파리지옥에 전기자극과 물리적자극에 대한 반복여닫힘 현상은 차이가 있을까(What's the difference between repetitive closures by electrical and physical stimuli)?

파리지옥이 전기자극에 반응함을 확인관찰하고 앞서 실험한 물리적자극과 전기적자극에 따른 반응에 차이가 있는지를 아래와 같은 방법으로 실험해보았습니다.

1) 실험에 사용한 화분의 수 : 물리적 자극실험 20개, 전기적 자극실험 20개

2) 각 화분에서 건강한 상태의 포충잎을 선별하여 한 화분당 3~5개의 잎들에 번호를 매긴다.

3) 전기적 자극을 줄 포충잎에는 전기자극 실험장치를 이용하여 포충잎의 가운데 줄기에 +극을, 잎에 -극을 미리 꽂아두고 이 자극으로 닫힐 경우 다시 열렸을 때 실험을 진행한다.

4) 물리적 자극을 줄 포충잎은 작은 금속 막대를 사용하여 연속 두 번 감각모를 자극한다.
전기적 자극을 줄 포충잎은 스위치를 눌러 전기자극을 준다.

5) 포충잎이 열려있을 때부터 닫힐 때까지를 동영상 촬영한다.

6) 윈도우 미디어 플레이어(Window Media Player)를 사용하여 잎에 자극을 주었을 때부터 닫힘반응이 시작되는 시가까지, 닫히기 시작하는 때부터 완전히 닫힐때까지의 시간을 측정한다. (초당 30컷이 촬영가능하므로 1/30초의 정밀도로 움직임 측정 가능)

물리적(기계적), 전기적 자극반응 시간측정 비교 예시입니다. 아래 사진에서 보는 바와 같이 전기자극으로 발생하는 닫힘현상은 반응속도가 훨씬 늦다는 것을 알 수 있습니다.

 

아래 표는 실험결과 요약표입니다.

(M: 물리적 자극, E: 전기적 자극, P: 핀을 이용한 찌르는 자극)

보다 한눈에 보기 쉽도록 표를 그래프화시켜 비교해보면 아래와 같습니다.

 

이 두 그래프에서 주의하여 봐야 할 부분은 세로축입니다. 물리적 자극반응의 경우 전체 세로축이 2.5초이지만 전기적 자극반응 그래프의 세로축은 전체가 25초입니다. 전체적인 반응에 걸리는 시간이 전기자극반응이 물리자극반응보다 훨씬 오래 걸리는 것입니다. 실제로 포충잎들은 물리자극에는 평균적으로 0.5초 내로 반응을 시작하여 1초 이내에 완전히 닫혔지만 전기자극에는 대부분 1초 이상의 시간이 지나야 움직이기 시작했고 닫힘반응이 매우 천천히 일어나 10초 이상의 시간이 걸리는 경우도 있었습니다.

특히, 감각모를 건드리는 물리적 자극의 경우는 MMM-8의 첫번째 반응과 MMM-9의 세번째 닫힘을 제외하고는 반복자극에도 닫힘시간에 큰 차이가 없이 대개 1초 이내에 완전한 닫힘이 일어나는 것을 볼 수 있었습니다. 하지만 전기자극의 경우에는 1차, 2차, 3차, 전기자극에 의해 닫힘이 발생할 때마다 반응속도에 커다란 차이가 있었습니다. 감각모자극으로 닫는 경우에는 4차 닫힘까지 측정이 가능했고 그 이후에는 포충잎이 시들어 죽어 더이상 반응이 없었습니다. 전기자극을 주어 닫힘을 측정하는 것은 PEEE-11과 PEEE-15의 두가지 경우에만 3차 닫힘까지 측정할 수 있었고 나머지는 2차닫힘까지만 측정이 가능했습니다. 그 이유중 하나는 전기자극을 줄 경우에는 전극핀을 포충잎에 연결해야하는데 이 핀을 꽂는 자극만으로도 포충잎이 닫히기 때문에 첫번째 핀을 꼽는 것으로만 한번의 닫힘이 있게 되어 물리적 자극에 비해서는 일단 한차례의 측정이 줄어들 수 밖에 없었습니다. 하지만, 전기자극으로 닫힘이 일어나는 경우에는 대부분 2차까지만 측정이 가능했던 것으로 볼 때, 포충잎의 수명이 짧아진다는 것을 알 수 있습니다.

위 실험으로 파리지옥은 전기적자극에도 분명 반응하지만 불리적자극을 주었을 때에 비해 반응시간이 현저하게 길어짐을 확인하였습니다. 그러나 Volkov 박사께서 발표하신 전기자극실험 결과[1]와 비교해 보았을 때에는 상당한 차이가 있다는 것을 알게 되었습니다. 즉, Volkov 박사님의 실험에서는 다음의 표에서 보는 것처럼 물리적 자극에 의한 닫힘이나 전기자극에 의한 담힘이나 모두 동일한 시간내에 닫힘이 발생하였다고 하고 있습니다. 그리고 전기적 자극의 강도도 제가 관찰한 결과는 300 마이크로쿨롱까지 높여야 반응이 일어났는데 비해 Volkov 박시님은 14마이크로쿨롱만으로도 닫힘이 발생한 것으로 되어 있습니다. 나중에 Volkov박사님께 직접 질의를 해서 확인한 것에 따르면 왜 이런 차이가 났는지 구체적으로 알 수는 없었지만, Volkov 박사님의 실험에서는 뿌리에서 전기자극에 영향을 주지 않도록 24시간동안 증류수로 세척을 한 것으로 인해 차이가 있지 않을까 하고 짐작하게 되었습니다.

[1] A.G. Volkov et al, "Kinetics and Mechanism of Dionaea muscipula Trap Closing", Plant Physicology, Vol. 146, 2008.

파리지옥에 전기자극을 주면 포충잎이 닫힐까(Closure of VFT trap by electrical stimuli)?

파리지옥의 포충잎이 물리적 자극(먹이포획 등)을 받으면 닫히게 되는 것이 감각모에서 발생한 미세전류때문이라고 알려져 있는데 그렇다면 감각모를 건드리지 않고 포충잎에 전기를 흘려보내면 어떤 반응을 보일까 궁금해졌습니다. 특히, 감각모에서 발생한 미세전류가 세포벽을 통해 전달되기 때문에 한곳에서의 자극만으로도 포충잎 전체가 닫히게 되는 것이라 합니다. 그래서 이번에는 전기자극을 가하는 실험을 해보기로 하였습니다.

우선 전기자극을 가하기 위해서는 어느정도의 전기량을 가해야 할지, 그리고 어떻게 전기를 가할 것인지를 결정해야 합니다. 이와 관련해서는 파리지옥에 전기자극을 가한 연구가 있었는지를 조사해 보았는데 2008년도에 A.G. Volkov 박사가 발표한 논문[1]이 바로 전기자극을 주어 파리지옥의 포충잎이 닫히는 현상을 연구한 것이었습니다. 이 연구에 따르면, 포충잎에 약 14 마이크로 쿨롱을 가해주면 물리적으로 먹이자극을 주는 것 처럼 닫힌다고 되어 있습니다. 그래서 우선 아래 그림처럼 저기자극을 주기 위한 실험장치를 만들었습니다.

이 장치를 사용해서 포충잎에 전기를 가해 보았더니 아래의 동영상에서 보는 것처럼 감각모를 건드리지 않아도 닫히는 것을 볼 수 있었습니다. 전기의 양은 Capacitor을 바꾸어서 조절할 수 있도록 했는데 Volkov 박사의 실험과는 달리 약 300 마이크로쿨롱을 가해주어야만 포충잎이 닫히는 것을 확인할 수 있었습니다. 전극을 연결할 때,  (+)극은 포충잎의 가운데 줄기에 꽂아야 하고 (-)극은 포충잎 두개중의 하나에 꽂아야만 닫힘반응이 일어나는 것이었습니다. 반대로 해보니 전하량을 더 높여도 닫힘이 일어나지 않았습니다. 대부분의 포충잎은 감각모자극을 했을 때보다는 조금 늦게 반응하였습니다.

 

[1] A.G. Volkov, T. Adesina, E. Javanov, "Closing of Venus Flytrap by Electrical Stimulation of Motor Cells, Plant Signaling & Behavior2:3, 139-144, June 2007.

한쪽면을 절단한 포충잎의 작동(Closure behavior of a half-piece trap)

파리지옥의 포충잎은 감각모가 자극되면 좌우대칭의 두 잎이 바깥쪽으로 볼록해지면서 닫힙니다. 항상 좌우의 잎이 동일하게 반응하는데, 이를 관찰하면서 그 중 한쪽면이 없어지면 어떤 차이가 생길지 궁금해졌습니다. 그래서 포충잎의 반을 잘라 실험했습니다.

1)  아주 작은 가위를 이용하여 위쪽 그림의 (a)와 같이 포충잎 한가운데를 잘랐는데 감각모를 전혀 건드리지 않았음에도 불구하고 감각모를 자극했을 때와 같은 닫힘반응을 보임
2) 아예 한쪽 면이 절단된 채 펼쳐져 있는 포충잎의 감각모를 위쪽 그림의 (b)와 같이 자극하자 위쪽 그림의 (c)처럼양쪽 포충잎이 모두 존재했을 때와 같이 대칭모양으로 닫힘.
3) 대부분의 포충잎은 한쪽 면을 절단한 후 시간이 지나면 아래쪽 그림의 (b), (c)와 같이 과도하게 말리는 변형이 일어났고, 이후 다시 펼쳐지지 않음. 반면 위쪽 그림의 (c)처럼 변형이 크게 일어나지 않은 포충잎은 2일후 다시 펼쳐짐.

따라서 포충잎은 한쪽 면으로도 닫힘 반응을 보일 수 있지만 두 면이 서로 지지 할 수 없어지므로 과도한 변형이 일어나게 되고 이후 원래 모양대로의 회복이 불가능하다는 것을 관찰했습니다.

포충잎의 닫힘은 반복자극에 어떤영향을 받을까(How does a VFT respond with repetitive stimuli)?

일반적으로 포충잎은 3-4회 정도 닫힘작용을 하고나면 수명이 다해 더이상 자극을 주어도 작동하지 않는 것으로 알려져 있습니다. 결국 포충잎의 수명이 작동 횟수와 밀접한 관계가 있다는 것입니다. 또한 반복해서 닫히게 된다면 첫번째와 두번째, 그리고 이어지는 닫힘작동에서 속도가 느려지지 않을까 하는 생각도 들었습니다. 그래서 이번에는 포충잎에 반복적으로 자극을 가해보면 어떤 반응이 일어날까 확인하기 위한 실험을 해보았습니다.

그동안 여러가지 실험을 통해 포충잎중에서도 건강해 보이는 것이 오래 살아남는다는 것을 보아왔기에 가능한한 건강해 보이는 포충잎을 골랐습니다. 30개 정도의 건장한 포충잎을 골라 반복자극실험을 했지만, 전체적으로 한번 이상 닫힘을 측정할 수 있었던 것은 총 71회였는데 이중에서 3회이상 딛힘과 열림의 반복작동이 가능했던 것은  총 6개였는데 그중에서 4회까지 성공적으로 닫힘작용을 측정할 수 있던 것은 단 4개의 포충잎 뿐이었습니다.

다음의 그림은 3회이상 닫힘과 열림반응을 측정할 수 있었던 포충잎에 대한 자극후 닫힘까지 거린 시간을 측정한 결과입니다. 이 닫힘반응은 감각모를 단순자극하여 발생시킨 것이며 먹이를 준 것은 아니기 때문에 소화모드까지 들어갔던 것은 아닙니다. 파리지옥의 편에서 본다면 포충잎을 한번 닫고 다시 연다는 것은 엄청난 에너지를 소비하는 것이 되기 때문에 이렇게 닫힘 작동을 여러번 반복한다는 것은 바로 가지고 있던 에너지를 모두 다 써버리는 결과가 되어 지속적으로 반복하지 못하고 죽어버리는 것이라고 생각합니다. 그림에서 보는 바와 같이 대부분의 경우 포충잎은 자극을 받은 후 0.5초이내에 움직이기 시작하여 1초이내에 닫혔습니다. 닫힘작동에 걸리는 시간은 반복이 거듭되더라도 크게 변화는 없었습니다. 처음에 예상한 것은 닫힘작동이 반복되면 속도가 더 느려지지않을까 생각했는데 그렇지는 않았습니다. 예외적으로 MMMM-8은 처음에는 시간이 많이 걸렸는데 나중에는 오히려 다른 것들보다 닫히는데 걸리는 시간이 더 짧았습니다.

줄기를 절단한 포충잎도 먹이소화가 가능한가(Can a cut-out trap digest)?

줄기를 절단한 파리지옥도 반응은 약간 느리지만 자극에 닫고 시간이 지나면 다시 열린다는 것은 확인할 수 있었습니다. 그렇다면 이번에는 이렇게 줄기를 잘라 포충잎만 남아있을 경우에도 먹이를 소화시킬 수 있을까 하는 의문이 들었습니다. 이를 확인하기 위해 줄기가 잘린 포충잎을 마르지 않도록 잘린 줄기부분을 물에 담가 놓고 돼지고기 조각을 먹여 소화모드에 들어가도록 하였습니다. 정상적인 포충잎과 마찬가지로 줄기가 잘린 포충잎도 먹이를 주어 잎이 닫히게 되면 시간이 지남에 따라 점점 더 밀착하여 닫게 되고 마침내 소화모드에 들어가게 됩니다. 다음 그림에서 보는 바와 같이 약 10일이 지나자 포충잎이 말라 쭈글쭈글해졌는데 10일후 포충잎을 열어보니 안에 있던 먹이가 완전히 소화되고 소화된 액 자체도 완전히 흡수되고 극히 작은 찌꺼기만 남아 있는 것을 볼 수 있었습니다. 결국 이 실험을 통해 줄기가 잘려나갔더라도 포충잎은 정상적인 잎과 마찬가지로 먹이를 온전히 소화해 낼 수 있다는 것을 알 수 있었습니다.

단백질 먹이를 줄 때 반응은(How the VFT responds when taking prey)?

파리지옥에 단백질 먹잇감을 주었을 때에는 어떻게 반응할까 하는 궁금증이 생겼습니다. 일반적으로 곤충 등 단백질먹잇감을 포획해서 질소 등 필요한 양분을 흡수한다고 알려져 있습니다. 그래서 곤충을 잡아서 먹이로 주는 대신에 돼지고기를 아주 작게 썰어 먹이로 주어보았습니다. 즉, 작은 돼지고기조각으로 포충잎의 감각모를 자극하여 닫히게 해보았습니다. 또한 먹잇감을 주지 않고 단순자극만으로 포충잎이 닫히게 만든다음 각각의 경우에 대해 반응의 차이를 비교해 보았습니다.

먹이자극과 거짓자극을 주었을 경우 모두 포충잎이 닫혔습니다. 이후에 시간이 지나감에 따라 먹이자극을 받은 포충잎은 더욱 밀착하면서 소화모드에 들어갔고 단순자극으로 닫힌 포충잎은 12시간 정도 지난 후에는 다시 열리기 시작해서 1일정도 지나면 완전히 열리게 되었습니다.

특히, 먹이자극을 받은 포충잎의 경우, 시간이 지날수록 포충잎의 두면이 진공포장을 하듯이 더욱 밀착하였고 소화모드에 들어가는 것을 볼 수 있었습니다.

절단된 포충잎도 닫힐까(Can a cut-out VFT trap close)?

포충잎이 닫히는 과정을 관찰하다 보니 포충잎이 닫힐 때 반응에 관여하는 전체 범위가 어디까지인지-잎에서부터 줄기까지인지, 뿌리끝까지인지-, 또 각 잎 개체들 하나하나가 옆의 다른 잎들과 상관없이 독립적으로 움직이는 것인지 등의 의문을 갖게 되었습니다. 이에 답을 찾기 위해서 포충잎의 줄기를 절단하여 화분의 몸체로부터 분리시킨 뒤에 닫힘반응 실험을 하였습니다.

포충잎이 붙어있는 줄기를 자르고 잘라낸 줄기의 절단면 부분을 물에 담가 마르지 않도록 한 뒤, 화분에 붙어있는 정상적인 포충잎과 마찬가지로 자극을 주고 닫히기부터 다시 열리기까지,  열린 후 다시 자극을 주었을 때 반응의 차이를 관찰했습니다.

상기실험을 통해 줄기를 절단한 포충잎도 정상적인 포충잎과 동일하게 닫히고 열리는 모습을 보이며 2번의 자극에까지도 동일하게 닫힌다는 것을 확인할 수 있었습니다. 따라서 파리지옥 포충잎의 닫힘반응은 줄기까지 이내에서의 범위에서 뿌리나 다른 잎들과는 상관없이 독립적으로 이루어짐을 알게 되었습니다.