Underground Networking

지하(토양) 네트워크

give or take? 주기 또는 받기?

육상식물의 약 80%는 뿌리의 속과 겉에 균근(mycorrhizae)을 갖는다. 곰팡이는 토양을 통해 뻗어나가며 자란다. 1g의 토양에 100m의 균근균 균사가 포함되어 있을 수 있다. 왕성하게 생장하는 뿌리 표면부위에서, 곰팡이는 식물이 토양으로부터 물과 영양분, 가장 중요하게 질소와 인의 흡수를 돕는다. 그들은 또한 토양 병원균으로부터 식물을 보호한다.

반대로 식물은 탄수화물을 공급한다. 광합성 산물의 20-40% 만큼이 곰팡이에게로 흘러 들어갈 수 있다. 대부분의 식물과 곰팡이는 서로의 관계가 무차별적이어서, 여러 상대 종(species)과 관계를 맺으며, 하나의 곰팡이가 여러 서로 다른 식물들의 뿌리를 연결하는 가능성을 만들게 된다. DNA 지문법(DNA fingerprinting)에 의해 송이버섯균(matsutake)곰팡이에 의한 이러한 복잡한 연결(multiple link)이 확인되었다.

그런데 400종이 넘는 식물들이 계약을 어긴다. 그들은 광합성을 전혀 하지 않고 엽록소를 가지고 있지 않다. 초기에 과학자들은 그들이 분해자라고 생각하였으며, 사실 그들은 균근균에 기생하였다. 이러한 생활방식은 다른 식물그룹에서 여러 차례 진화 되어 왔으며 특히 난(orchid), 헤더(heather), 용담과(科) 식물에서 흔하다.

Orthilia 와 같은 녹색식물도 곰팡이의 탄소를 이용할 수 있다는 아주 최근의 발견은 이러한 능력이 생각했던것 보다 더 보편적이고, 생태학적으로 중요한다는 것을 제시하고 있다.

독일 Bayrenth 대학의 G. Gebarer 교수는 “식물학에서 녹색식물이 자가 영양을 한다는 것은 정설이었는데 이제는 더 이상 유효하지 않다”고 말한다. 그의 연구팀은 최근 잘 자라기 위하여 균근균의 탄소를 이용할 수 있는 5종의 녹색식물인 난을 발견하였다. “이것이 난초가 숲속 깊은 곳의 그늘진 곳에서도 살 수 있도록 해준다”고 Gebauer는 말한다. “그들은 어떤 초본류 경쟁자도 없이 개척자로서 살아갈 수 있다”

그의 연구팀 동료인 Bidartondo는 매우 작고 영양분이 적은 종자를 갖는 모든 난초는 자급자족할 수 있을 때가지는 곰팡이로부터 양분을 얻는 것으로 생각을 한다. 이것은 커다란 생태학적인 효과를 가질 수 있다. 그는 식물이 새롭게 정착할 때, 곰팡이로부터의 양분 이동이 비록 양이 많지 않다하더라도 경쟁에 영향을 줄 수 있다.

wood-wide web 나무 연결 망

몇 가지 식물들이 곰팡이 네트워크를 이용할 수 있다는 것은 비록 어떻게 그렇게 하는지는 알려져 있지 않지만 더 이상 논쟁거리가 아니다. 더 논쟁이 되는 것은 곰팡이를 통한 식물간의 영양분의 흐름이 숲생태계의 “wood-wide web"의 일반적이고 중요한 특징인가 하는 점이다.

캐나다의 British Columbia 대학의 S. Simard 교수는 곰팡이 네트워크가 나무들이 어린나무(seedling)를 지원하도록 하고 있을 수 있으며 아마 진화적인 이익을 나무에게 제공할 것이라고 한다. “성숙한 나무가 그 밑의 같은 종의 어린 나무의 생장을 촉진하는 증거가 많이 있으며, 그 증거는 네트워크가 중요하다는 것이다”라고 그녀는 말한다. 예를 들어 참나무에 의한 실험에서, 참나무를 같은 종류의 나무근처에 심은 것이 단풍나무 근처에 심은 것보다 더 양호한 것이 밝혀졌고, Simad는 fir tree에서 비슷한 것을 발견하였다.

Bidartondo와 마찬가지로 그녀는 이러한 어린 나무에 대한 후원(boost)은 곰팡이에 의해 매개되며 생태적으로 중요하다고생각한다. “초기 생장은 생태계의 궤적을 만든다”고 그녀는 말한다. 이러한 효과는 심지어 서로 다른 종(species) 사이에서도 보인다.

1997년 [Nature]지에 게재된 한 연구에서, Simard의 연구팀은 0.5m 떨어져 자라는 paper birch(Betula papyifera)와 Douglas fir(Pseudotsuga menziesii) 어린 나무의 잎에 보통의 탄소(C-12) 대신 C-14 또는 C-13이 들어 있는 이산화탄소를 공급하였다. 그들은 birch 와 fir사이에서 한쪽 방향으로 이동하는 원소를 측정할 수 있었다. 그들 네트워크에서 그늘에 자라고 있는 나무들은 다른 쪽 식물들로부터 더 많이 받았다. 9일후에 각 식물에 주어진 평균 약 4%의 탄소 동위원소가 다른 종의 잎에서 나타났다. 그리고 birch에서 fir로의 탄소 이동량은 fir가 그늘에 있을때 2배가 되었다. 비록, 곰팡이에 의한 식물사이의 탄소 이동이 실험실 조건의 연구에서는 증명이 되었었지만 Simard의 연구는 현장(field)에서 그 현상이 발생하는 것을 보여주었던 것으로서, 분수령이 되었다.

이 연구는 탄소가 양쪽 방향으로 이동할 수 있다는 것, 상당한 양의 탄소가 이동된다는 것, 그 양은 환경조건에 따라 달라진다는 것을 증명하였다.

이 연구가 발표된 이후 다른 연구들에서 빛 환경 뿐만 아니라 식물생장 시기도 이동의 양상에 영향을 준다는 것이 사탕단풍(sugar maple) 어린 나무가 생장이 빠른 다년생 trout lily로부터 봄에 양분은 얻고, 가을에 그 은혜를 돌려준다는 것을 함께 증명하였다.

미국의 왜래 잡초로서 피해가 큰 spttted knapweed는 곰팡이를 통해 다른 식물로부터 영양(자원)을 훔칠 수 있는 능력이 있음이 또한 제시되었는데 한 연구에서 knapweed의 새순(soot)의 탄소의 15%는 Idaho fescue라는 자생 초본식물로부터 온 것임을 알아내었다.

Simard는 현재 숲의 그늘이 초원으로 만들어지는 건조지역에서 나무의 범위(수관) 가장자리에서 곰팡이와 Douglas fir 사이의 상호작용에 대해 연구하고 있다. 그런 지역에서는 물이 곰팡이를 통하여 나무사이를 또한 이동할 수 있음을 밝혀내었다. “균근균은 스트레스가 많은 기후조건일 수록 더 중요하다”고 그녀는 말한다.

식물을 도와서 스트레스를 극복하고 어린 나무를 도와서 살 수 있게 하여 곰팡이 네트워크는 식물사회를 환경적인 스트레스에 직면하여 더 안정적이도록 하고 피해로부터 더 빠르게 회복하도록 한다고 그녀는 생각한다. Simard는 서로 다른 종들 사이의 자원의 분배에 의해 곰팡이는 여럿의 식물 파트너를 보존시킬 수 있고 또한 식물병과 초식동물에 대항할 수 있도록 한다고 말한다. “만약 곰팡이가 더 크고 더 다양한 네트워크를 형성할 수 있으면 생존 기회는 더 양호하게 된다”고 그녀는 말한다.

곰팡이는 어린 식물들이 정착할 수 있도록 돕게 되는데, 왜냐하면 토양속에서 다른 곰팡이와 경쟁하는데 도움을 주기 때문이다. 즉 현존하는 파트너에게 영양을 공급하는 것이 새로운 기주식물을 찾는 것보다 더 효과적일 수 있기 때문이라고 Selosse는 말한다. 그 대신 몇몇 식물은 소량의 비타민 또는 심지어 호르몬을 곰팡이가 주는 탄소에 대신하여 공급할 수도 있다고 그는 말한다.

up-rooting claims 근본적인 주장들

그러나 모든 사람들이 이를 확신하는 것은 아니다. “희망이 섞인 사고이며 그 증거는 비판적으로 검토되지 않았다”고 영국 Aberdeen 대학의 D. Robinson은 말한다. “균근균에 의한 이동에 의해 식물간에 영양을 나눈다는 것은 확실한 증거가 있다고 생각하지 않는다”. Robinson(York 대학의 A. Fitter와 공동 연구)은 탄소는 곰팡이보다는 토양을 통해 이동하는 것일 것이며, Simard의 실험에서 식물에서 보이는 소량의 탄소 동위원소 또한 fir와 birch 사이의 균근균을 공유하지 않는다는 것이다. 그리고 Robinson의 실험에 의하면, Fitter 연구그룹은 비록 곰팡이에 의해 식물사이에 원소가 이동될지라도 그들은 뿌리 시스템에 머물게 되며 잎과 줄기까지는 가지 않았으며 이는 양분이 곰팡이 조직에 저장이 되고 식물로 이동되지는 않는다는 것을 알아내었다.

“이동하는 탄소는 주로 곰팡이의 양분이다”라고 Robinson은 말한다. Fitter는 다윈주의자의 관점에서 식물이 그 주변 식물을 도와서 이롭게 한다는 것은 전혀 그럴 듯 하지 않은 것이라고 덧붙인다.

Simard는 “탄소가 토양을 통해 이동한다는 것은 의심의 여지가 없다”고 말한다. “나는 탄소가 균근균과 토양, 양쪽을 통해서 이동한다고 생각한다.” 그러나 그녀는 식물사이의 이동에 대한 증거는 과거 10여년간 보강되어 왔다고 믿고 있으며, 그녀의 그룹은 최근 birch와 fir를 가지고 재실험을 하여 비슷한 결과를 얻었다. Robinson과 Fitter의 실험은 “숲에서와는 아주 다른 시스템인 초원지대 식물을 이용해 실시되었다”고 그녀는 말한다.

Simard는 다음과 같이 덧붙여 말한다. “단순히 탄수화물을 하나의 식물에서 다른 식물로 보내기 보다는, 곰팡이는 처음에 식물과 곰팡이 사이의 보통의 탄수화물-질소 교환의 일환으로서 형성된 질소 함유 화합물인 아미노산을 만드는데 탄소를 사용할 것이다.” 이는 왜 곰팡이가 어렵게 얻은 양분을 돌려보내는지 설명하는데 문제가 되는 점들을 회피할 수 있도록 한다.

비록 양분이 식물에서 식물로 이동하지 않을 지라도 균근균 네트워크는 식물 상호작용에 영향을 미치는 다른 방법을 지닌다. “당신은 곰팡이 네트워크를 통한 식물사이의 이동에서 직접적인 양분이동이 이익인지 불이익인지 주의를 기울일 필요가 없다”라고 핀란드 Oulu 대학의 Kytoviit 교수는 말한다. 그녀는 몇가지 묘목이 균근균 네트워크로 연결될 때 더 나빠지는 것을 발견하였다. 초본식물을 이용한 온실 실험에서 균근균을 가진 어린 식물이 가장 좋았다. 그러나 어른 식물이 있으면 균근균이 없는 것보다 있을 경우 어린 식물은 좋지 않았다.

캐나다 Guelph 대학의 J. Klironomos 교수는 우리가 찾고있는 균근균의 영향이라는 것은 식물과 곰팡이 사이의 positive와 negative 상호작용의 스펙트럼(spectrum) 내에 있다. 식물과 곰팡이 사이의 서로 다른 조합의 실험으로 그는 착취에서 공생과 중립으로 범주화할 수 있다는 것을 발견하였다.

하나의 곰팡이가 그것과 연결된 한 식물에 영양을 공급해줄 수 있으며 또 다른 식물은 착취하고 한편, 제3의 식물에게는 속임을 당한다. “나는 균근균 네트워크의 존재를 확신한다. 그러나 행동 메카니즘이 탄소 이동인지는 확신할 수 없다. 더 흥미로운 것은 곰팡이가 다른 식물에게 이동시키는 다른 양분(자원)이고 곰팡이가 식물로부터 요구하는 탄소의 다른 양이다. 이 방정식에 모든 것을 집어 넣으면 흥미로운 시실을 얻을 것이다”라고 Kloronomos 는 말한다.

현재까지 시도된 연구는 하나의 곰팡이에 의해 연결된 두 식물 종을 찾아보는 것으로서, 실제 다양한 자연 세계를 단순화한 것이었다. 그러한 연구는 스넵사진같은 것이며 그러나 곰팡이와 나무가 수백년을 각각 생존과 번식에 어떤 영향을 미치는지 알지 못한다. 곰팡이에 대하여, Bidartondo는 “우리는 그것을 어떻게 측정하는지에 대해서도 확실하지 않다”고 말한다. Fitter는 우선순위는 균근 곰팡이에 대한 이해의 큰 gap을 채우는 것에서 시작하여야 한다고 믿는다. 우리는 곰팡이 다양성 정도 또는 식물과 곰팡이 사이의 교환 메카니즘도 알지 못한다고 그는 지적한다. “균근균은 생물다양성과 생태계 서비스의 수에 대하여 커다란 중요성을 갖는다. 그러나 우리가 그것이 무엇인지 알아내는 데는 먼 길이 남아 있다”고 Fitter는 말한다.