‘식물 전기’의 별난 개척자들이 이뤄낸 일들

많은 이들이 ‘프랑켄슈타인’에 대해선 익숙할 것이다. 하지만 프랑켄슈타인의 정원에 대해 들어본 적이 있는가?

메리 셸리의 소설 프랑켄슈타인에 영감을 줬던 과학자가 살아있는 동물과 죽은 죄수를 가지고 전기 실험을 하던 당시, 동시대 과학자들 중에는 다년생 식물과 뿌리 채소를 대상으로 같은 실험을 하던 이들이 있었다. 18세기에는 전기 자극이 인간의 몸을 더 튼튼하게 만든다고 믿었던 때가 있었다. 전기 자극을 마비와 우울증, 설사, 성병 등 다양한 질병을 치료하는데 사용했고, 나아가 식물의 성장을 돕는 연구에 활용했던 것이다. 그중 전기 자극을 식물 키우기에 활용하는 실험을 했던 이들에 따르면, 전기 자극은 꽃의 색을 더 밝게하고 과일을 맛있게 해주는 결과를 낳았다고 한다. 하지만 얼마 지나지 않아 이러한 시도는 의료용 전기 자극처럼 ‘돌팔이’ 취급을 당하게 됐고, 19세기 말에 이르러서는 학계에서 거의 인정받지 못하는 처지가 됐다.

그로부터 다시 한 세기가 지나자, 생물에 미치는 전기의 영향에 대한 연구가 다시 활기를 찾고 있다. 실험 도구가 발달하고 새로운 통찰력이 쌓인 게 바탕이 됐다. 충분한 지식이 없는 상태에서 진행된 초창기 동물 실험들은 지난 200년 동안 실질적인 지식을 축적하며, 전기 의학의 초석이 됐다. 마찬가지로, 과거의 식물 대상 실험 역시 어떤 현대적 결실을 맺을 수 있을지 재조명되고 있다. 어쩌면 이러한 연구에서 새로운 이해가 나와 21세기의 정원 산업이 달라질지도 모른다.

전기 자극이 농작물에 큰 영향을 미칠 수 있다는 최초의 발상은 인간의 개입에서 싹튼 게 아니었다. 자연 자체에서 유래한 것이다. “번개가 치면 버섯이 대단히 잘 자란다”는 이야기는 일본의 농업 구전 지식으로 오래전부터 존재했다.

하지만 실험으로 이를 확인하기 위해 번개를 임의로 만들 수는 없었다. 그러다 1740년대에 이르러 과학자들이 처음으로 이 신비로운 ‘전기’ 현상을 마음대로 저장하고 배치할 수 있는 다양한 장치를 만들어 냈다.

곧 전기를 원예 보조 도구로 활용하는 것이 화제로 떠올랐다. 프랑스의 물리학자이자 철학자인 피에르 베르톨롱 드 생라자르는 미지의 영역이었던 전기를 폭넓게 연구한 인물로, 당대의 식물 실험을 모아 ‘식물 전기학(De L’électricité des Végétaux)’이라는 책을 편찬했다.

당시에는 전기 자극이 꽃의 색이 더 밝게 하고 더 일찍 피게 만드는 것으로 알려져 있었다. 마찬가지로 과일도 전기 자극을 통해 맛과 향을 더 빨리 무르익게 할 수 있다는 주장이 있었다. 하지만 베르톨롱의 초점은 과일과 채소에 개별적인 전기 자극을 주는 게 아니었다. 정원 전체에 전기를 주입할 수 있는 새로운 장치를 만드는 것이었다. 마치 전기 ‘거름’을 주듯, 식물을 키우는 토양과 공기에 전기를 주입하려 했던 것이다.

전기-식물 측정기

베르톨롱은 대기 중의 전기를 모아 아래로 끌어내려 농작물에 뿌리기 위해, 높은 돛대와 배선 시스템을 만들었다. 그는 이것을 번개가 치는 것을 모방한 장치라고 설명했다. 다만, 한 번에 큰 피해를 주는 번개가 아니라 소량의 전기를 지속적으로 뿌려주기 때문에 자연 번개보다 더 효과가 좋다는 게 그의 주장이었다. 그리고 그는 “전기-식물 측정기”가 식물의 성장을 도와 “잎과 꽃, 과일의 발아와 성장, 생산 및 증식”을 가속화했다는 기록을 남겼다.

베르톨롱은 다른 형태로도 전기를 사용했다. 해충에 감염된 나무에 전기충격을 줘서 해충을 퇴치하기도 했다고 한다. 그의 동시대 사람들은 전기를 정원 가꾸기에 다양하게 활용했다. 전통적인 비료를 대체하기 위해 자칭 “전기 유체가 들어갔다”는 특수한 물로 식물에 물을 주는 계획을 내놓은 이도 있을 정도였다.

그렇다고 ‘전기가 식물 가꾸기에 도움이 된다’는 확신을 모두가 가졌던 것은 아니다. 광합성을 발견한 생리학자 얀 잉엔하우즈는 자신의 정원에서 전기-식물 측정기를 사용했지만, 모든 식물이 순식간에 말라죽었다고 한다. 이후 그는 베르톨롱의 ‘전기 거름’이야말로 ‘퇴비 같은 생각’이라고 결론지었다.

이후 전기를 활용한 식물 배양에 대한 관심은 시들해졌고, 몇몇 우직한 과학자들만 소규모로 실험을 계속했다. 1830년대에는 한 과학자가 실험을 통해 식물이 훌륭한 전도체임을 입증했고, 이는 전기가 생물학의 근본 요소라는 뜻이라고 주장하기도 했다. 그러나 당시는 과학이나 도구 모두 이러한 주장을 뒷받침할 만큼 충분히 발전하지 못한 상태였다. 그래서 이후 몇몇 작은 실험적 시도가 있기는 했지만, 전기를 활용한 식물 배양 아이디어는 학계에서 빠르게 자취를 감췄다.

이러한 상황을 1918년 두 명의 평론가는 이렇게 회고했다. “전기 및 전기의 다양한 산업적 응용에 대한 연구는 엄청나게 중요한 발전을 이뤄냈다. 하지만 그 한 세기 반 동안 전기를 활용한 식물 배양은 왜 거의 제자리에 머물러 있었는지 우리 자신에게 묻지 않을 수 없다.” 그들의 결론은 이러했다. “아마도 살아있는 식물을 연구하는 학문이 정체된 상황에서 해답을 찾을 수 있을 것이다.”

다시 말해 전기를 활용한 식물 배양을 개선하려면 먼저 이것이 어떻게 작동하는지 이해해야 한다. 이를 이해하려면 식물 생물학의 전기적 측면을 이해해야 한다. 다행히도 두 평론가가 불만을 토로했을 때는 이미 그러한 노력의 씨앗이 싹을 틔운 후였다. 식물과 전기에 대한 관심을 다름 아닌 찰스 다윈이 되살려냈던 것이다.

다윈의 육식성 채소

다윈의 할아버지 역시 전기가 식물의 성장을 촉진할 수 있다고 확신했었지만, 찰스 다윈의 주장은 보다 확고한 과학적 근거에 기반하고 있었다. 19세기 신경생리학자들은 전기 신호가 인간의 신경계 신호의 근본적인 토대이며 우리가 생각하고 느끼고 움직일 수 있게 해준다는 사실을 밝혀내기 시작했다. 다윈은 이와 마찬가지로 전기가 식물 생리학의 근본적인 측면이라고 믿었다.

다윈의 탐구는 끈끈이주걱으로도 알려진 드로세라 속 육식 식물에서 시작됐다. “종의 기원”이 출간된 지 1년이 채 지나지 않았을 무렵, 다윈의 머릿속은 온통 그 생각뿐이었다고 한다. 1860년 그는 “지금 이 순간, 나는 이 세상 모든 종의 기원보다 드로세라에 더 관심이 있다”고 썼다. 동물을 먹고 사냥을 하는 등 식물이 할 수 없는 모든 것을 할 수 있던 드로세라를 생각했을 때, 이는 어쩌면 당연한 일이었다. 드로세라는 길고 끈적끈적한 촉수로 접착제 같은 분비물에 파리를 가둔 후, ‘스위스 롤’처럼 집요하게 먹잇감을 감아 먹어 치운다.

어떻게 이런 일이 가능할까? “육식성 식물”이라는 말은 모순이다! 하지만 육식성 식물은 드로세라만이 아니었다. 다윈이 “잎이 강철 쥐덫처럼 곤충을 잡아먹는다”고 감탄한 파리지옥, 일명 ’비너스 파리잡이’는 훨씬 더 빠른 속도로 사냥을 했다. 흡사 동물과 같은 반사 신경을 가진 것이다. 식물과 동물의 왕국을 넘나들며 전문 지식을 쌓은 생리학자이자 식물학자였던 다윈의 한 친구는 이 기묘한 식물들을 보고 한 가지 제안을 했다. 당시 생리학자들이 동물의 근육을 움직이는 요인이라고 밝혀낸 것과 같은 “신경” 전기적 변화가 있는지 조사해 보자는 제안이었다.

실험 결과, 소득이 있었다. 파리지옥이 닫힐 때 동물의 체내 전기를 보여주는 ‘활동 전위’와 매우 유사한 현상이 나타났던 것이다.

하지만 그들의 아이디어 역시 식물 생리학자들에게 수용되지 못했다. 육식성 식물만 보면, 동물처럼 빠르게 움직이고 사냥을 했기 때문에 신경 신호 아이디어는 어느 정도 의미가 있었다. 하지만 다른 식물들은 움직이지 않았고 사냥도 하지 않았다. 그냥 가만히 앉아서 햇빛을 받아먹었다. 때문에 육식동물의 고유한 특성을 육식성 식물이 아닌 나머지 식물에게도 적용하는 것은 이치에 맞지 않는다는 게 식물 생리학자들의 판단이었다.

다시 수십 년이 지났다. 인도의 엔지니어이자 수학자인 자가디스 찬드라 보세가 다윈의 질문을 재검토했다. 그는 고사리 같은 다년생 식물, ‘미모사 푸디카’에 관심이 많았다. 미모사 푸디카는 곤충을 잡아먹지는 않지만 움직이기는 한다. 깜짝 놀라면 작은 잎을 접는 것이다. 이 놀라운 ‘틱 증상’때문에, ‘신경초’, ‘만지지 마세요’ 등 별명도 많이 붙었다. 보세는 이런 재빠른 움직임은 동물과 같은 신경 활동이 있어야만 가능하다고 생각했다.

전기 측정 결과, 미모사 푸디카가 잎을 접기 직전에도, 파리지옥의 반응에서 나타난다는 활동 전위가 급증했다. 보세의 호기심은 불타올랐다. 다른 식물에는 어떤 전기 신호가 있을까? 1901년, 그는 대황과 겨자무 등 움직이지도, 곤충을 잡아먹지도 않는 평범한 식물에서도 강한 전기 신호가 발생한다는 주장을 발표했다. 그리고 이후 수십 년에 걸쳐, 양파와 나무를 비롯한 거의 모든 식물계 구성원에게서도 전기 신호가 확인됐다.

식물은 전기를 이용한다

20세기 후반, 식물 세포도 동물 세포와 마찬가지로 내부 커뮤니케이션을 위해 전하를 사용한다는 사실이 신경과학 도구를 통해 밝혀졌다. 모든 살아있는 세포는 외막에 구멍이 있고, 세포막을 사이에 두고 양 측에 서로 다른 이온을 배치시킨다. 포유류 세포는 내부에는 칼륨 이온을, 외부엔 나트륨 이온을 유지하는 경향을 갖고 있다. 이러한 불균형으로 인해 세포 내부는 작은 음전하를 띠게 된다. 신경계는 이 조그마한 배터리를 사용해 신체의 느낌과 행동에 대한 모든 메시지를 두뇌와 주고받는다.

식물 세포도 마찬가지다. 내부 전압을 가지고 있고 이를 활용해 환경에 대한 정보를 전달한다. 1990년대 후반에 수행된 연구에 따르면 식물은 빛, 온도, 접촉, 부상 등 다양한 자극에 전기적으로 반응한다. 이는 식물이 위험을 감지하고 다른 식물과 소통하는 것은 물론, 동물에게 도움도 요청할 수 있다는 학계의 발견과 맥을 같이 한다. 예를 들어 옥수수는 말벌을 불러 옥수수를 공격하는 애벌레를 공격할 수 있다. 이전에는 신경 과학에만 연관되어 있던 개념들이 최근 수십 년새 식물 생리학에도 스며들게 된 것이다.

이러한 발견은 일각에서 “부질없다”고 말할 정도로 오래된 식물 전기생리학 논쟁에 다시 불을 붙였다. 식물은 지능을 가졌을까? 그렇다면 ‘지능’에 대한 정의는 무엇일까? 논쟁은 아직도 끝나지 않았다. 물론 식물의 전기 신호에 대한 연구 주제가 이것만은 아니다.

일부 식물학자들은 ‘식물이 복잡한 신호를 사용해 상호간에 또는 외부 세계와 소통한다’는 생각을 거부하지는 않는다. 다만 다른 점이 있다. 동물의 전기적 소통은 다음과 같이 작동한다. 신경 세포는 칼륨을 내부에 유지하고 나트륨을 외부에 유지한다. 이러한 이온의 분리로 생기는 전기적 차이는 뉴런이 활동 전위를 보내는 능력의 바탕이 된다. 하지만 나트륨은 식물에는 유독한 성분이다. 때문에 나트륨은 식물의 활동에는 사용될 수 없다. 그래서 식물 내부에서 칼륨과 나트륨의 역할은 칼륨과 염화물, 칼슘이 담당한다. 이들을 활용한 전기 신호를 자세히 살펴보면, 그 양상이 동물과는 조금 다르다. 칼륨과 나트륨이 더 강하다. 반면 식물은 표준 활동 전위 외에도 ‘변동 전위’와 ‘시스템 전위’라는 두 가지 신호를 추가로 사용한다.

이러한 신호의 쓰임은 조금식 다르다. 활동 전위는 기본적으로 동물과 같다. 누군가가 만지거나 체온이 변하는 등 주어진 자극을 빠르게 먼 거리까지 전달한다. 변동 전위는 이름처럼 좀 더 가변적이다. 절단과 화상, 기타 부상을 입었을 때 나타나는데, 손상의 심각도에 따라 신호의 크기가 달라진다. 표면 전위는 느리고 국소적인데, 아마도 영양 상태와 관련이 있는 듯하다.

식물은 이러한 신호를 통해 내부 상태에 대해 스스로에게 이야기하는 것뿐만 아니라, 상호 간에 소통도 할 수 있다. 사람들은 이 신호가 모든 토양에 존재하는 곰팡이 네트워크를 통해 전해진다고 보고 있다.

이러한 발견은 새로운 가능성으로 이어진다. 우리가 식물의 소통을 엿듣고, 전기 신호를 해독할 수 있을까? 식물이 편한 상태인지, 너무 덥거나 춥지 않은지 등을 파악할 수 있을까? 토양에 더 많은 양분이 필요한지, 아니면 식물이 병원균의 공격을 받고 있는지 파악할 수 있을까?

식물과 전기에 대한 지적 발견들이 식물의 ‘생각’을 알아낼 수 있을지도 모른다는 흥미로운 전망을 낳고 있다.