양분을 파리로 섭취하기 때문이죠.

 

그리고 마지막으로, 파리지옥이 실제로 여생동안 트랩을 열고 닫는 횟수가 극히 드물다는 점 인데요.

따라서 파리지옥 입장에서는 파리가 들어왔다는 확신이 있어야만 닫는 것이지요.

 

그렇다면 파리지옥은 파리가 덫에 걸려들었는지 어떻게 아는 걸까요?

파리지옥은 실제로 초를 세서 이를 파악합니다.

털에 연속적인 터치가 가해지는 걸 통해 말이죠.

 

따라서 실제로 파리가 트랩 안으로 들어와 첫 활동전위를 내보낸 뒤 초를 세기 시작할 확률이 높습니다.

그렇게 하나, 둘부터 해서 20까지 셌는데 그 안에 활동전위가 또다시 나타나지 않는다면

트랩은 닫히지 않습니다.

하지만 그 사이에 활동전위가 다시 나타나면 파리지옥은 트랩을 닫습니다.

 

자, 그럼 다시 돌아가서 제가 파리지옥 털을 건드려 보겠습니다.

조금 전에 제가 건드리고 말하느라 20초가 훌쩍 지났으니까요.

자 그럼 제가 털을 두 번째로 건드리면 무슨 일이 나타나는 지 봐 주세요.

 

지금 두 번째 활동전위가 시그널을 통해 나타났습니다.

하지만 여전히 트랩은 닫히지 않습니다.

자 이제 다시 들어가서 파리가 날아다니다가 털을 몇 번 건드리는 것 같은 효과를 내 보겠습니다.

털을 연속으로 몇 번 건드려 보겠습니다.

그러자 즉시 트랩이 닫히네요.

 

보신 바와 같이 파리지옥은 실제로 계산을 하고 있는 것을 확인할 수 있었습니다.

스스로 트랩 안에 파리가 있는지를 판단해서 닫은 것이니까요.

 

자 그러면 여기서 우리가 처음에 던졌던 질문으로 돌아가 볼까요?

식물은 뇌가 있는가?

물론 없습니다. 뇌가 어디 있습니까? 이 식물 안에?

축색돌기도 없고 뉴런도 없습니다.

식물은 우울증에 걸리지 않습니다.

운동경기 결과를 궁금해 하지도 않으며, 자아실현과 같은 문제를 고민 하지도 않으니까요.

 

하지만 식물이 우리와 굉장히 유사한 점이 하나 있는데요

그런 바로 전기를 통해 의사소통을 하는 것입니다.

물론 이온이 우리와 약간 차이가 있긴 하지만 작용원리를 똑같다고 보시면 됩니다.

 

끝으로 여러분께 활동전위의 흔한 성질 하나만 소개해 드리겠습니다.

조금 전에 파리지옥과 미모사에서 활동전위를 확인할 수 있었죠?

심지어 저를 통해 인간의 활동전위도 확인 하셨습니다.

 

이게 바로 두뇌의 누런(신경세포)인데요

바로 뇌가 정보를 처리하는 방식입니다.

자, 그럼 이를 통해 우리가 할 수 있는 건, 이 활동전위를 이용하여

식물과 식물 간의 정보를 전달하는 것입니다.

 

이건 저희가 발명한 식물과 식물 간의 의사 전달 장치입니다.

이제 우리는 완전히 새로운 실험을 할 겁니다.

 

먼저 파리지옥의 활동전위를 기록한 뒤

이를 민감한 반응을 보이는 미모사에 전해 보겠습니다.

그 전에 아까 저희가 했던 실험을 상기 해보시면

미모사를 건드렸을 때 어떻게 반응 했었죠?

 

촉각 수용체가 반응하여 활동전위의 형태로 정보를 흘렸었죠.

그러면 우리가 파리지옥의 활동전위를 미모사에게 전달할 수 있다면 어떻게 될까요?

제가 실제로 미모사를 건드리지 않아도 미모사의 잎은 좀 전과 같이 말리겠죠?

그럼 이제 직접 보여 드리겠습니다.

 

제가 파리지옥의 털을 건드려서 미모사에게 자극을 줘 보겠습니다.

식물 하나를 건드려서 다른 식물에게 정보를 보내는 겁니다.

 

보셨나요?

오늘 이 실험을 통해 여러분께서 식물에 대해 조금 더 알아 가시는 계기가 되셨으면 좋겠고

이 뿐 아니라 식물이 어린 학생들에게 신경 과학을 학습하는 데 도움을 주고 있으며

나아가 이들이 신경혁명을 이끌 수 있도록 이바지 하고 있다는 점도 알아주셨으면 좋겠습니다.