사막의 선인장이 가시 모양의 잎과 굵은 줄기를 갖게 된 이유를 수분 증발 억제 및 수분 저장 공간 확보라는 진화적 적응 관점에서 설명 부탁드립니다.

Question

사막의 선인장이 가시 모양의 잎과 굵은 줄기를 갖게 된 이유를 수분 증발 억제 및 수분 저장 공간 확보라는 진화적 적응 관점에서 설명 부탁드립니다.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

일반적인 식물의 넓은 잎은 햇빛을 많이 받아 광합성을 하기에는 유리하지만, 표면적이 넓고 기공이 많아 수분이 공기 중으로 날아가는 증산 작용이 활발히 일어납니다. 물이 부족한 사막에서 넓은 잎은 수분 증발이 심하기 때문에 생존을 할 수가 없습니다. 따라서 사막에 사는 선인장은 자연선택 과정을 거치며 잎을 얇고 뾰족한 가시 형태로 변형시켜, 햇빛과 건조한 바람에 노출되는 표면적을 최소화하여 수분이 증발하는 기공이 거의 없어 수분 손실을 완벽에 가깝게 차단합니다.

잎이 가시로 변하면서 수분 증발은 막았지만, 원래 잎이 하던 수분 저장과 광합성이라는 핵심 기능을 대신할 공간이 필요해졌기 때문에 줄기가 발달하게 되었습니다. 잎 대신 초록색을 띤 굵은 줄기는 엽록체를 보유하여 광합성을 직접 수행할 수 있었으며 ,사막에 어쩌다 한번 비가 내리면, 뿌리에서 빠르게 물을 끌어올려 굵은 줄기 전체에 저장 할 수 있게 저수 조직이 발달하게 되었습니다.

Answer 2

안녕하세요. 사막의 선인장이 가시처럼 보이는 잎과 굵고 다육질인 줄기를 갖게 된 것은 물이 극도로 부족하고 증발이 매우 심한 환경에서 살아남기 위한 대표적인 건조 환경 적응인데요, 특히 선인장의 형태는 크게 수분 손실을 줄이는 것과 물을 최대한 많이 저장하는 것이라는 두 가지 방향으로 진화했다고 볼 수 있습니다.

먼저 선인장의 가시는 사실상 잎이 퇴화 및 변형된 구조입니다. 일반적인 식물의 잎은 광합성을 하기 때문에 넓은 표면적을 갖지만, 사막에서는 넓은 잎이 오히려 문제가 됩니다. 잎의 표면에서 물이 증발하는 증산이 활발하게 일어나기 때문입니다. 따라서 선인장은 잎의 면적을 극도로 줄여 가시 형태로 만들면서 수분이 빠져나가는 표면적을 크게 감소시켰으며, 광합성은 잎 대신 초록색 줄기가 담당합니다. 가시는 단순히 수분 손실을 줄이는 것뿐만 아니라 여러 가지 역할도 하는데요, 가시가 식물 주변에 그늘을 만들어 강한 햇빛이 줄기에 직접 도달하는 것을 일부 막고, 바람의 흐름을 변화시켜 증발을 줄이는 데 도움을 줄 수 있습니다. 또한 초식동물이 선인장의 수분이 풍부한 조직을 먹는 것을 막는 방어 기능도 합니다.

반면 선인장의 굵고 통통한 줄기는 물을 저장하기 위한 중요한 구조인데요, 선인장의 줄기 내부에는 물을 저장할 수 있는 수분 저장 조직이 발달해 있습니다. 비가 드물게 내릴 때 짧은 시간에 많은 물을 흡수하고, 이를 저장해 건조한 기간 동안 조금씩 사용합니다. 그래서 선인장의 줄기는 일반적인 식물의 가느다란 줄기와 달리 매우 두껍고 부풀어 있는 형태를 갖습니다.

또한 선인장의 줄기는 물을 저장하는 것뿐만 아니라 물을 효율적으로 이용하도록 만들어져 있습니다. 비가 내렸을 때 뿌리가 빠르게 물을 흡수하고, 줄기의 저장 조직에 보관합니다. 이후 비가 오랫동안 내리지 않는 동안 저장된 물을 대사에 이용하며, 특히 많은 선인장은 CAM 광합성이라는 방식을 사용하는데, 밤에 기공을 열어 이산화탄소를 흡수하고 낮에는 기공을 닫아 수분 손실을 줄입니다. 이것 역시 사막 환경에 대한 매우 중요한 적응입니다. 감사합니다.