스트레스 받는 식물, 특정 초음파 소리 낸다
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2023-04-02 10:19:01
3'30" 읽기
- 식물에서 10cm 떨어져 있는 마이크는 가청 주파수를 초과한 20~250KHz 범위의 소리를 녹음
- 식물은 40에서 80kHz 사이의 주파수 범위에서 톤을 생성
- 소리는 식물의 상태와 종을 전달
지금까지 식물은 "침묵"의 존재로 여겨져 왔다. 그들은 소리를 통해서가 아니라 광학 신호, 촉각 자극 및 화학적 메신저를 통해서만 소통한다고 생각됐다. 사실, 많은 식물의 꽃과 잎은 상황에 따라 꽃가루 매개자를 유인하거나 이웃에게 해충을 경고하는 향기를 방출한다. 식물은 신호 물질을 통해 애벌레와 다른 게걸스러운 곤충에 대한 도움을 청할 수도 있다. 그들은 해충의 적을 유인하는 유인제를 생산하기도 한다.
토마토, 담배 등을 도청했다.
이것이 전부는 아니다. 텔 아비브 대학교(Tel-Aviv University)의 이츠하크 크하이트(Itzhak Khait)와 그의 연구팀이 이제 발견한 것처럼 식물의 의사소통 레퍼토리에는 인간이 들을 수 있는 소리도 포함된다. 그들의 연구 이유는 식물이 때때로 진동을 생성한다는 증거였다. 예를 들어 파이프 시스템에서 작은 기포가 터질 때 발생한다. "문제는 이러한 진동이 멀리서도 들을 수 있는 소리인 음파가 되는지 여부다"고 과학자들은 말했다.
이를 테스트하기 위해 Khait와 그의 팀은 매우 민감한 초음파 마이크와 함께 방음 상자에 다양한 유형의 식물을 배치했다. 각각의 식물에서 10cm 떨어져 있는 마이크는 인간이 들을 수 있는 주파수보다 훨씬 높은 20~250KHz 범위의 소리를 녹음할 수 있었다. 연구된 식물 종 중에는 토마토, 담배, 밀, 옥수수, 덩굴, 선인장 및 죽은 쐐기풀이 있다.
Tel-Aviv University의 수석 저자인 릴라흐 하다니(Lilach Hadany)는 "식물을 상자에 넣기 전에 다양한 처리에 노출시켰다. 일부는 정상적인 관리를 받았고, 다른 일부는 5일 동안 물을 받지 않았거나 줄기를 잘랐다"며 "우리는 식물이 소리를 내는지, 이 소리가 식물의 상태에 영향을 받는지를 테스트하고 싶었다”고 말했다.
초음파 범위에서 크래킹 및 팝핑
실제로 마이크는 식물에서만 나올 수 있는 소리를 녹음했다. "우리 실험의 식물은 40에서 80kHz 사이의 주파수 범위에서 톤을 생성했다"고 연구원들은 보고했다. 10cm 거리에서 이 신호는 최대 65dB(데시벨)의 소리 크기에 도달했다. 이것은 대략 정상적인 말의 소리 크기에 해당한다. "이 소리는 몇 미터 떨어진 곳에서도 들을 수 있을 만큼 크다"고 Khait와 그의 동료들은 설명했다.
우리 인간은 식물이 생성하는 소리가 초음파 범위에 있고 따라서 청력 한계보다 높기 때문에 이러한 식물 소리를 인식할 수 없다. 그러나 우리의 귀가 초음파에 민감하다면 식물이 내는 소리는 뽁뽁이가 갈라지는 소리나 팝콘을 만들 때 옥수수 알갱이가 터지는 소리처럼 들릴 것이다. Khait과 그의 동료들은 "우리가 식물 소리를 듣지 못하더라도 생쥐, 박쥐, 곤충을 포함한 많은 동물이 들을 수 있을 것이다"고 했다.
소리는 식물의 상태와 종을 전달한다.
도대체 식물의 소리는 무엇을 알려 줄까? 초음파 클릭 및 팝콘 터지는 소리에 어떤 정보가 포함되어 있을까? 테스트 식물에 대한 "도청"은 다음과 같은 사실을 밝혔다. 예를 들어, 건강한 토마토 식물은 시간당 한 번의 클릭만 만든다. 그러나 그들이 건조되었을 때 이것은 시간당 약 35 초음파 클릭으로 증가했다. 베인 상처의 경우, 토마토 식물은 시간당 약 25번 "불꽃"을 피웠다.
"우리의 측정 결과 방출된 소리에는 식물의 생리학적 상태에 대한 정보가 포함되어 있음을 보여준다"며 "모든 유형의 스트레스와 모든 식물 종은 특정하고 식별 가능한 소리와 관련이 있다"고 말했다. 이것은 과학자들이 테스트한 식물의 다양한 소리 방출에 대해 신경망을 훈련했을 때 분명해졌다.
예를 들어, AI 시스템은 약 80%의 적중률로 절단, 건조 및 건강한 토마토 식물을 구별할 수 있었다. 적응 시스템은 또한 다양한 식물 종의 딸깍 소리와 심지어 가뭄 스트레스의 정도까지 인식할 수 있었다.
기포 파열?
식물은 어떻게 이러한 초음파 소리를 생성할까? 과학자들에 따르면, 식물의 덕트 시스템에서 이전에 관찰된 기포의 캐비테이션(cavitation:액체의 미소한 일부의 주위가 액체로 둘러싸인 상태에서 기화하는 현상)이 이에 대한 원인일 수 있다. 기포가 터지면 진동이 발생하고 그중 일부는 초음파로 공기 중으로 전달된다. "캐비테이션 진동의 주파수 범위는 우리가 녹음한 소리와 부분적으로 겹친다"고 Khait와 그의 팀은 기록했다.
가뭄이나 부상 발생 시 딸깍하는 소리가 증가하는 것도 이에 부합한다. 식물에 물 부족이 있는 경우 부상이 있더라도 라인에 더 많은 기포가 형성되고 더 많은 공기가 침투한다. 그러면 둘 다 더 많은 거품이 붕괴되고 결과적으로 더 많은 진동이 발생한다.
“꽃밭은 시끄러운 곳”
Hadany는 "우리의 결과는 우리 주변의 세계가 식물 소리로 가득 차 있고 이러한 소리가 정보를 전달한다는 것을 시사한다. 예를 들어 물 부족이나 부상에 관한 것이다"고 Hadany는 말했다. 연구원들은 그들에 의해 테스트되지 않은 많은 식물이 또한 그러한 초음파 소음을 방출할 수 있다고 가정한다. "목가적인 꽃 초원은 우리가 그 소리를 들을 수 없더라도 꽤 시끄러운 곳이 될 수 있다"고 Hadany는 말했다.
과학자들에 따르면, 식물의 소리는 또한 생태학적 중요성을 가질 수 있다. 초음파 신호는 식물과 상호 작용하는 많은 동물이 들을 수 있는 주파수 범위에 있기 때문이다. "다른 유기체가 이러한 소리에 반응할 가능성이 매우 높다. 예를 들어 나방이 식물에 알을 낳고 싶어하거나 다른 동물이 이 식물을 먹고 싶어한다. 그들은 결정을 내리기 위해 식물의 소리를 사용할 수 있었다”고 Hadany는 설명했다.
동물과 우리 인간에게 유용한
이론적으로 식물도 이웃의 초음파 신호를 감지할 수 있다는 것도 상상할 수 있다. Hadany는 "식물이 소리를 내는 것을 알았으니 다음 질문은 누가 듣고 있을지 모른다는 것이다"고 말했다. "우리는 현재 이러한 소리에 대한 다른 유기체(동물과 식물)의 반응을 조사하는 과정에 있다." 연구팀은 또한 다른 식물의 소리가 야외에서도 측정되고 구별될 수 있는지 테스트하고 있다. 그들은 이미 AI 시스템의 도움으로 온실에서 이것을 하는 데 성공했다.
그러면 식물 소리는 농업과 식물 육종에도 유용할 수 있다. "식물의 소리 방출은 물 공급이나 질병을 모니터링할 수 있는 가능성을 열어준다. 두 가지 모두 농업에 중요한 매개변수다"고 과학자들은 말했다.
(Cell, 2023; doi:10.1016/j.cell.2023.03.009 )
출처: Cell Press, 텔아비브 대학교
- 식물에서 10cm 떨어져 있는 마이크는 가청 주파수를 초과한 20~250KHz 범위의 소리를 녹음
- 식물은 40에서 80kHz 사이의 주파수 범위에서 톤을 생성
- 소리는 식물의 상태와 종을 전달
식물도 소리를 낸다.
스트레스를 받은 식물은 많은 동물이 들을 수 있는 특정 초음파 소리를 생성한다.
식물은 결코 조용하게 가만히 있지 않는다. 연구 결과에 따르면 식물도 소리를 낸다. 식물은 40~80KHz(킬로헤르츠) 주파수의 초음파 신호를 내는데, 이는 우리가 들을 수 없는 딸깍하고 ‘펑’하는 소리다. 이러한 소리는 식물이 스트레스를 받을 때 더 자주 발생하며 특정 종일 수도 있다. 따라서 꽃밭이나 들판은 적어도 초음파를 들을 수 있는 동물에게는 꽤 시끄러운 장소일 것이다.
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| ▲ 이 선인장을 도청했다. © 텔아비브 대학교 |
지금까지 식물은 "침묵"의 존재로 여겨져 왔다. 그들은 소리를 통해서가 아니라 광학 신호, 촉각 자극 및 화학적 메신저를 통해서만 소통한다고 생각됐다. 사실, 많은 식물의 꽃과 잎은 상황에 따라 꽃가루 매개자를 유인하거나 이웃에게 해충을 경고하는 향기를 방출한다. 식물은 신호 물질을 통해 애벌레와 다른 게걸스러운 곤충에 대한 도움을 청할 수도 있다. 그들은 해충의 적을 유인하는 유인제를 생산하기도 한다.
토마토, 담배 등을 도청했다.
이것이 전부는 아니다. 텔 아비브 대학교(Tel-Aviv University)의 이츠하크 크하이트(Itzhak Khait)와 그의 연구팀이 이제 발견한 것처럼 식물의 의사소통 레퍼토리에는 인간이 들을 수 있는 소리도 포함된다. 그들의 연구 이유는 식물이 때때로 진동을 생성한다는 증거였다. 예를 들어 파이프 시스템에서 작은 기포가 터질 때 발생한다. "문제는 이러한 진동이 멀리서도 들을 수 있는 소리인 음파가 되는지 여부다"고 과학자들은 말했다.
이를 테스트하기 위해 Khait와 그의 팀은 매우 민감한 초음파 마이크와 함께 방음 상자에 다양한 유형의 식물을 배치했다. 각각의 식물에서 10cm 떨어져 있는 마이크는 인간이 들을 수 있는 주파수보다 훨씬 높은 20~250KHz 범위의 소리를 녹음할 수 있었다. 연구된 식물 종 중에는 토마토, 담배, 밀, 옥수수, 덩굴, 선인장 및 죽은 쐐기풀이 있다.
Tel-Aviv University의 수석 저자인 릴라흐 하다니(Lilach Hadany)는 "식물을 상자에 넣기 전에 다양한 처리에 노출시켰다. 일부는 정상적인 관리를 받았고, 다른 일부는 5일 동안 물을 받지 않았거나 줄기를 잘랐다"며 "우리는 식물이 소리를 내는지, 이 소리가 식물의 상태에 영향을 받는지를 테스트하고 싶었다”고 말했다.
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| ▲ 초음파 소리는 식물의 상태를 보여준다. © Khait et al./ Cell |
초음파 범위에서 크래킹 및 팝핑
실제로 마이크는 식물에서만 나올 수 있는 소리를 녹음했다. "우리 실험의 식물은 40에서 80kHz 사이의 주파수 범위에서 톤을 생성했다"고 연구원들은 보고했다. 10cm 거리에서 이 신호는 최대 65dB(데시벨)의 소리 크기에 도달했다. 이것은 대략 정상적인 말의 소리 크기에 해당한다. "이 소리는 몇 미터 떨어진 곳에서도 들을 수 있을 만큼 크다"고 Khait와 그의 동료들은 설명했다.
우리 인간은 식물이 생성하는 소리가 초음파 범위에 있고 따라서 청력 한계보다 높기 때문에 이러한 식물 소리를 인식할 수 없다. 그러나 우리의 귀가 초음파에 민감하다면 식물이 내는 소리는 뽁뽁이가 갈라지는 소리나 팝콘을 만들 때 옥수수 알갱이가 터지는 소리처럼 들릴 것이다. Khait과 그의 동료들은 "우리가 식물 소리를 듣지 못하더라도 생쥐, 박쥐, 곤충을 포함한 많은 동물이 들을 수 있을 것이다"고 했다.
소리는 식물의 상태와 종을 전달한다.
도대체 식물의 소리는 무엇을 알려 줄까? 초음파 클릭 및 팝콘 터지는 소리에 어떤 정보가 포함되어 있을까? 테스트 식물에 대한 "도청"은 다음과 같은 사실을 밝혔다. 예를 들어, 건강한 토마토 식물은 시간당 한 번의 클릭만 만든다. 그러나 그들이 건조되었을 때 이것은 시간당 약 35 초음파 클릭으로 증가했다. 베인 상처의 경우, 토마토 식물은 시간당 약 25번 "불꽃"을 피웠다.
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| ▲ 그림 1. 스트레스를 받은 식물은 원격으로 감지할 수 있는 초음파를 방출하여 식물의 상태와 종을 나타낸다. (A) 어쿠스틱 박스 설정. 각 기록에서 3개의 식물이 50 × 100 × 150 cm3. 각 공장을 향하는 두 개의 지향성 마이크가 있는 어쿠스틱 박스. 두 개의 마이크를 사용하면 녹음 시스템의 전기적 잡음과 식물 간 간섭으로 인한 잘못된 감지를 제거하는 데 도움이 된다. (B) 가뭄 스트레스와 베기의 두 가지 처리에서 토마토와 담배 식물이 녹음하는 1시간 동안 방출되는 소리의 평균 수. 3개의 대조군이 사용되었다: 화분 - 흙이 있지만 식물이 없는 화분; 자제 - 처리 전 식물; 및 이웃-제어 - 음향 상자를 처리된 식물과 공유하는 처리되지 않은 식물. 모든 처리군은 모든 대조군보다 훨씬 더 많은 소리를 방출했다(p < e-6, Bonferroni 보정을 사용한 Wilcoxon 테스트): 자체 제어 및 이웃 제어 그룹의 모든 식물 처리 조합에 대해 1회 감지/시간 미만 ,19≤ n≤51 각 그룹에 대한 식물, 냄비 제어 그룹에서 소리 감지 없음(>500 녹음 시간). 오류 막대는 표준 오류를 나타낸다. (C) 가뭄 스트레스 토마토, 가뭄 스트레스 담배, 잘린 토마토 및 잘린 담배에서 방출되는 소리의 시간 신호의 예, 정규화. 20μPa에 대한 10cms에서의 피크 dBSPL 값은 화살표로 표시. (D)(C)에서 소리의 정규화된 스펙트럼. (출처: 관련논문 Sounds emitted by plants under stress are airborne and informative / Cell) |
"우리의 측정 결과 방출된 소리에는 식물의 생리학적 상태에 대한 정보가 포함되어 있음을 보여준다"며 "모든 유형의 스트레스와 모든 식물 종은 특정하고 식별 가능한 소리와 관련이 있다"고 말했다. 이것은 과학자들이 테스트한 식물의 다양한 소리 방출에 대해 신경망을 훈련했을 때 분명해졌다.
예를 들어, AI 시스템은 약 80%의 적중률로 절단, 건조 및 건강한 토마토 식물을 구별할 수 있었다. 적응 시스템은 또한 다양한 식물 종의 딸깍 소리와 심지어 가뭄 스트레스의 정도까지 인식할 수 있었다.
기포 파열?
식물은 어떻게 이러한 초음파 소리를 생성할까? 과학자들에 따르면, 식물의 덕트 시스템에서 이전에 관찰된 기포의 캐비테이션(cavitation:액체의 미소한 일부의 주위가 액체로 둘러싸인 상태에서 기화하는 현상)이 이에 대한 원인일 수 있다. 기포가 터지면 진동이 발생하고 그중 일부는 초음파로 공기 중으로 전달된다. "캐비테이션 진동의 주파수 범위는 우리가 녹음한 소리와 부분적으로 겹친다"고 Khait와 그의 팀은 기록했다.
가뭄이나 부상 발생 시 딸깍하는 소리가 증가하는 것도 이에 부합한다. 식물에 물 부족이 있는 경우 부상이 있더라도 라인에 더 많은 기포가 형성되고 더 많은 공기가 침투한다. 그러면 둘 다 더 많은 거품이 붕괴되고 결과적으로 더 많은 진동이 발생한다.
“꽃밭은 시끄러운 곳”
Hadany는 "우리의 결과는 우리 주변의 세계가 식물 소리로 가득 차 있고 이러한 소리가 정보를 전달한다는 것을 시사한다. 예를 들어 물 부족이나 부상에 관한 것이다"고 Hadany는 말했다. 연구원들은 그들에 의해 테스트되지 않은 많은 식물이 또한 그러한 초음파 소음을 방출할 수 있다고 가정한다. "목가적인 꽃 초원은 우리가 그 소리를 들을 수 없더라도 꽤 시끄러운 곳이 될 수 있다"고 Hadany는 말했다.
과학자들에 따르면, 식물의 소리는 또한 생태학적 중요성을 가질 수 있다. 초음파 신호는 식물과 상호 작용하는 많은 동물이 들을 수 있는 주파수 범위에 있기 때문이다. "다른 유기체가 이러한 소리에 반응할 가능성이 매우 높다. 예를 들어 나방이 식물에 알을 낳고 싶어하거나 다른 동물이 이 식물을 먹고 싶어한다. 그들은 결정을 내리기 위해 식물의 소리를 사용할 수 있었다”고 Hadany는 설명했다.
동물과 우리 인간에게 유용한
이론적으로 식물도 이웃의 초음파 신호를 감지할 수 있다는 것도 상상할 수 있다. Hadany는 "식물이 소리를 내는 것을 알았으니 다음 질문은 누가 듣고 있을지 모른다는 것이다"고 말했다. "우리는 현재 이러한 소리에 대한 다른 유기체(동물과 식물)의 반응을 조사하는 과정에 있다." 연구팀은 또한 다른 식물의 소리가 야외에서도 측정되고 구별될 수 있는지 테스트하고 있다. 그들은 이미 AI 시스템의 도움으로 온실에서 이것을 하는 데 성공했다.
그러면 식물 소리는 농업과 식물 육종에도 유용할 수 있다. "식물의 소리 방출은 물 공급이나 질병을 모니터링할 수 있는 가능성을 열어준다. 두 가지 모두 농업에 중요한 매개변수다"고 과학자들은 말했다.
(Cell, 2023; doi:10.1016/j.cell.2023.03.009 )
출처: Cell Press, 텔아비브 대학교
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