사우스 캐롤라이나의 습지 어딘가에서 파리 한 마리가 분홍색 표면에 내려앉습니다. 파리는 풍경을 탐색하면서 자신도 모르게 작은 털을 스친다. 가느다란 검처럼 표면에서 튀어나와 있습니다. 파리는 계속 걸어가면서 두 번째 털을 갉아먹습니다. 분홍색 표면이 양쪽에서 한꺼번에 닫힙니다. 두 개의 잎이 거대한 한 쌍의 식물 턱처럼 찰칵 닫혀 있습니다.

이 움직임의 흐릿함은 10분의 1초만 지속되었습니다. 하지만 이 파리는 이 죽음의 덫을 절대 떠나지 않을 것입니다.

“우리는 식물이 움직이지 않는다고 생각합니다.”라고 Joan Edwards는 말합니다. 그녀는 매사추세츠 주 윌리엄스타운에 있는 윌리엄스 칼리지의 식물학자입니다. 그러나 일부 식물은 “너무 빨리 움직여서 육안으로 볼 수 없습니다.”라고 그녀는 지적합니다.

우리는 식물이 죽을 때까지 한 곳에 뿌리를 내리고 거의 움직이지 않는 것으로 생각하는 경향이 있습니다. 지루한 것을 묘사하기 위해 우리는 그것을 “풀이 자라는 것을 보는 것 같다”라고 말합니다. 그러나 그러한 문구는 식물 세계에 대한 순진한 관점을 제공합니다.

모든 식물은 다소 느린 형태의 움직임으로 자랍니다. 많은 사람들은 또한 빠르게 움직일 수 있는 능력을 가지고 있습니다. 금성파리지옥(Dionaea muscipula)의 날카로운 턱이 아마도 가장 유명한 예일 것입니다. 그러나 그들은 유일한 사람이 아닙니다. 식물은 인상적인 행동을 많이 보여줍니다. 폭발성 샌드박스 나무(Hura crepitans)를 고려하십시오. 다이너마이트 나무라고도 알려진 이 나무는 올림픽 규모의 수영장 길이만큼 씨앗을 뿌릴 수 있습니다. Sundews (Drosera 속)는 먹이 주위를 휘감는 끈적한 덩굴손을 가지고 있습니다. 그리고 손을 대면 몇 초 안에, 이름이 적절하게 붙은 touch-me-not(Mimosa pudica)은 겹잎을 접습니다.

식물은 움직임에 대한 광범위한 접근 방식을 발전시켜 왔습니다. 속도면에서 똑같이 거대한 스펙트럼에 걸쳐 있습니다. 뿌리는 시간당 약 1밀리미터(0.04인치)의 속도로 토양을 기어 다닙니다. 대조적으로, 일부 식물은 초당 수십 미터(100피트 이상)의 속도로 환경에 씨앗을 쏘는 방법을 찾았습니다.

가장 역동적인 식물의 움직임은 오랫동안 과학자들을 사로잡았습니다.

찰스 다윈을 보자. 모든 식물 중에서 그는 파리지옥풀을 “세상에서 가장 놀라운 것 중 하나”라고 묘사했습니다.

1875년 저서 Insectivorous Plants에서 그는 이 호기심에 대해 수행한 테스트를 설명했습니다. 그는 생고기로 일부를 미끼했습니다. 그는 사람의 머리카락처럼 가는 물체로 다른 사람들을 자극했습니다. 그는 심지어 식물의 함정이 클로로포름 방울에 어떻게 반응하는지 테스트했습니다. 다윈은 식물의 비밀을 완전히 풀지 못했습니다. 하지만 그는 잎의 모양이 얼마나 빨리 먹이를 가둘 수 있는지에 어떤 역할을 한다는 것을 이해했습니다.

현대 연구자들은 다윈이 부러워할 정도로 정밀하게 빠른 식물의 움직임을 연구할 수 있습니다. 약 10년 전부터 과학자들은 고속 디지털 카메라와 컴퓨터 모델링을 사용하여 식물의 움직임을 파악하기 시작했습니다. 고해상도 렌즈와 함께 프레임별 분석을 통해 마침내 무엇이 식물에 속도를 부여하는지 자세히 살펴볼 수 있었습니다.

새로운 증거는 이제 놀랍도록 다양한 메커니즘을 지적합니다. 연구자들은 축구 선수처럼 차거나 라크로스 선수처럼 던지는 장치를 발견했습니다. 어떤 식물은 열을 발생시켜 씨앗을 폭발적으로 발사하기도 합니다.

다윈의 작업이 있은 지 거의 150년이 지난 지금도 그러한 연구를 추진하는 요인은 동일하게 유지되고 있습니다. 바로 빠르게 움직이는 식물에 대한 매력입니다.

동작 시작

2000년대 초, Yoël Forterre는 매사추세츠주 케임브리지에 있는 하버드 대학교의 젊은 과학자였습니다. 그의 고문이자 또 다른 과학자는 그에게 금성 파리지옥을 선물했습니다. 그에게 새로운 이 식물은 근육 없이 움직일 수 있는 능력에 Forterre를 놀라게 했습니다.

그 과학자는 곧 자신의 전문 분야인 연질 물질 물리학을 통해 생각함으로써 그 움직임을 이해할 수 있다는 것을 깨달았습니다. 이 분야는 액체, 거품 및 일부 생물학적 조직과 같은 특정 물질이 어떻게 변형되거나 모양이 바뀔 수 있는지 조사합니다.

Forterre는 2005년에 고속 카메라와 컴퓨터 모델링을 모두 사용하여 식물이 어떻게 빠르게 움직이는지 연구한 연구를 발표했습니다.

고속 디지털 카메라가 그러한 연구를 가능하게 했다고 Dwight Whitaker는 말합니다. 그는 캘리포니아주 클레어몬트에 있는 포모나 대학의 실험 물리학자입니다. 이 무렵 카메라가 대학 연구실에 들어오고 있었습니다. “영화를 통해 단 한 번의 기회를 얻을 수 있습니다”라고 그는 말합니다. 모든 것은 사전에 정리되어야 합니다. 영화감독들이 스태프들에게 “조명, 카메라, 액션!”을 외치는 이유다. — 그리고 그 순서대로.

파리지옥의 잎은 책의 두 반쪽처럼 서로 마주보고 있습니다. 초고속 카메라와 컴퓨터를 사용하여 Forterre 팀은 잎의 곡선에서 가장 작은 변화를 추적할 수 있었습니다. 이를 통해 그의 그룹은 식물의 속도가 잎의 특별한 모양에 어떻게 의존하는지 확인할 수 있었습니다.

파리나 다른 먹이가 함정을 작동시키면 잎의 녹색 외부 표면에 있는 세포가 확장됩니다. 분홍색 내부 표면의 세포는 그렇지 않습니다. 이것은 외부 표면을 안쪽으로 밀어내는 장력을 만듭니다. 결국 압력이 너무 커집니다. 원래 모양이 볼록한(바깥쪽으로 휘어짐) 잎은 이제 빠르게 오목하게 뒤집힙니다(그릇처럼 약간 안쪽으로 휘어짐). 이 슬램은 스냅 버클링으로 알려진 프로세스에서 트랩을 닫습니다.

이 동작을 이해하는 한 가지 방법은 인기 있는 아동용 장난감을 보는 것이라고 Zi Chen은 말합니다. 뉴햄프셔 주 하노버에 있는 Dartmouth College의 엔지니어인 그는 파리지옥을 연구했습니다. 고무 포퍼는 뒤집을 수 있는 작은 고무 반구입니다. 압축된 스프링처럼 뒤집힌 장난감에는 위치 에너지로 알려진 많은 저장 에너지가 있습니다. 원래 모양으로 돌아가면 포퍼는 저장된 에너지를 운동 에너지인 운동 에너지로 변환합니다. 이것은 장난감을 몇 피트 공중으로 발사할 수 있습니다.

유사하게, 위치 에너지는 파리지옥 잎의 외부 표면이 내부 표면에 압력을 가할 때 축적됩니다. 그러나 그것들은 거의 즉각적으로 운동 에너지로 전환될 수 있습니다. 이것은 슬램이 10분의 1초 정도 안에 잎이 무성한 함정을 닫는 것입니다.

폭발!

Forterre가 파리통을 연구하고 있을 무렵 Edwards와 그녀의 남편은 Lake Superior의 Isle Royale에서 신진 연구원 그룹을 이끌고 있었습니다. 그들은 토종 식물을 정찰하고 있었습니다.

Edwards가 말했듯이, 한 학생이 번치베리 층층 나무(Cornus canadensis)의 꽃 냄새를 맡기 위해 머리를 숙였습니다. 갑자기 그녀는 “무언가 휙휙 돌아갔다”고 말했습니다. 이 산만함에 흥미를 느낀 팀은 표본을 실험실로 다시 가져왔습니다. 그들은 비디오에서 행동을 포착하기를 원했습니다. 그러나 층층 나무 똥을 촉발시킨 것은 보이지 않았습니다. 그래서 Edwards는 초당 1,000개의 이미지를 촬영할 수 있는 카메라로 업그레이드했습니다.

“여전히 흐릿했습니다.”라고 그녀는 회상합니다. “카메라에 문제가 있는 줄 알았어요.”

그녀는 당시 Williams College에 있던 Whitaker에게 문제를 제기했습니다. 그는 카메라가 포착하기에는 식물이 너무 빨리 움직이는 것을 발견했습니다.

식물의 움직임을 멈추기 위해 Edwards는 더 빠른 카메라를 주문했습니다. 당시 사용 가능한 최고의 이 특수 장치는 초당 10,000프레임을 수집할 수 있었습니다. 그리고 처음으로 그녀는 메커니즘을 명확하게 볼 수 있었습니다.

4개의 꽃잎이 합쳐져 있습니다. 그들은 꽃잎에서 튀어나온 4개의 구부러진 팔 모양 구조(꽃가루를 담고 있는 수술)를 간신히 붙잡고 있습니다. 뚱뚱한 땅벌이나 호기심 많은 인간의 코에 의해 방해를 받으면 꽃잎이 갈라집니다. 이렇게 하면 수술이 풀리고 바깥쪽으로 뒤집힐 수 있습니다. 그것들은 2,400(지구 중력 가속도의 2,400배)의 g-force로 가속하면서 움직입니다. 비교를 위해 전투기 조종사는 기절하기 전에 약 9의 g-force를 처리할 수 있습니다.

수술의 플립은 꽃가루 자루를 뿜어냅니다(각 수술 끝에 하나가 부착되어 있음). 그 꽃가루 구름은 이제 바람 속으로 날아가거나 다른 무엇이든 폭발을 일으켰을 수 있습니다.

Edwards의 초기 작업은 현재 번성하고 있는 연구 분야의 시작을 알렸습니다. 고속 카메라와 기타 첨단 장비는 곧 빠른 식물의 비밀을 조사하는 데 사용되기 시작했습니다.

예를 들어 Edwards와 Whitaker는 폭발하는 핵폭탄처럼 Sphagnum affine이라는 토탄 이끼가 버섯 구름으로 폭발한다는 사실을 발견했습니다. 건조하고 화창한 날에는 이끼 표면에 점을 찍는 작고 부풀어 오른 포자 캡슐이 말라 버릴 수 있습니다. 이로 인해 축소됩니다. 이는 캡슐 내부의 기압을 지구 대기압의 몇 배로 증가시킵니다. 그 압력이 너무 커지면 캡슐이 폭발하여 포자 구름을 뿜어냅니다.

듀오는 컴퓨터를 사용하여 무슨 일이 일어나고 있는지 모델링했습니다. 이것은 그들이 2010년에 보고한 바에 따르면, 버섯구름이 그렇지 않으면 날아갔을 것보다 20배 더 높이 포자를 쏘았다는 것을 보여주는 데 도움이 되었습니다. 그 높이 덕분에 포자가 바람을 잘 타고 새로운 땅으로 이동할 가능성이 크게 높아졌습니다.

수중 추진

식물은 심지어 수 중에서 인상적인 움직임을 관리할 수도 있습니다. 방광나물(Utricularia 속)을 섭취하십시오.

이 식물의 수생 형태는 호수나 연못 표면 아래의 얇은 잎이 많은 줄기에서 꽃을 핍니다. 줄기에는 함정이 흩어져 있습니다. 각각은 여닫이 뚜껑이 있는 자루 모양입니다. 매우 작은 각 자루는 크기가 몇 밀리미터(100분의 1인치)에 불과합니다.

덫을 놓기 위해 식물은 자루 안에서 물을 퍼냅니다. 이것은 한 쌍의 빨려 들어간 뺨처럼 측면을 뒤집습니다. 모기 유충과 같은 먹이가 덫의 입에 털이 날리면 뚜껑이 열립니다. 외부의 물이 빨려 들어가 먹이를 끌어들입니다. 그런 다음 뚜껑이 닫히면 애벌레가 갇히게 됩니다. 열림에서 닫힘까지, 방광나물은 약 1000분의 1초 안에 먹이를 가둘 수 있습니다!

사실 물은 식물의 가장 기본적인 움직임인 성장에서 핵심적인 역할을 합니다.

Wendy Kuhn Silk는 “물이 세포로 이동하여 팽창할 때 성장이 일어납니다.”라고 말합니다. 그녀는 University of California, Davis의 생물학자입니다. “대부분의 성장 반응 속도는 조직의 물 이동 속도에 의해 결정됩니다.”

세포에서 세포로 이동하는 물은 가지를 밀어내고 식물의 뿌리를 토양으로 보낼 수 있습니다. 나뭇잎이 태양을 향하도록 움직일 수도 있습니다. 그러나 그러한 움직임은 쪼개지는 것과는 거리가 멀다. 예를 들어 비너스 파리지옥이 물에 의한 움직임에 의존해야 한다면 닫히는 데 10초가 걸릴 수 있습니다. 가장 무기력한 파리라도 그러한 슬로우 모션 매복 공격에 거의 빠지지 않을 것입니다.

식물은 과학자들이 기계적 불안정성이라고 부르는 특정 물리적 특성을 활용할 때까지 진정한 액션 피규어가 되지 않습니다. 때때로 이러한 불안정성은 식물이 자라면서 발생합니다. 팽팽해질 때까지 당겨진 활의 줄처럼, 식물은 위치 에너지를 저장할 수 있습니다. 줄을 너무 많이 당기거나 충분히 밀면 억눌린 에너지가 방출됩니다. 이것은 위치 에너지를 운동 에너지로 변환합니다. 유사한 스냅인 액션이 식물에서도 발생할 수 있습니다.

예를 들어, 기계적 불안정성은 파리지옥에 스냅을 제공합니다. 일부 식물이 점프하도록 허용할 수도 있습니다. 말꼬리 식물인 Equisetum을 살펴보세요. 구부러진 X 모양의 미세한 포자를 방출합니다. 젖으면 포자의 다리가 말립니다. 나중에 마르면 다리가 펴집니다. 습도 변화로 인한 말림 및 풀림으로 인해 포자가 주위를 맴돌게 됩니다. 때때로 다리가 압축됩니다. 나중에 풀려나면 일부 포자를 바람에 날리는 강력한 발차기를 보여줄 수 있습니다.

이동하는 방법이 너무 많습니다

식물이 보여줄 수 있는 다양한 액션 동작은 속도만큼이나 인상적입니다. 예를 들어 미국 난쟁이 겨우살이의 행동은 뜨겁습니다. 정말 뜨겁다.

이 기생 식물은 서해안을 따라 소나무 가지에서 구근 어린 가지에서 자랍니다. 이 기생충이 이동해야 할 때가 되면 겨우살이는 초당 약 20미터(65피트)의 속도로 씨를 뿌립니다. 수수께끼는 이 위업을 어떻게 관리했는지였습니다.

그런 다음 2015년에 연구원들은 이 종자 분산이 자체 생성된 열에 의해 촉발되었음을 보여주었습니다. 생물학자들은 열화상(온도 차이 표시)으로 겨우살이를 연구하고 있었습니다. 이 이미징은 밀리미터(1/100인치)보다 작은 영역에 걸쳐 온도의 미세한 변화를 표시할 수 있습니다. 겨우살이가 씨앗을 방출하기 약 1분 전에 식물은 약 섭씨 2도(화씨 3.6도) 따뜻해집니다.

미토콘드리아는 열을 발생시킬 수 있는 세포 구조입니다. 그리고 그들은 이 식물의 고의적인 발열에 책임이 있습니다. 불이 붙은 도화선처럼 전지가 가열되면 식물의 끈적끈적한 젤이 팽창하게 됩니다. 그리고 그 물리적 확장은 씨앗을 폭발적으로 추진했습니다.

식물 움직임의 가장 작고 이상한 원인 중 하나가 AoB Plants 저널 2월호에 보고되었습니다. 초당 1,000프레임의 속도로 사진을 찍을 수 있는 카메라로 연구원들은 이끼 Brachythecium populeum(Brak-ee-THEE-see-um Pop-yu-LAY-um)의 작은 움직임을 기록했습니다. 이 식물을 축구 스타에 비유할 수 있습니다. 포자를 둘러싼 구부러진 조직인 “이빨”로 차버릴 수 있습니다. 미세한 이빨이 물을 흡수하면 구부러지고 휘어집니다. 건조되면서 이빨이 갑자기 바깥쪽으로 튀어 나와 포자가 바람에 의해 퍼질 수있는 곳으로 올라갑니다.

이 보고가 있은 지 한 달 후, 연구원들은 라크로스 스틱이 공을 던지는 방식과 유사한 새로운 식물 움직임을 설명했습니다. 그 움직임은 털이 많은 야생 피튜니아(Ruellia ciliatiflora)에서 나타났습니다. 꽃(진짜 피튜니아가 아님)에는 길쭉한 꼬투리가 있습니다. 각 꼬투리에는 약 20개의 원반 모양의 씨앗이 들어 있습니다. 후크는 각 씨앗을 제자리에 고정합니다.

자라면서 꼬투리는 이음새가 팽팽해지기 시작합니다(젖으면 약해질 수 있음). 꼬투리가 마침내 갈라져 열리면 내부 갈고리가 씨앗을 튕겨내어 각각에 어지러운 회전을 가합니다. 씨앗은 분당 거의 100,000회 회전할 수 있습니다. 이는 모든 식물이나 동물에서 볼 수 있는 가장 빠른 회전입니다. 흥미롭게도 연구원들은 이러한 씨앗의 비행을 안정적으로 유지하는 것이 바로 이 스핀이라고 보고합니다.

Pomona College의 물리학자 Eric Cooper와 그의 동료들은 2018년 3월 Journal of the Royal Society Interface에 연구 결과를 설명했습니다.

공장 허슬

기계적 불안정성을 통해 에너지를 저장하고 방출하는 것은 식물이 속도를 마스터하는 한 가지 방법을 제공합니다. 그것은 그들 중 일부가 식물이 토양에서 빨리 채굴할 수 없는 좋은 영양분인 곤충을 빠르게 포획하는 데 도움이 됩니다. 그것은 다른 식물이 자손을 먼 거리로 흩어지게 하는 데 도움이 됩니다. 이것은 그렇지 않은 식물에 비해 이점을 줄 수 있습니다.

그러나 식물 속도 악마가 어떻게 진화했는지 이해하는 것은 대체로 미스터리로 남아 있습니다. 최근 한 단서가 방광초의 속도에 대한 경로를 밝힐 수 있습니다. Anna Westermeier는 독일 프라이부르크 대학교에서 근무하고 있습니다. 그녀는 덫과 같은 구조를 발달시킨 한 종을 발견했습니다. 하지만 이 “함정”은 아무것도 잡을 수 없었습니다. 왜? 열리거나 닫히지 않았다고 그녀는 작년에 Scientific Reports에 보고했습니다.

그 구조는 식물의 원시 형태로 보인다. 여기에서 함정은 완전히 작동하지 않는다고 그녀는 지적합니다. 속도에 필요한 것의 일부를 진화시킨 친척을 식별하면 빠른 동작이 어떻게 나타났는지 밝히는 데 도움이 될 수 있습니다.

Whitaker는 다른 식물에서 속도를 낼 수 있는 유사한 초기 단계의 구조를 찾기를 희망합니다. 이제 씨앗을 폭발적으로 퍼뜨리는 것입니다.

칼 니클라스(Karl Niklas)는 뉴욕 이타카에 있는 코넬 대학의 식물 전문가입니다. 그는 40년 이상 식물 진화를 연구했습니다. 빠르게 움직일 수 있는 식물을 찾는 것은 “전혀 놀라운 일이 아닙니다”라고 그는 말합니다. 사실, 그는 식물을 대체로 느리고 지루하며 수동적인 것으로 보는 것이 순진하다고 생각합니다. 그들은 실제로 적응할 수 있습니다. 그리고 이것이 그가 “식물이 우리보다 훨씬 더 오래 존재할 것”이라고 의심하는 이유 중 하나입니다.