여러분은 유머러스한 “러시아 사이버 마을” 영상에 나오는 프랙탈 오이 밈을 기억할지도 모릅니다. 하지만 살아있는 자연에 실제로 식물을 포함하여 엄청난 수의 프랙탈 구조가 존재한다는 것을 알고 계셨나요?
국제 연구팀은 로마네스코 콜리플라워의 프랙탈 구조를 연구하고 그 형성에 관여하는 유전자를 식별했습니다. 이어서 과학자들은 콜리플라워에서 발견된 프랙탈 유전자 패턴에 따라 모델 식물인 애기장대(Arabidopsis thaliana)의 유전자를 변경했습니다. 그 결과, 이 식물은 나선형 원뿔형 프랙탈을 포함하여 유사한 프랙탈 패턴을 재현했습니다.
«로마네스코 양배추» 또는 «로마 양배추»는 콜리플라워와 같은 품종군에 속합니다. 하지만 친척과 달리, «로마네스코»의 각 봉오리는 로그 나선과 프랙탈 패턴을 형성하는 일련의 더 작은 봉오리로 구성되어 있습니다. «로마네스코» 봉오리 안의 나선 수는 피보나치 수로 설명됩니다. 이 수열의 어떤 수를 그 앞의 수로 나누면 황금 비율이 생성됩니다.
이러한 자연 프랙탈의 기원은 식물학자와 수학자들의 면밀한 연구 대상이 되었습니다. 이미 1898년에 독일 과학자 빌헬름 호프마이스터는 피보나치 나선이 잎을 배열하는 가장 효율적인 방법임을 발견했습니다. 식물이 자라면서 각 후속 봉오리 또는 잎은 줄기 성장 속도에 비례하는 속도로 방사형으로 바깥쪽으로 이동합니다. 두 번째 잎은 첫 번째 잎에서 가능한 한 멀리 자라며, 세 번째 잎은 첫 번째 잎과 두 번째 잎으로부터 동일한 거리에 자랍니다. 이러한 방식으로 분포되어 형성된 식물의 격자 구조를 «엽서(phyllotaxis)»라고 합니다.
국제 과학자 그룹은 «로마네스코»의 유전적 구조를 연구하고 프랙탈 출현 메커니즘을 확립했습니다.
식물의 형성 조직(분열 조직)은 나선형으로 배열된 식물 부분이 발달하는 미분화 세포로 구성됩니다. «로마네스코»의 경우, 분열 조직은 꽃으로 피어나야 할 봉오리를 형성하지만, 대신 줄기가 나타납니다. 이 줄기들은 잎 없이 자랍니다. 그 대신, 이 줄기들은 새로운 줄기가 나오는 눈을 형성합니다. 그 결과, 줄기 위에 반복되는 줄기의 패턴이 형성됩니다. «로마네스코»는 원래 줄기가 봉오리와 후속 줄기보다 더 빨리 자라기 때문에 원뿔형 모양을 띱니다. 연구 저자들은 이 메커니즘이 품종의 재배화로 인해 나타났다고 가정했습니다.
연구자들의 다음 단계는 이러한 과정에 관여하는 유전자를 찾는 것이었습니다. 특히, 과학자들은 분열 조직 연구에 집중했습니다. 연구 결과, «로마네스코»에서 원뿔형 프랙탈 형성의 원인이 바로 분열 조직이라는 것이 밝혀졌습니다. 분열 조직은 궁극적으로 꽃을 형성하지 않지만, 일시적으로 봉오리가 나타나야 할 것처럼 조직을 발달시킵니다. 특정 시점에 프로그램이 변경되고, 봉오리에서 줄기가 발달합니다. «로마네스코»에 존재하는 네 가지 유전자(이니셜 S, A, L, T로 표시됨)의 돌연변이는 특정 시점에 분열 조직과 중심 줄기의 성장을 각각 자극하여 원뿔형 구조를 형성합니다.
이 가설은 모델 식물인 애기장대에 대한 시험 중에 확인되었습니다. 연구자들은 «로마네스코»에 있는 염기서열에 따라 식물의 핵심 유전자를 변경했습니다. 그 결과, 애기장대는 로마 양배추의 프랙탈과 유사한 원뿔형 형태를 띠기 시작했습니다. 저자들은 이를 위해 식물의 유전자를 크게 변경할 필요가 없었다고 언급했습니다.
사진: BlueRidgeKitties. 라이선스 CC BY-NC-SA 2.0.
연구자들은 개화 식물의 프랙탈성에 대한 다른 돌연변이도 존재할 수 있다고 추정합니다. 그들은 향후 연구에서 이를 밝혀낼 계획입니다.
출처
- 연구 자료는 Science 저널에 실린 기사 «Cauliflower fractal forms arise from perturbations of floral gene networks»에 게재되었습니다 (DOI: 10.1126/science.abg5999).
- 글쓴이: 예카테리나 하나노바, 하브라 편집자. 이 글은 Klumba.org 편집자가 추가했습니다.