ⓒ www.jadam.kr 2013-01-21

나뭇잎의 성장 패턴은 눈에 보이는 것처럼 복잡하지 않을 수도 있다. 나무들을 종에 따라 비교해 보면, 키가 큰 나무들이 평균 10~20 센치미터 길이의 잎을 가지는 반면 작은 나무들은 큰 나무에 비해 다양한 크기의 나뭇잎을 가지고 있다는 것을 생물물리학자들과 생물학자들이 최근 보고하였다. 이렇게 키가 큰 나무가 적합한 수분 공급을 위해 나뭇잎의 크기 범위가 좁아야 한다는 것이 간단한 답변일 수 있다. 이러한 이론이 옳다면, 왜 나무가 100미터까지 자랄 수 있는지를 설명할 수 있을 것으로 기대된다.

“이것은 아주 간단한 관찰 결과이다. 다른 사람들이 발견하기 이전에 우리가 발견한 것은 참으로 다행한 일”이라고 하버드 대학교 생물물리학자 카리 젠슨(Kaare Jensen)은 말했다. 젠슨이 캘리포니아 대학교 마시에지 츠위엔이에키(Maciej Zwieniecki)와 함께 연구한 결과는 2013년 1월 4일 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)지에 게재되었다. 젠슨과 츠위엔이에키는 소나무, 미국 삼나무와 같은 겉씨식물(gymnosperm)이 아닌, 단풍나무, 참나무 등 종자식물(flowering plant), 즉 속씨식물(angiosperm)만을 대상으로 조사를 수행하였다. 1,925종으로부터 얻은 데이터를 분석하여, 연구진은 느릅나무의 3센티미터의 소용돌이 잎부터 큰잎 목련의 60센티미터의 펄럭이는 잎에 이르기까지 속씨식물 중 키가 30미터가 안 되는 나무들이 매우 다양한 길이의 잎을 가진다는 것을 발견하였다. 잎 길이의 범위는 나무의 키가 커짐에 따라 줄어들었으며, 조사 대상 중 키가 가장 큰 속씨식물들의 잎은 모두 10~20센티미터 범위에 있었다.

이러한 현상은 나무에서 일어나는 수액과 에너지의 흐름으로 설명될 수 있다. 속씨식물의 잎은 당 (sugary) 수액을 생산하고 체관부 (phloem)라는 파이프와 같은 세포 네트워크로 수액을 뿌리로 보낸다. 이러한 방법을 통해, 나무는 당 대사작용을 하며, 수액의 흐름은 당의 함유량 차이에 의해 삼투압 현상을 만든다. 젠슨과 츠위엔이에키는 원통형 튜브 쌍을 이용하여 짧은 투과성 튜브를 긴 비투과성 튜브에 붙이는 방법으로 나무 모델을 만들었다. 수액은 나뭇잎 체관부로 확산되고 몸통 체관부로 이동한다. 더 긴 투과성 나뭇잎 튜브는 더 많은 표면적을 가지게 되어, 나뭇잎에서는 수액이 쉽게 전달될 수 있지만, 나무 몸통 체관부에서는 잎과는 다른 현상이 발생한다. 몸통 체관부의 긴 튜브는 수액 흐름에 더 많은 저항을 받게 만든다. (본 현상을 효과적으로 해석하기 위해, 연구진은 제 3의 침투성 원통관 체관부가 나무 몸통 체관부 바깥쪽에 연결되게 했으며 수액이 빠질 수 있는 ‘싱크’를 만들었다. 특히 저항을 무시할 수 있을 정도로 길이를 길게 하였다.)

그런 다음 연구진은 나뭇잎 길이의 다양성에 따라 수액과 에너지의 전체 흐름이 어떻게 바뀌는지에 대해 분석하였다. 나뭇잎이 클 경우 몸통에서 발생한 저항이 수액의 흐름을 제한하였는데, 잎의 크기가 특정 최대 허용 범위를 넘을 경우 수액과 에너지의 전달이 중단되었다. 반면, 잎이 아주 작을 경우에도 수액과 에너지 흐름이 제한되었다. 즉, 잎의 크기가 특정 최소 허용 범위보다 작을 경우 체관부를 통한 수액의 흐름은 나무를 통한 확산보다 더 천천히 흘러갔다. 본 경우 체관부를 통한 수액 공급은 무용지물이 된다. “사실, 본 연구에서 관찰한 수액 흐름 제한 현상은 잎의 크기에 따라 아주 잘 맞았다. 나무의 키가 커질수록 두 가지 제한 현상은 나무의 키는 속씨식물 중 가장 큰 약 100미터를 가질 때 일정하게 수렴하였다. 즉, 나무의 키가 100미터를 넘어가면 더 이상 잎을 만들 수 없게 됨으로 나무 키의 한계는 100미터라고 할 수 있다”고 젠슨은 말했다.

모든 사람들이 이러한 설명을 받아들이는 것은 아니다. “본 접근법을 좋아하기는 하지만, 사실 관계를 너무 확장한 것일 수도 있다. 본 모델은 아주 간단한 모델이기 때문에 수학적으로 급변할 수 있는 몇 가지 요소를 고려하지 않는다. 예를 들어, 나무의 몸통에서 나뭇잎과 체관부 튜브는 정확히 1:1 상관관계를 가지지 않는다. 또한 가장 큰 나무의 잎 크기가 모두 동일한 것이 아니고, 본 나무가 중동 지역 환경에서 자란 것으로 비슷한 조건이 갖춰진다고 하더라도 비슷한 크기의 잎을 만드는 데는 다른 이유가 존재할 수 있다”고 유타 대학교 식물 생리학자 존 스페리(John Sperry)는 말했다.

그러나 식물 진화 전문가인 시카고 대학교 고생물학자 C. 케빈 보이시(C. Kevin Boyce)는 “식물의 키와 잎의 상관관계를 제시한 것만으로도 본 연구는 중요한 가치를 가진다. 어떠한 현상을 가장 먼저 발견한 사람이라면 이에 대한 설명도 가장 먼저 해야 한다. 본 이론은 속씨식물의 다른 계에 대해서도 같은 현상이 발견되는지 더 많은 조사를 통해 검증될 필요가 있다”고 본 연구에 한계가 있다는 논란에 반대했다.

젠슨은 본 이론을 검증하기 위한 다른 계획을 가지고 있다. 열대우림을 덮고 있는 나무들을 MRI 장비로 측정할 수는 없지만, 수학적으로 간단한 식을 이용하면 나무의 키 및 잎의 길이에 따른 수액의 흐름 속도를 예측할 수 있다는 것이다. 수액 흐름 속도는 서로 다른 종의 키가 큰 나무들에 대해 측정 가능할 것으로 젠슨은 전망하고 있다.

1. 출처: ScienceNOW (Jan. 4, 2013)

2. 그림설명: 속씨식물 나무의 잎들은 다양한 크기를 가지고 있지만, 나무의 키가 커질수록 크기의 범위가 좁아진다. (제공: K. 젠슨, M. 츠위에이에키)

출처: KISTI 미리안 글로벌동향브리핑

원문: http://news.sciencemag.org/sciencenow/2013/01/simple-physics-may-limit-the-siz.html?ref=hp

연도: 2013-01-07

제공:kisti, 다른기사보기기사등록일시 : 2013.01.21 19:31

<저작권자 © 자닮, 무단 전재 및 재배포 금지>

#kisti