똑똑한 식물과 영리한 미생물의 밀고 당기는 공생 이야기

이용환

“인간만 의사소통을 할 수 있다?” 노! “식물도 소셜 네트워킹을 한다?” 예스! “미생물은 있어봤자 병만 일으킨다?” 노! “미생물 덕분에 우리가 산다?” 예스! 지구의 모든 생물은 미생물을 중심으로 연결되어 있다! 몇 년 전 크게 흥행한 할리우드 영화 <마션>에서 화성에 홀로 남겨진 주인공이 흙에 똥을 넣어 감자를 기르는 모습이 나와 화제가 된 적이 있다. 주인공이 화성에서 감자를 키울 수 있었던 이유는 똥 속에 미생물이 있었기 때문이다. 지구에서처럼 흙속의 미생물이 감자의 생장을 돕고 면역력을 키워주지 않았다면 주인공은 화성에서 살아남지 못했을 것이다. 미생물은 식물의 생장뿐 아니라 동물에도 큰 영향을 미치는데, 미생물이 모두 제거된 곤충은 변태가 일어나지 않으며, 무균쥐는 장기가 제대로 자라지 않고 환경에 민감해져 오래 살지 못한다. 인간이라고 다르지 않다. 심지어 기분에도 영향을 미치니 말이다. 얼마 전에는 세로토닌처럼 인간의 감정에 영향을 미치는 호르몬을 생산하는 데 장내 미생물이 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다. 미생물이 없다면 인간은 감정적으로 훨씬 예민해지고 감정 조절을 못하게 될 것이다. 또 비만인 사람의 장에 유독 많이 사는 균이 있고 반대로 그렇지 않은 사람의 장에 유독 많이 사는 장이 있다는 재미있는 연구결과도 있다(장내 균의 종류는 식습관과 생활습관으로 충분히 바뀔 수 있다고 한다). 이제는 지구상에 미생물이 먼저 나타났고 이후 나타난 생물들이 자연스럽게 미생물과 같이 살아가는 방법을 터득했다는 주장이 정설이 되었다. 그러므로 미생물 없는 식물은 존재할 수 없고, 인간도 존재할 수 없다는 데 많은 생물학자들이 동의한다. 최근 생물학계에 일고 있는 큰 흐름 중 하나는 살아 있는 유기체와 미생물의 관계를 하나의 커다란, 또 다른 형태의 유기체(super-organism)로 보는 것이다. 많은 사람들의 관심을 끌고 있는 홀로바이옴(holobiome) 개념이 그렇다. 장 속 유산균처럼 사람의 몸속에 사는 전체 미생물들을 말하며, 체내 미생물의 종류와 수가 그 사람의 건강과 정서에 큰 영향을 주기 때문에 사람과 미생물은 한 몸이나 마찬가지라는 개념이다. 그리고 생명체에 존재하는 모든 미생물을 통칭해 마이크로바이옴(microbiome)이라고 한다. 《좋은 균, 나쁜 균, 이상한 균》은 이러한 지구상의 미생물과 식물의 공존에 관한 이야기를 다룬다.

머리말

1 ㆍ 미생물 교실 101
너무 작아, 미생물! | 미생물이 없으면 인간도 없다 | 미생물의 정체를 밝혀라! | 초대받지 않은 손님을 막아라!

2 ㆍ 화성에서 감자 심기
똥을 약으로 쓴다? | 감자에게 ‘건강한 똥’을 먹이면 | 지구 생태계의 숨은 주인공 | 돈이 되는 미생물 | 식물의 아군, 미생물

3 ㆍ 폭탄을 주고받는 식물과 미생물
Z를 그리는 식물과 미생물 | 1단계: 식물, 미생물의 패턴을 알아채다! | 2단계: 식물의 분자패턴 인식을 무력화하라! | 3단계: 식물, 미생물의 단백질 폭탄의 뇌관을 제거하라! | 4단계: 다시 미생물의 반격이 시작된다

4 ㆍ 스스로 인구를 조절하는 세균들
눈에서 빛이 나는 하와이 오징어 | 때가 돼야 일하는 세균들 | 식물의 면역반응을 피하는 영리한 세균들 | 세균학에서 가장 많이 쓰이는 법률용 | 정족수 인식 교란하기

5 ㆍ 적과의 동침: 식물을 먹으려고 서로 돕는 미생물과 곤충
곤충 버스를 탄 바이러스 | 오이와 풍뎅이를 조종하는 에르위니아 | 충의 역습, 세균을 부리는 곤충

6 ㆍ 인간의 경쟁자 미생물: 적으로 적을 잡는 이이제이 전략
나뭇잎에서 똘똘한 세균을 찾자 | 착한 세균의 조건 | 세균을 가로수에 뿌려보자! | 세균이 보호한 사과나무 | 계속되는 질문들 | 최초의 농약 이야기 | 변화하는 농약회사

7 ㆍ 질소고정세균은 친구인가 적인가
콩에 기생하는 뿌리혹세균 | 뿌리혹세균의 삶과 생활: 콩네 집을 찾아서 | 콩네 집에서는 무슨 일이 일어날까? | 마냥 반갑지만은 않은 손님 | 콩의 선물

8 ㆍ 식물의 보디가드를 자처하는 세균들
미생물을 다시 생각하게 만든 클로퍼 교수 | 다재다능한 슈도모나스 세균: 밀을 구하라 | 밀밭의 수수께끼를 밝힌 쿡 | 새로운 보디가드

9 ㆍ 식물의 면역을 높이는 방법: 너무 힘 빼지 말자!
식물을 보는 생태학자의 새로운 눈 | 에너지보존이론을 벗어난 실험결과 | 식물도 기억한다, 저항성 프라이밍

10 ㆍ 클로렐라 드셨습니까?
클로렐라 넌 뭐니? | 클로렐라는 식물에 무슨 일을 하는 걸까? | 식물을 들뜨게 만드는 클로렐라 | 노화를 늦추는 클로렐라 | 클로렐라의 비밀을 찾아라 | 고추밭의 클로렐라

11 ㆍ 꽃의 색을 바꿔드립니다: 착한 바이러스 이야기
나쁘지 않은 바이러스가 있을까? | 장을 가득 채운 식물 바이러스 | 꽃의 색을 바꾸는 바이러스 | 식물을 도와주려는 바이러스의 다단계 전략 | 병이나 곤충을 막아주는 바이러스 | 적의 적은 친구? | 다시 착한 바이러스를 생각한다

12 ㆍ 식물도 소셜 네트워킹을 한다
온실의 골칫거리 | 병원성 바이러스를 남기고 떠나다 | 진호의 질문: 온실가루이가 고춧잎을 먹을 때 고추에는 어떤 일이 일어날까? | 기현의 질문: 온실가루이의 공격을 받았던 고추가 뿌리를 공격받으면 무슨 일이 일어날까? | 찬오의 질문: 온실가루이가 진짜로 식물의 저항성반응을 증가시킬까? | 선영의 질문: 저항성반응은 고추의 뿌리에 어떤 영향을 미칠까? | 세계적인 저널에 실리다 | 재헌의 질문: 식물이 저항성반응을 보일 때 뿌리에서 나오는 물질에 어떤 미생물이 끌려올까? | 생명을 살리는 네트워킹

13 ㆍ 자연의 대화는 생각보다 복잡하다: 옥수수-선충-세균-곤충의 4자회담
해충에 강한 유럽 옥수수, 해충에 약한 미국 옥수수 | 미국 옥수수를 살려라! | 열쇠는 선충이 쥐고 있다 | 곤충의 암살자를 찾아라!

14 ㆍ 지구의 에이와 나무
식물은 뿌리로 대화한다? | 첫 번째 과제: 어떤 스트레스를 줄까? | 두 번째 과제: B 식물에 신호가 전달되었다는 것을 어떻게 쉽게 알 수 있을까? | 세 번째 과제: 잎에서 잎으로 전해지는 신호를 차단하라! | 네번째 과제: 뿌리 사이의 대화에서 사용되는 신호물질은 무엇일까? | 서로를 보살피는 식물들

맺음말
참고문헌

이 논문에 쓰인 ‘feces’란 단어는 똥을 조금 고급스럽게 표현하는 말이다. 그런데 치료법 자체는 고급을 논하기가 좀 애매하다. 놀라지 마시라. 이 연구팀은, 지원한 클로스티디움병 환자 16명에게 건강한 사람의 똥(건강한 똥)을 먹였다! 그리고 정말 다행스럽게도 병은 획기적으로 호전되었다. 1~2주 안에 설사가 멈췄고, 한 달이 지나자 환자가 다시 움직일 수 있었고, 두 달 후에는 퇴원할 수 있었다. 더 신기한 것은 병이 재발하지 않았다는 점이다. 이 엄청난 치료법은 많은 클로스티디움병 환자들을 건강하게 만들어주었다. -38쪽우리는 미생물이 없는 조건에서 살아본 적이 없기 때문에 미생물이 우리에게 얼마나 중요한 존재인지를 잘 모른다. 심지어 대부분의 사람들은 모든 미생물을 병을 일으키는 나쁜 생명체로 알고 있다. 하지만 미생물이 없다면 지금 이 생태계는 유지될 수 없다. -44쪽세균이 빨대 모양의 관을 식물 세포에 삽입한 후 그 관으로 단백질 폭탄을 집어넣는 모습을 전자현미경으로 관찰하고 사진을 찍는 데 성공했다. 더욱이 새롭게 밝혀진 놀라운 사실은 세포 속으로 들어가는 단백질의 크기가 이 빨대의 지름보다 크다는 점이다. 마치 코끼리를 냉장고에 넣는 것과 비슷한 일이 벌어지고 있는 것이다. -61쪽세균이 정말로 대단하다고 생각되는 것이, 효소를 세포벽에 막무가내로 들이붓는다고 성벽을 녹일 수 있는 게 아니다. 순차적으로 적당하게 식물에 처리해야 한다. 세균은 이 작업까지 능숙하게 해낸다. 식물의 세포벽은 여러 겹으로 되어 있기 때문에 첫 번째 벽부터 차근차근 녹여야 한다. 만약 실수로 두 번째 벽을 녹일 수 있는 효소로 첫 번째 벽을 공격하면 식물의 성벽은 무너지지 않는다. 시멘트와 철근으로 이루어진 건물 벽을 해체하려 해도 순서가 있고, 시멘트와 철근을 부수는 방법도 다 따로 있다. 그런데 식물의 세포벽은 이것보다 훨씬 복잡한 구조로 되어 있다. -74쪽식물 바이러스는 혼자서 할 수 있는 일이 없다. 번식할 수 있는 유일한 기회는 운 좋게 식물의 세포질 속에 들어갔을 때만이다. 곤충이 없으면 살아 있다고 이야기할 수 없을 만큼 곤충에 대한 의존성이 높고, 스스로의 힘으로는 자가복제(다음 세대의 자손을 생산하는 것)를 할 수 없으므로 식물에 들어가 그 세포 속에서 세포가 가진 여러 단백질과 유전물질을 이용한다. 남의 둥지에 마음대로 들어가 알을 낳고 새끼는 다른 새가 키우도록 내버려두고는 줄행랑치는 뻐꾸기가 생각난다. 바이러스는 곤충이 식물을 먹으면서 낸 상처를 통해 침입한다. 식물까지 모셔다드리고 문도 열어주고 들어간 것까지 확인해주는 착한(?) 조력자 친구인 곤충을 두고 있으니 바이러스는 대단한 미생물이다. -88쪽플라보노이드는 콩이 뿌리 주위에 있는 미생물들에게 보내는 신호라고 할 수 있다. 마치 라디오방송국에서 방송신호를 내보내는 것과 비슷하다. 라디오 방송을 들으려면 라디오라는 수신기가 있어야 한다. 라디오는 공기 속에 돌아다니는 여러 신호에서 내가 원하는 신호를 찾아내 적당한 소리로 변환한다. 이렇게 생각하면 뿌리혹세균은 라디오 수신기다. 뿌리혹세균은 여기저기서 들려오는 다양한 화학신호로부터 콩이 보내는 신호를 구분하고 그중에서도 특별한 신호인 플라보노이드를 찾아낸 후 콩으로 향한다. -126쪽이렇게 여러 가지 시도를 해본 끝에 도달한 답은 선풍기였다. 여름에 선풍기 바람을 쐬고 있던 중 “유레카!”라고 외칠 뻔했다. 방법은 이렇다. 기다란 화분 하나에 일렬로 야생담배를 심고서 한쪽 끝에 있는 야생담배 잎에만 BTH를 처리하고 반대쪽 끝에 있는 야생담배 옆에 선풍기를 켜놓는다. 이렇게 하면 야생담배에 처리한B TH 때문에 주위로 냄새가 풍기더라도 바로 옆에 있는 야생담배로는 바람이 역류하지 않는 한 도달하지 않을 것이다. 이 아이디어를 떠올리고는 얼마나 기뻤는지 모른다. 선풍기 하나로 모든 것이 해결된 것이다. -246쪽

세계적 식물학자가 들려주는 최신 발견들
미생물의 주요 동반자 중 하나는 식물이다. 생각해보면 우리가 매일 먹는 음식들도 대부분 식물의 산물들이다. 하지만 우리는 주위를 둘러싼 식물, 그리고 그들과 함께 살아가는 미생물의 생활에 대해서는 잘 모른다. 그동안 식물이나 미생물에 관한 교양 과학서들이 많이 출간되었지만, 대부분은 단편적인 과학적 사실을 나열하거나 오래 전의 발견들에 관한 과학사적 내용이 주류를 이루었다.
이 책은 세계적으로 폭넓게 연구활동을 하고 있는 한국생명공학연구원의 류충민 박사가 자신의 연구경험뿐 아니라 저명한 동료 과학자들의 최신 발견들을 고스란히 담았다. 현미경 발명과 미생물 발견 등의 과학적 역사에 관한 내용을 시작으로 똥으로 감자를 키우고 사람의 병을 고치는 일, 밤에 빛을 뿜어내는 오징어의 비밀, 유독 해충의 피해를 잘 입는 미국 옥수수와 대전시의 가로수를 건강하게 했던 프로젝트들, 해충의 공격을 막기 위해 미생물의 도움을 요청하고 주위 식물들에게 경고신호를 보내는 식물들, 유기농 사과재배에 이르기까지 다양한 이야기가 소개된다.
《좋은 균, 나쁜 균, 이상한 균》은 기초과학의 힘에 대해 생각하게 만드는 식물학 입문서로서 과학적 교양뿐 아니라 생명에 대한 호기심과 겸허함, 과학적 탐구정신을 길러주는 책으로 손색이 없다.식물도 기억하고 기록한다. 그럼 미생물은?
우리는 가끔 뉴스나 신문기사에서 ‘식물인간’, ‘식물국회’ 같은 말을 접하곤 한다. 이 말에는 식물은 아무것도 하지 못하고 아무 반응도 하지 않는 존재라는 의미가 담겨 있다. 이 책에 따르면 그러한 인식은 식물에게 모욕적인 표현이다. 이 책은 식물도 인간처럼 감각기관을 가지고 있고, 환경 변화를 인식하여 반응하며, 새로운 것을 학습할 수 있고, 다음 세대에 자신이 배운 것을 전달한다.
현재 식물학계에서는 식물의 다양한 지적 능력들을 발견하고 있고, 이에 관해 많은 연구들을 진행하고 있다. 이 책도 식물의 지적 활동을 많이 다루고 있다. 특히 친구도 됐다가 원수도 됐다가 애증의 20억 년을 함께 하고 있는 미생물과의 관계를 들여다보면 식물이 미생물과의 싸움에서 패배하지 않으려고 얼마나 고군분투했는지 알 수 있다. 미생물도 마찬가지다. 살아남으려면 똑똑해야 한다는 건, 그 작은 미생물에게도 예외일 수 없다! 인간의 눈으로 보기에 아무것도 아닌 생명체도 자신의 생존을 위해 환경과 상황에 대처하려고 끊임없이 ‘머리를 굴린다!’ 인간에게 중요한 것은 균형과 겸손임을 가르쳐주는 책
미생물이든 식물이든 생존하려면 주위 환경에 적응해야 한다. 이 미션에서 실패하면 멸종이다. 미션에 실패하지 않기 위해 모든 생물은 머리를 굴리고, 다른 생물의 뒤통수를 치거나 절친이 되기도 한다. 생존을 위한 고난이도의 ‘머리싸움’은 인간 사회에만 있는 것이 아니다. 식물과 미생물은 오랜 세월 동안 온갖 일을 다 겪으면서 서로의 이익을 공유하며 같이 살아가는 방법을 찾아냈다. 우리가 오늘도 마주친 많은 식물들, 그 속에 보이지 않는 많은 미생물들이 바로 그 증거다.
이제 우리 인간도 우리와 다른 생물들과의 관계를 다시 봐야 하지 않을까? 때로는 친구 사이처럼 때로는 원수지간처럼 때로는 복잡하고 이상한 관계를 맺는 식물과 미생물의 사례를 접하면, 지구에서 가장 고등한 생물이라며 자화자찬하고 다른 생명체에 안하무인인 인간은 반드시 겸손해져야 한다는 생각이 들 것이다.
인류는 생물이 자연계에서 살아가는 데 미생물이 큰 역할을 해왔음을 이제야 겨우 이해하기 시작했다. 최근에는 이전에 몰랐던 많은 병의 원인들이 사람과 상호작용하는 미생물의 불균형 때문이라는 사실이 밝혀지고 있다. 식물학계에서도 미생물과의 균형을 중시하는 관점이 널리 받아들여지고 있다. 병원균이라 하더라도 균형을 유지하면 병이 나지 않는다는 기본 생각을 가지고, 병원균을 무작정 죽이기만 하는 기존의 방식에서 벗어나려고 하고 있다. 《좋은 균, 나쁜 균, 이상한 균》을 읽고 우리가 배울 수 있는 것은 과학적 호기심의 중요성과 겸손이다. 이 책은 식물과 미생물들에 대한 기본 지식을 전달하는 것은 물론 지구에서 인간과 다른 생물의 공존을 다시 생각하고 겸손하게 만드는 쉽고 재미있는 과학 입문서다.