높이가 높은 나무는 뿌리에서 나무꼭대기까지 어떻게 수분을 끌어올리나요?
중력이 작용하고 있는 지구에서 높이가 굉장히 높은 나무는 뿌리에서 나무꼭대기까지 수분을 끌어올리기가 어려울 것 같은데요. 어떻게 수분을 끌어올리나요?
높이가 높은 나무는 물관부 조직과 증산작용을 통해 뿌리에서 나무꼭대기까지 수분을 끌어올립니다.
나무의 물관부 조직인 가도관은 연결된 관으로 구성되어 있어 모세관 현상에 의해 수분을 위로 끌어올릴 수 있습니다. 또한 잎에서 일어나는 증산작용이 나무 위쪽으로 계속해서 수분을 끌어올리는 중요한 역할을 합니다. 증산작용으로 인해 나무 안에 음압이 형성되고, 이 기압 차이로 인해 뿌리에서 수분이 나무 위로 계속 끌어올려지게 됩니다. 이렇게 모세관 현상과 증산작용이라는 두 가지 물리적 원리를 통해 높이가 높은 나무도 수분을 효과적으로 끌어올릴 수 있습니다.
세상에서 가장 키가 큰 나무는 미국 캘리포니아 주에 있는 세쿼이어라고 하는데요, 그 키가 115.5미터에 달한다고 합니다. 나무가 뿌리에서 물을 흡수한다는 점을 고려하면, 키가 115.5미터라는 말은 즉 뿌리에서 흡수한 물이 무려 115.5미터를 거슬러올라야 한다는 뜻인데요 이것이 가능하게 하는 원리는 다음과 같습니다. 우선 물의 응집력입니다. 물 분자는 2개의 수소 원자와 1개의 산소 원자가 결합한 것인데요(H₂O), 분자 전체로는 중성이지만 그 안에 있는 음전기와 양전기의 분포는 고르지 않습니다. 전자가 쏠려 있어서 음전기를 띠는 부분과 양전기를 띠는 부분이 있는 것입니다. 결과적으로 물 분자는 양전기 부분과 음전기 부분에서 서로를 끌어당기는데요, 이런 응집력을 통해서 물은 무려 450미터까지 올라갈 수 있다고 합니다. 또한 물이 계속 위로 이동하기 위해서는 위에서 당겨주는 힘이 있어야 하는데요 잎에 도달한 물은 기체 상태로 되어 기공을 통해 식물체 밖으로 빠져 나가는데, 이러한 현상을 '증산 작용'이라고 합니다. 물은 수분퍼텐셜이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는데요, 수분퍼텐셜이 가장 높은 곳은 토양이며 뿌리, 줄기, 잎, 대기 순으로 낮아지기 때문에 물이 중력과 반대 방향으로 이동할 수 있는 것입니다.
안녕하세요. 박창민 수의사입니다. 아직 명확한 원리는 밝혀지지 않은 것으로 알고 있습니다. 다만, 여러 가설들이 존재합니다. 뿌리에서 밀어 올리는 뿌리압, 줄기에서 물이 올라가는 모세관 현상 등 아직 여러 가지 가설들이 복합적으로 존재하는 것으로 알고 있습니다. 감사합니다.
안녕하세요.
키가 큰 나무들은 다양한 힘을 활용해서 물을 꼭대기까지 끌어올립니다.
나뭇잎의 증산작용으로 인해 물관의 압력이 낮아지고 물이 위쪽으로 끌려 올라갑니다.
하지만 대기압의 한계 때문에 이런 끌어당기는 압력은 10m정도까지만 물을 올리수 있습니다.
그래서 다른 힘이 필요한데,
뿌리에서 물을 계속 흡수하여 물을 위로 밀어올리는 뿌리압을 사용하고,
아주 가는 물관의 형태로 모세관 현상을 유도합니다.
하지만 이 힘들도 100m가 넘는 나무가 물을 끌어올리는 것을 설명할 수 없습니다.
나무의 높은 곳까지 물을 올릴 수 있는 힘은 물분자간의 인력입니다.
물분자는 수소결합이라고 불리는 비교적 강한 인력을 가지는데요.
위로 끌려올라간 물분자가 밖으로 나가면서 뒤의 물분자를 끌어당기고, 뒤의 물분자가 그 뒤의 물분자를 끌어올리면서 뒤로 계속 반복되어 최종적으로 음압이 발생합니다.
그래서 1기압의 조건에서도 더 높게 물을 끌어올릴 수 있습니다.
높은 나무가 뿌리에서 꼭대기까지 수분을 끌어올리는 과정은 여러 복잡한 현상이 함께 작용한 결과입니다.
나무의 물관은 상당히 좁은 튜브와 같아서 물의 응집력과 부착력이 작용하여 물이 상승하게 됩니다. 이 현상은 물 분자가 서로를 잡아당기는 응집력과 물관의 벽에도 달라붙는 부착력을 이용한 것입니다.
그리고 뿌리에서는 땅 속의 물이 뿌리의 세포막을 통해 높은 농도의 수액으로 이동하는 삼투 현상이 일어나 수분을 흡수합니다. 뿌리에서 흡수된 물은 뿌리압에 의해 줄기를 타고 올라가게 되는데, 이 압력은 물이 나무의 줄기를 따라 상승하는 데 기여합니다.
또한 나뭇잎에서 광합성 과정 중에 수증기가 기공을 통해 방출되면서 내부 압력이 낮아지고, 이로 인해 물이 끌어올려지는 흡인력이 생깁니다. 이 흡인력은 물이 나무 꼭대기까지 도달하는 데 중요한 역할을 하죠.
물론 과학적으로 아직 완전히 밝혀지지 않은 부분도 있지만, 이러한 원리들에 의해 물이 올라가게 됩니다.
뿌리에서 흡수한 물은 식물의 세포들 사이를 통해 상승하면서 증발합니다. 이 과정에서 수분이 증발하면서 나무 내부의 세포들 사이에 부력이 발생하고, 이 부력이 물을 끌어올리는 역할을 합니다.
나무와 줄기의 가지에는 굉장히 작은 관인 "제틀 관"이 존재합니다. 작은 관 내부에서 물은 표면 장력에 의해 자연스럽게 위로 올라가려는 성질을 가지고 있습니다. 또 물 분자 사이에는 서로 끌어당기는 인력이 있습니다. 이를 "코헤이전"이라 하며 물 분자들이 서로 달라붙어 연속적인 물의 기둥을 형성하게 됩니다. 이 기둥이 제틀 관을 따라 연속적으로 끌어올려지는 데 도움을 줍니다.