식물들이 햇빛이 없는 밤이나 어두운 곳에서도 자라나기 위해 뻗어 나가는 방향을 결정하는 생체 시계가 따로 존재할까요

Question

낮과 밤의 주기에 맞춰 잎을 닫거나 여는 식물들의 일주기 리듬을 살펴보면 인간처럼 몸 안에 정교한 생체 시계를 가지고 있는 것 같은 느낌을 받게 되는데요. 식물이 태양의 빛이나 주변 온도의 변화를 감지하지 못하는 깜깜한 암실 속에 두어도 정해진 시간에 맞춰 생체 리듬을 유지할 수 있는 유전적 조절 장치가 정말 따로 있는 것일까요.

Answer 1

식물에게는 외부 자극이 차단된 암실 속에서도 스스로 시간을 측정하고 방향을 잡는 유전적 조절 장치와 센서가 존재합니다.

세포 내부에는 생체 시계 유전자 회로(CCA1, TOC1 등)가 존재하여 약 24시간 주기의 음성 피드백 루프를 형성합니다.

이 유전자 태엽 덕분에 암실에서도 아침과 밤을 스스로 인식하며 잎을 펼치고 접는 일주기 리듬을 유지하는 것입니다.

한편, 어둠 속에서 자라날 방향을 잡는 데는 지구의 중력을 지표로 활용하는데, 뿌리와 줄기 세포 내부의 평형석(녹말체)이 중력 방향인 아래로 가라앉으면, 세포가 이 기울어짐을 감지하는 것입니다.

이후 성장 호르몬인 옥신이 불균등하게 재배치되면서 줄기는 위쪽으로, 뿌리는 아래쪽으로 뻗어나갑니다.

결론적으로 식물은 눈이나 뇌가 없어도 세포 속 유전자 시계로 시간을, 중력 센서로 방향을 잡으며 암실에서도 자랄 수 있는 것입니다.

Answer 2

안녕하세요. 질문해주신 식물이 어두운 곳에서도 성장 방향을 결정하는 원리는 생체 시계 하나만으로 설명되지는 않습니다. 식물의 줄기와 뿌리가 어느 방향으로 뻗어 나가는지는 중력굴성과 굴광성이라는 두 가지 반응이 함께 관여하는데요, 우선 줄기는 일반적으로 중력 반대 방향으로 자라려는 음성 중력굴성을 보이고, 뿌리는 중력 방향으로 자라려는 양성 중력굴성을 나타냅니다. 빛이 있는 환경에서는 줄기가 빛을 향해 휘는 굴광성도 나타나지만, 어두운 곳에서도 중력을 감지하여 성장 방향을 조절할 수 있습니다.

한편 식물의 생체 시계는 성장 속도와 호르몬 작용, 유전자 발현을 시간대에 맞춰 조절하는데요, 애기장대 연구에서는 생체 시계가 성장에 영향을 주어 밤이나 새벽에 성장 속도가 달라질 수 있다는 사실이 확인되었습니다. 다만 생체 시계가 식물의 모든 성장 방향을 직접 결정하는 것은 아니며, 중력과 빛을 감지하는 신호 체계가 함께 작용합니다. 따라서 완전히 어두운 암실에서도 식물은 일정 기간 일주기 리듬을 유지할 수 있지만, 빛과 온도 같은 외부 신호가 없으면 시간이 지나면서 내부 시계가 환경 주기와 어긋날 수 있습니다. 즉 식물은 인간처럼 뇌에 시계가 있는 것은 아니지만, 세포 내부의 유전자와 단백질이 상호작용하는 정교한 생체 시계를 가지고 있으며, 이 시계와 중력과 빛 감지 체계가 협력하여 식물의 성장과 생존을 조절한다고 보시면 되겠습니다. 감사합니다.

Answer 3

안녕하세요, 냉철한라마35님. 이중철 전문가입니다.

먼저, 식물은 빛과 온도가 차단된 완전한 암실 속에서도 약 24시간 주기를 스스로 유지하는 정교한 유전적 생체 시계를 몸속에 지니고 있으며, 어둠 속에서는 중력을 감지하는 굴중성과 생체 시계에 맞춘 호르몬 조절을 결합하여 자라날 방향과 성장 속도를 결정한답니다.

■ 유전자 피드백 회로가 작동시키는 내인성 생체 시계

​식물의 세포 안에는 아침에 활성화되는 유전자와 밤에 발현되는 유전자가 서로를 억제하고 촉진하는 음성 피드백 회로가 구축되어 있습니다. 빛을 전혀 받지 못하는 깜깜한 암실에 두더라도 이 유전적 시계 단백질들이 약 24시간 주기로 맞물려 순환하는데요. 이를 내인성 리듬이라고 부르며, 외부의 햇빛이나 온도 변화가 없어도 정해진 시각에 잎을 펴거나 접고 기공을 여닫는 등 일정한 생체 주기를 자율적으로 이어갑니다.

​■ 중력 감지와 옥신 호르몬을 통한 어둠 속 생장 조절

​빛이 없는 어둠 속에서 자라날 때 뻗어 나갈 방향을 결정하는 핵심 기준은 바로 중력입니다. 줄기와 뿌리 세포 속에는 녹말 알갱이인 평형석이 들어있어 중력 방향으로 가라앉으며 위아래를 감지하는데요. ​식물은 이 신호를 바탕으로 뿌리는 땅속으로 내리고 줄기는 중력 반대 방향인 위쪽으로 밀어 올리는 음성 굴중성을 발휘합니다. 여기에 생체 시계가 결합하여 세포를 늘려주는 옥신 호르몬의 분비와 반응성을 새벽 시간에 집중시키는데요. 어둠 속에서도 빛이 비칠 아침을 미리 예측하여 에너지를 아끼고 가장 효율적인 타이밍에 줄기를 위로 뻗어 올리는 것이랍니다.

​정리하자면,

식물은 유전자 피드백 회로로 움직이는 자율적인 생체 시계를 통해 암실에서도 24시간 리듬을 유지하며, 중력 감지 기관과 결합하여 새벽 무렵 옥신 호르몬을 집중 분비함으로써 어둠 속에서도 정확히 위쪽을 향해 뻗어 나갈 수 있답니다.

※ 질문자님을 포함하여 소중한 분들의 건강, 재산과 안전을 지키고, 혹시나 발생할 수 있을 다양한 문제 상황에 놓이지 않기 위해서라도 저를 포함하여 다양한 토픽에서 활동하는 모든 전문가분들의 아하 지식커뮤니티에서의 답변은 예외 없이 참고 용도로만 유용하게 활용하시기 바랍니다.😉

Answer 4

안녕하세요. 임형준 수의사입니다.

네, 식물에도 유전적으로 조절되는 일주기 생체시계가 있습니다. 빛이나 온도 변화가 없어도 약 24시간 주기로 잎의 움직임, 기공 개폐 호르몬과 유전자 발현이 반복될 수 있습니다. 다만 줄기가 뻗는 방향 자체는 생체시계 뿐 아니라 빛 중력 자극을 함께 받아 결정됩니다.