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식물이소프렌향의역할

식물은 위대한 화학자 : 화학물 대부분은 식물이 만든 것

향의 역할, 감각의 역할
- 향기물질은 주로 식물이 만든다
- 곤충과 동물이 냄새에 반응한다
- 동물도 향기 물질을 만들지 않을까 : 조금 만든다
- 식물은 냄새를 맡을 수 없을가
- 인간은 향은 무슨 의미일가 : 생존 → 기호성
- 인간도 페르몬을 만들까 ?
- 요약 : 식물은 향기를 만들고 동물은 반응한다

향료의 원료 : 향료 원료 참고자료
- A. 동물성 향료 : 4종
- B. 식물성 향료 : 100여종  주
- C. 향기성분의 가공 : 증류 ~ 제형화
- D. 향료 성분의 합성 : 2500여종

식물은 몇 종류의 향기 물질을 만들까  ?

지구상에는 약 1,200만~3000만종 종의 화학물질이 존재한다. 세계 최대의 화학물질 데이터베이스인 Toxline에는 1,100,000종이 실려 있다고 한다. 이중 95%가 탄소화합물이다. 인간은 매년 2,000여종을 새로 합성한다고 한다. 매년 2000종 * 100년 = 20만종. 인간이 합성한 물질이 20만종이 안되면 나머지 화합물은 누가 만든 것일까. 대부분 식물이 합성한 탄소화합물이다. 인간은 매년 새롭게 합성을 하기도 하지만 그만큼 안 쓰게 되는 화학물이 증가한다. 따라서 식물이 가장 위대한 화학자(화학공장)인 셈이다
모든 물질이 향이 있을까 ? 향이 있는 물질은 반드시 휘발성이 있고 약간의 친수성과 상당한 친유성이 있어야 한다. 따라서 향료물질은 대부분 분자량이 300이하(보통 200)이하의 탄소수 16개 이하(4~16개)다. 그중에서 8~10개의 범위가 가장 우아한 방향을 가지고 탄소수가 적으면 짧고 강하고 길어지면 미묘하고 오래가는 향취가 된다. 따라서 전체 유기물 중 향기물질은 40~50 만종 정도로 추정한다. 이중 인간이 산업적으로 사용하는 것은 식품이 2500종 이하 향장품등 전체를 합해도 5000종이하다.  
이 화합물들은 그냥 우연히 생긴 것이 아니다. 메틸화(methylation), 아실화(acylation), 산화/환원(oxidation/reduction), 방향성 고리의 형성(formation of aromatic rings) 등 마치 여러 유기화학 공정 연구 작업을 마쳤던 것처럼 복잡한 화학물질들의 공정 단계와 과정들을 거쳐서 합성되어진 것이다. 식물들은 이러한 작업들을 위해 특수한 효소(specialized enzymes)들을 고안해 냈다. 여러 방향성 물질들을 조절하여 향기로운 냄새가 나게 하는 것은 머리가 어지러워질 정도로 복잡한 고도의 기술이다. 그래서 식물의 유전자수는 동물보다 많은 것도 많다. 식물의 2차대사산물인 Alkaloid, Terpenoid, Phenolic 물질 중에서 Terpenoid 특히 Monoterpene은 식물의 휘발성 냄새의 대부분을 구성한다. 혼합물들은 저장주머니를 가진 특화된 세포에서 생산되고 적절한 시간에 공기로 방출된다.

식물이 만든 향기 물질은 어떤 종류일까  ?   식물의 2차 대사산물
- Alkaloid, Terpenoid, Phenolic
   이중에서 Terpenoid 특히 Monoterpene은 식물의 휘발성 냄세의 대부분을 구성한다
- 분자량 17 ~ 300
- 탄소화학물 : 탄소수 16개 이하

왜 식물은 이렇게 많은 종류의 화학물질을 합성하는 것일까 ?

A. 균류, 곤충, 동물을 불러 모은다
- 소통 : terpene(식물의 언어)
- 유혹 : 향으로 곤충을 부르기도 쫓기도한다
콩과 식물들의 뿌리는 플라보노이드(Flavonoid)를 분비한다. 이 물질은 nodD라고 하는 세균 혹(nodule) 유전자에 결합하여 이 유전자를 활성화시킨다. 이 유전자의 산물은 뿌리혹의 생장과 기능을 조절하는 유전자를 작동시킨다. 질소고정 세균은 이러한 뿌리혹 속에 살면서 콩과식물과 서로 유익한 관계를 유지한다. 식물의 80%이상이 이 공생시스템에 의하여 성장에 가장 결정적 요소인 단백질(질소원,NO3) 자원을 확보한다.
화분 매개 생물을 불러온다 곤충, 병원균, 꽃가루 매개자들(pollinators)에게 똑같이 유혹의 신호를 보낸다. 밤에 꽃이 피는 식물들이 최상의 꽃가루 매개자 곤충들을 유혹하기 위해서는,  꽃의 색이나 모양보다 휘발성 물질들이 더 좋은 신호일지 모른다. 침엽수를 밀어내고 세상을 온통 꽃이 피는 식물이 지배하는 것에는 이 공생시스템이 결정적인 힘이었다. 심지어 담배식물은 벌을 유혹할 때 벤질아세톤이라는 향기 물질을 유혹한 후 잠시 후 니코틴 성분 쓴맛을 만들어 섞어 쫓아내어 보다 많은 벌이 다녀가도록 제어한다.  적의 적은 친구라는 경우는 식물에도 적용되어, 곤충에 의해 공격당하고 있는 식물은 자신을 갉아먹고 있는 곤충의 천적을 불러들이는 물질을 보내는 식물도 있다.

B. 방어 기작 : 식물에 독이 많은 이유
- 방어 : 독으로 초식동물 방어
나무들은 스트레스를 받을 때, 생태학적 네트워크에 대해 증기 형태로 아스피린(살리실산)을 방출한다. 이것은 식물고유 방어체계의 신호물질로 여러 가지 식물의 조직에서 동물이 싫어하는 물질과 소화되지 않은 물질을 연쇄적으로 만드는 과정을 촉발한다. 그리고 이 물질은  인근 식물들에 의해 읽혀지고, 재해석되어, 그들 자신의 방어를 조절할 수 있도록 도와준다. 식물은 이동하지 못한다. 초식곤충과 초식동물에 유일한 방어체계가 여러 가지 화학물질을 만드는 방법뿐이다. 고분자는 형태를 만들고 저분자는 방해물질이 된다

소통 : 식물끼리도 소통한다(Talking trees). 영향을 받는다
휘발성 신호는 또한 인근 식물들에 의해 읽혀지고, 재해석되어, 그들 자신의 방어를 조절할 수 있도록 도와준다. 나무들은 스트레스를 받을 때, 생태학적 네트워크에 대해 증기 형태로 아스피린을 방출한다한다. 미국 대기연구 국립센터의 과학자들은 나무들이 만들어내는 수백의 휘발성 유기화합물중 하나인 살리실산메틸(methyl salicylate) 증기가 하나의 스트레스를 받고 있다는 신호라는 것을 이론화 하였다. 이물질은 자신의 방어기작에 물질이며 이웃 식물들에게 기후 또는 해충의 위협에 대한 경계 신호일지도 모른다.

공격 : Phytoncide로 식물을 공격한다. 작은 곤충등도 공격한다
- 단풍이 드는 또다른 이유
- 삼림욕, 아로마테라피
초식동물등도 적이지만 식물 간에도 치열하게 경쟁한다. Phytoncide가 대표적인 경우로 식물이 주위 식물의 성장을 방해 한다

스트레스의 산물

허브 중에는 건들면 향을 퍼 뜨리는 것이 많다. 그리고 나무와 풀은 상처가 나면 향을 내는 것이 많다. 월동을 한 노지 채소가 맛과 향이 진하고, 비료를 사용하지 않은 채소에 향이 진한 경우가 많다. 좋은 와인도 척박한 토양에서 겨우 겨우 자란 포도로 만든다. 결국 부족함과 스트레스가 식물의 향 생산을 부추기는 것이다.
영양과 날씨 등 조건이 좋으면 1차 대사산물인 탄수화물, 단백질, 지방의 합성이 왕성하지만 2차 대사산물은 상대적으로 적을 수밖에 없다. 곤충의 공격을 받으면 방어를 위해서, 추위가 오면 냉해에 견디기 위해 분자량이 적은 물질을 많이 축적한다. 물에 분자량이 적은 물질이 많을수록 빙점강하가 일어나 쉽게 얼지 않기 때문이다. 그리고 이들 저분자 물질이 맛과 향의 원천이기도 하다.
하지만 저온이 무작정 유리한 것은 아니다. 식물의 대사는 효소에 달려있는데 온도가 높아질수록 효소는 활발히 작동하여 많은 대사산물이 만들어진다. 결국 낮에는 온도가 높아 1차 대사산물을 많이 만들고 밤에는 온도가 낮아 2차 대사산물을 많이 만드는 일교차가 큰 것이 식물에게는 스트레스가 심하겠지만 인간의 입맛에는 좋은 산물을 만드는 것이다. 비교적 고산지대에 커피가 향이 진한 이유도 그런 이유일 것이다.

와인용 포도는 나무를 심하게 가지치기해서 굉장한 스트레스를 주고 강제로 대부분의 열매를 제거하여 재배한다. 이렇게 되면 포도나무가 생존의 위기를 느낀 상태에서 모든 에너지를 얼마 남지 않은 열매에 집중시키고, 그러면 포도의 당도와 향미성분이 모두 극도로 농축된다. 이렇게 하지 않으면 아무리 좋은 땅에서 좋은 포도 품종을 심어도 기껏해야 알코올 도수 10~11%의 묽고 시큼하고 밍밍한 와인을 만들 뿐이다.

나물을 상큼하게 하는 다진마늘의 향은 어떤가? 그 자체가 번식의 수단인 마늘이 상처를 입었을 때 포식자의 입을 맵게 해서 마늘을 보호하려는 식물의 비명과 고통이 바로 그 다진 마늘의 향이다. 대부분의 허브와 향신료 역시 식물의 잎, 줄기, 열매, 씨를 보호하기 위한 고통의 표현이다.

즉 채식으로 향기로운 만찬을 즐기는 것은 기본적으로 식물의 죽음과 고통을 즐기는 것이지 건강하고 행복한 식물을 즐기는 것이 아니라는 뜻이다.


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겨자, 청부살해 위해 ‘말벌’ 고용한다.  네덜란드 연구진, 해충 피하는 식물 자체 방어법 밝혀

‘지렁이도 밟으면 꿈틀한다’는 말이 있다. 아무리 작고 약해보이는 존재라도 위험에 처하면 가만히 있지 않는다는 의미다. 땅에 뿌리박고 평생을 꼼짝 없이 사는 식물들도 예외는 아니다. 잎 등을 갉아먹는 해충이 다가오면 고약한 향을 내뿜거나 독이 있는 물질을 내놓아 자신을 공격하지 못하게 한다.
그런데 최근 네덜란드 연구진이 식물들의 이런 방어기제가 생각보다 전략적이라는 걸 밝혔다. 해충이 낳은 알을 해치우기 위해 ‘화학무기’를 동원하는 것은 물론 알을 먹는 ‘말벌(wasp)’까지 동원하는 전략을 구사한다는 것.
네덜란드 바게니겐대(Wageningen University) 니나 파토로우(Nina Fatouros) 박사팀은 흑겨자와 여기에 알을 낳는 배추흰나비(P. brassicae)와 양배추나방(M. brassicae), 그리고 이들 나비에게 기생하는 배추나비고치벌(C.glomerata)과 기생일벌(T.brassicae)를 대상으로 연구했다.
흑겨자는 나비 애벌레가 자신을 갉아 먹는 공격을 두 가지 방식으로 방어하고 있었다. 우선 나비가 잎에 알을 낳으면 세포 조직을 괴사시켜 알이 제대로 부화하지 못하게 했다. 실제로 배추흰나비가 잎에 알은 잎에서 분비된 특정 화학물질과 반응했고, 하루 정도 지나자 잎이 마르는 등 조직이 망가졌다. 결국 알도 제대로 부화하지 못하게 된 것이다.
그런데 양배추나방이 무더기로 낳은 알에서는 잎 조직이 망가지지 않았다. 흑겨자는 이 알들을 해치우기 위해 두 번째 방법을 썼다. 양배추나방의 알 속에 다시 알을 낳아 기생하는 기생일벌을 부르는 것이다.
양배추나방이 흑겨자 잎에 알을 낳자 흑겨자 잎은 기생일벌을 유혹하는 물질을 뿌려 ‘이곳에 먹이가 있음’을 알린다. 그러면 기생일벌이 다가와 양배추나방의 알에 다시 알을 낳는다. 흑겨자 입장에서 보면 기생일벌을 시켜 향후 자신을 공격할 애벌레가 태어나지 못하게 미리 죽이는 ‘청부살해’를 하는 셈이다.
파토로우 박사는 “나비의 알에서 나오는 특정한 화학물질이나 화학구조가 흑겨자 잎에서 변해 기생일벌 등을 유혹하게 된다”며 “기생일벌은 알 뿐 아니라 알을 낳는 나비까지 격퇴할 수 있다”고 말했다.
그러나 흑겨자 잎은 기생일벌의 알에 대해서는 특별한 변화를 일으키지 않았다. 연구진을 이를 통해 특정 식물이 나비의 알낳기에 반응해 도움을 요청하는 신호로 보낸다고 해석했다.
파토로우 박사는 “대략 30만 종의 초식 곤충 종들이 식물에 알을 낳고 이때 식물의 반응이 다른 곤충과 상당한 상호작용을 하지만 그동안은 널리 받아들여지지 않았다”며 “이번 연구 결과는 곤충의 알 낳기가 식물 내부의 화학물질을 변화시켜 직접 알을 낳은 대가를 치르게 하거나, 초식벌레의 천적을 불러와 알의 생존에 간접적으로 영향을 줄 수 있다는 걸 보여준다”고 말했다.
실제로 이런 천적에 대한 연구는 농업현장에서도 활용 가능하다. 이상계 농촌진흥청 작물보호과 해충연구실장은 “맵시벌이나 알벌 등 해충에 기생하는 곤충을 천적으로 활용할 수 있다”며 “천적을 이용하면 농약 살포 등을 줄일 수 있어 유리한 점이 있다”고 말했다.
이번 연구결과는 미국 공공과학도서관회지(PLoS ONE) 2012년 09월 5일자에 발표됐다.

화분, 발효의 미생물

과학저널 ‘미국립과학원회보(PNAS)’ 2012년 8월 14일자에 말벌과 관련된 흥미로운 논문이 실렸다. 포도를 발효시켜 와인으로 만들어주는 미생물인 효모가 살아가는데 말벌 덕을 톡톡히 보고 있다는 것. 다른 곤충을 잡아먹고 사는 말벌이 어떤 식으로 효모를 위해 일을 한다는 말일까.
먼저 말벌의 식성에 대해 잠깐 얘기해보면 말벌 성체는 육식동물이 아니다. 이 녀석들은 곤충을 잡아먹는 것처럼 보이지만 사실은 고기를 저며 경단을 만든 뒤 집으로 날아가 애벌레를 먹인다. 정작 성체가 먹는 건 수액이나 화밀, 꿀이다. 장수말벌처럼 큰 말벌은 종종 꿀벌집을 습격하는데 꿀은 자기들이 먹고 꿀벌 애벌레는 잡아다 자기 애벌레에게 먹인다.
포도밭에서 포도가 익어갈 무렵 말벌들은 배를 채우려고 포도송이를 찾는다. 포도 알갱이는 단단한(곤충의 입장에서) 껍질에 싸여있기 때문에 말벌은 강한 턱으로 껍질에 상처를 내 안의 과즙을 빨아먹는다. 이 꼴이 보기 싫다고 말벌을 없앴다가는 이듬해 와인은 형편없을 거라는 게 논문의 결론이다.
이탈리아 플로렌스대 발효학과 두시오 카발리에리 교수팀은 포도 발효의 미스터리를 풀기로 했다. 즉 포도는 따로 효모를 넣어주지 않아도 발효가 되는데 이는 포도껍질에 효모가 붙어있기 때문이다. 그런데 포도가 익기 전에는 대표적인 발효 효모인 사카로미세스 세레비시아 (Saccharomyces cerevisiae)가 붙은 포도가 0.05%에 불과하지만 다 익은 손상된 포도에서는 25%에 이 효모가 붙어있다. 그런데 효모균은 바람에 날려 옮겨지지는 않는다. 따라서 뭔가가 효모를 옮긴다는 것인데 그 실체를 몰랐던 것.
연구자들은 말벌이 유력한 후보라고 보고 포도밭 주변에서 계절별로 말벌을 채집해 내장을 검사해봤다. 그 결과 예상대로 다양한 효모가 발견됐다. 결국 말벌이 포도즙을 먹으려고 껍질을 찢을 때 입에 묻어있던 효모가 옮겨갔다는 얘기다. 또 말벌이 겨울을 난 뒤에도 장 속에 여전히 효모가 있는 것으로 확인됐다. 또 애벌레에게 먹이를 게워 먹이는 과정에서 효모가 딸려가면서 자손 말벌에게도 자연스럽게 효모가 전달된다.

연구자들은 사람들이 포도로 와인을 만들기 시작한 수천 년 전 이미 말벌은 효모 유지와 진화에 관여하고 있었다고 설명했다. 그 결과 지역에 특이한 효모 균주가 자라면서 지역마다 독특한 맛과 향을 지닌 와인이 나오는데도 기여했다는 것. 실제로 특정 지역에서 채집한 말벌에서 얻은 효모 균주는 다른 지역에서 채집한 말벌에서 얻은 효모 균주보다 같은 지역의 포도에서 얻은 효모 균주와 더 가까웠다. 이는 계절과 해가 바뀌어도 마찬가지였다. 즉 말벌-효모-포도의 생태연결고리가 계속 유지되고 있다는 말이다.
얼마 전 우연히 양조학 강의를 들은 적이 있는데 강사분이 지난 해 일본에서 열린 사케(정종) 품평회에 갔다 온 경험을 들려줬다. 한 양조업자가 독특한 향미가 나는 사케를 소개하면서 자연에서 얻은 자신만의 효모 균주로 빚은 술이라며 자랑했다는 것이다. 우리나라도 최근 막걸리 바람이 불지만(벌써 잦아든 감은 있다) 술맛은 비슷비슷하다. 그럼에도 각 지역마다 소량 빚고 있는 전통주들은 자신들만의 누룩을 써서 고유한 풍미를 내고 있다. 이는 누룩에 분포하는 곰팡이와 효모 종류가 지역마다 조금씩 다르기 때문이다.
논문을 보면 말벌은 포도 뿐 아니라 숲속에 자생하는 여러 식물에 효모를 붙이는 역할을 할 가능성이 크다. 우리나라에도 수많은 효모 균주가 자생할 것이고 이 가운데 일부가 누룩에 들어갔을 것이다. 앞서 말한 일본 양조업자처럼 자연에서 새로운 효모 균주를 찾다보면 언젠가는 놀라운 풍미를 내는 우리 술이 나올 수도 있지 않을까.



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페이스북 올리기            방명록           수정 2014-05-28 / 등록 2010-05-05 / 조회수 : 24687 (239)



우리의 건강을 해치는 불량지식이 없는 아름다운 세상을 꿈꾸며 ...  2009.12  최낙언