식물이 미적분을 한다. : 창조 설계-식물 [한국창조과학회 자료실]

식물이 미적분을 한다.

미디어위원회

2023-11-05

식물이 미적분을 한다.

(Plants Do Calculus)

David F. Coppedge

토양에서 나오는 단순한 새싹은 시간이 지남에 따라 여러 동적 신호들을 더하고 빼고 통합할 수 있다.

풀의 씨앗(grass seed)에서 나오는 자엽초(子葉鞘, coleoptile)라 불리는 최초 떡잎(seed leaf)은 수학적 천재이다. 그것은 온도, 바람, 중력, 수분 등 끊임없이 변화하는 신호에 직면하여, 똑바로 위로 성장하는 데 필요한 정보를 계산한다. 텔아비브 대학의 두 생물학자는 이 작은 식물이 뇌나 중추신경계가 없음에도, 이러한 놀라운 일을 수행한다는 것을 알고 이를 역설계하였다. 그들은 식물이 산수(arithmetic)를 할 수 있을 뿐만 아니라(2013. 6. 23), 미적분(calculus)도 할 수 있다는 사실을 발견했다.

식물은 다른 시간대에서 자극을 더하고 뺀다(Mathieu Rivière and Yasmine Meroz, PNAS, 2023. 10. 10). 이 과학 논문을 진화론 없이 언뜻 살펴보면, 미분방정식, 적분, 미분을 보여주고 있다. 논문 제목에는 덧셈과 뺄셈이 언급되어 있지만, 여러 입력 신호들을 시간에 따른 변화 방식으로 통합하는 능력은 미적분의 작업이다. 밀(wheat) 씨앗의 발아 과정을 이용한 측정 및 실험에 대한 저자의 설명은 다음과 같다 :

식물은 뇌나 신경계 없이 고착된 상태에서 분산된 시스템으로 살아가고 있다. 식물이 외부 자극들을 어떻게 정량화하는지에 대해서는 알려진 바가 거의 없다. 우리는 밀 자엽초의 중력 반응이 이전 자극의 존재에 의존하는지를 실험적으로 조사하여, 자엽초가 시간의 흐름에 따라 여러 자극들을 통합하는 방법을 밝혀냈다. 우리는 식물이 자극의 합계뿐만 아니라, 다양한 시간 척도에 걸쳐 자극 간의 차이에도 효과적으로 반응한다는 정량적 증거를 보고한다. 이 발견은 식물이 어떻게 그들의 환경을 극복하는지 그 방법을 이해할 수 있도록 한다. 왜냐하면 생물에서 시간이 지남에 따라 자극을 빼는 능력은 신호를 비교하는 데 있어서 중요하고, 탐지 및 능동적 감지의 기초가 되기 때문이다.

뇌가 없는 작은 새싹이 시간이 지남에 따라 값을 더하고, 빼고, 비교하며, 능동적 감각으로 탐지할 수 있다고? 누가 그런 일을 하도록 가르쳤는가? 이것이 끝이 아니라, 더 있다. 이 계산기에는 메모리 기능까지 있다.

우리는 자엽초가 덧셈뿐만 아니라, 다른 시간 척도에 따른 자극 간의 차이에도 반응한다는 것을 정량적으로 보여 주며, 식물이 탐색 및 조절 과정에 중요한 자극을 비교할 수 있다는 증거를 제시한다. 이러한 시간 척도는 밀 자엽초의 중력 반응에서 관찰된 진동과도 일치하는데, 이는 새싹이 자세 제어와 감지 능력을 향상시키기 위해 기억과 움직임을 결합할 수 있음을 시사한다.

뇌가 없는데, 이 기억은 어디에 들어있는 것일까? 보잘것없는 작은 씨앗에서 기억력을 가진 일종의 계산기(calculator)를 발견한 것에 대한 경이로움이 난해한 용어들 때문에 줄어들지 않도록 하라. 저자들은 정량적인 결과를 통해, 그 존재를 증명했다 :

여기서 메모리 커널(memory kernel)은 굴중성(gravitropic) 반응의 기반이 되는 확률적 계층 과정의 동역학을 나타낸다. 이것은 중력감지 세포의 평형석(statolith) 침강과 그에 따른 PIN 단백질과 성장호르몬 옥신(auxin)의 비대칭 재분배와 같은, 현재 잘 알려지지 않은 과정에 의한다. 굴성(tropic) 반응을 모델링하기 위해 반응 이론 접근법을 채택한 이전 연구에서는 임의 형태의 메모리 커널을 가정하고, 이 모델이 제한된 시간 척도에 걸쳐 여러 자극들의 시간적 통합에 대한 관찰을 정성적으로 재현하는 것으로 나타났다. 하지만, 정량적 예측을 할 수 없었으며, 일시적 자극에서 관찰되는 부정적 반응을 긴 시간 동안 갖고 있는 것을 설명할 수 없었다. 감각 정보를 정량화하고, 처리하는 식물의 계산 능력에 대한 정량적 그림을 얻으려면, 메모리 커널의 수학적 형태를 추출해야 한다.

... 실험과 측정을 통해, 그들은 기억이 어떻게 작동하는지 알아내기 위한 연구를 진행했다.

따라서 이 연구의 첫 번째 단계에서는 자극의 역사에 대한 중력 반응의 의존성을 조사하여, 메모리 커널을 추출하고자 했다. 이를 위해 밀 자엽초를 일시적인 중력 자극 프로토콜에 노출시켰다. 자엽초는 자극 지속 시간 동안 수직으로 기울어진 플랫폼에 수평적으로 놓인 다음, 다시 수직으로 회전시켰다(그림 1B에 개략적으로 표시됨). 우리는 자극 지속 시간의 다른 값에 대한 자엽초의 중력 반응을 기록했다...

6분(반응을 목격하는 데 필요한 최소 시간)에서 10시간까지 회전의 효과가 측정되었다. 수학 마니아라면, 식물이 미적분을 수행한다는 것에 흥미를 느낄 것이다. 다음은 연구자들이 발견한 내용을 요약한 것이다 :

이러한 연구 결과를 종합하면, 식물은 다양한 시간대에 걸쳐 자극의 합과 차이에 반응한다는 정량적 증거를 일반적인 수학적 틀 안에서 확인할 수 있었다. 이러한 계산 과정은 다양한 생물학적 유기체에서 공통적으로 나타나는 자연 탐색 알고리즘의 기본 요소로 파악될 수 있다. 신호 처리 또는 제어 이론의 맥락에서, 메모리 커널은 일종의 대역필터(band-pass filter, 특정 주파수 사이의 신호만 통과시키는 필터)로 해석될 수 있다. 자극의 합은 사실상 이동평균으로, 환경 신호의 신호 대 잡음비를 개선한다. 식물에서는 이전에 보고된 적이 없는 자극의 감산은 시간 경과에 따른 신호를 비교하기 위해 필요하며, 이는 다양한 생물체가 신호 기울기를 감지하고, 상승하기 위해 일반적으로 사용하는 전략이다...

밀 자엽초의 굴중성 재배향(gravitropic reorientation)에서 관찰된 진동은 자세 제어의 조절 속도를 높이는 것으로 추측되었다... 이러한 맥락에서 우리의 연구 결과는 새싹이 진동 또는 회선운동(circumnutation) 기간의 양쪽에서 감지된 기관의 상대적 경사를 비교하여, 자세 제어 조절을 향상시키거나, 측정된 빛의 강도를 비교하여 빛의 기울기를 동등하게 감지할 수 있음을 시사한다. 또한 식물이 자극을 통합하는 능력이 다양한 종과 굴성(tropisms)에서 관찰되었으므로, 이러한 계산 능력이 일반적일 수 있음을 시사한다.

종합하면, 이 연구는 식물이 약한 신호와 변화하는 환경에서 움직임 제어 및 감지 능력을 향상시키기 위해, 기억과 움직임을 결합하는 방법을 이해하는 배경을 제공한다.

.활엽수(왼쪽)와 풀(grass, 오른쪽)의 새싹이 돋아나는 모습. <Credit: State of Nevada>.

이는 이전에는 보고되지 않았던 식물의 놀라운 능력으로, 모든 유기체의 일반적인 능력인 것으로도 보인다는 것이다. 실제로 연구팀은 박테리아도 유사한 알고리즘을 사용하여 화학적 구배를 감지하고 나아간다는 다른 연구 결과를 인용하고 있었다.

이 모든 것은 보잘것없는 씨앗에서 새로운 세상으로 처음 나오는 작은 녹색 떡잎에서 이루어지고 있는 일인 것이다.

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우리는 논리적 결론과 수학적 분석을 통해 엄격하게 수행되는, 진화론이 배제된 과학을 보고 싶다. 이것은 중학교 때 콩나물이 빛을 향해 구부러지는 실험을 훨씬 뛰어넘는 것이다. 식물이 미적분을 수행한다고? 와우! 이러한 능력이 무작위적 돌연변이로 우연히 생겨났을까? 아니다. 이는 이것을 장착시켜놓은 지성을 가리키는 것이다. 생물들을 창조하신 창조주의 지혜는 놀랍다. 그분은 자신이 창조하신 모든 만물에 자신의 지혜를 심어두셨다. 우리는 그분께 겸손한 마음으로 경배와 감사를 드려야 한다.

*참조 : 식물도 수학 계산을 한다.

https://creation.kr/Plants/?idx=1291406&bmode=view

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