식물 뿌리 세포의 세포막을 반투과성 막으로 가정하고, 흙 속 전해질 농도와 세포 내부 농도 차이에 의한 삼투압 발생 방향을 중심으로 식물이 수분을 잃는 과정을 설명해 주세요.

Question

가뭄이 심할 때 식물에 갑자기 너무 농도가 높은 비료를 많이 주면 오히려 식물이 말라 죽는 비료 장애가 발생합니다. 식물 뿌리 세포의 세포막을 반투과성 막으로 가정하고, 흙 속 전해질 농도와 세포 내부 농도 차이에 의한 삼투압 발생 방향을 중심으로 식물이 수분을 잃는 과정을 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

가뭄이 심한 상황에서 흙에 갑자기 고농도의 비료가 공급되면, 뿌리 세포는 삼투압 작용 때문에 오히려 수분을 잃게 됩니다. 뿌리 세포의 세포막은 반투과성 막으로서 물은 자유롭게 이동할 수 있지만, 비료 속의 전해질 이온은 쉽게 통과하지 못합니다. 정상적인 조건에서는 흙 속의 전해질 농도가 세포 내부보다 낮거나 비슷하여, 물이 흙에서 세포 안으로 들어와 세포가 팽압을 유지합니다. 그러나 고농도의 비료가 흙에 주어지면 흙 속 전해질 농도가 세포 내부보다 훨씬 높아집니다. 이때 삼투압은 세포 내부에서 외부로 향하게 되어, 세포 안의 물이 흙으로 빠져나가게 됩니다. 그 결과 뿌리 세포는 탈수되어 원형질 분리가 일어나고, 세포가 쪼그라들며 기능을 잃습니다. 뿌리에서 수분을 잃으면 줄기와 잎으로 공급되는 물도 줄어들어 식물 전체가 시들고 결국 말라 죽게 됩니다.

즉, 가뭄 상태에서 고농도 비료를 주면 삼투압 방향이 바깥쪽으로 역전되어 뿌리 세포가 수분을 잃고 탈수되는 과정이 비료 장애의 본질입니다.

Answer 2

안녕하세요.

식물 뿌리 세포의 세포막은 반투과성 막이기 때문에 물은 통과시키지만, 이온과 같은 용질은 선택적으로만 이동시키는데요 이때 물의 이동은 삼투압에 의해 결정됩니다. 기본적으로 용질 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 물이 이동하는데요, 정상적인 조건에서는 흙 속 용액의 농도가 식물 세포 내부보다 낮거나 비슷하기 때문에, 물은 토양에서 뿌리 세포 내부로 자연스럽게 이동합니다. 이로 인해 세포는 팽압을 유지하고, 식물은 시들지 않고 생리 기능을 정상적으로 수행할 수 있습니다. 하지만 가뭄 상황에서 고농도의 비료를 갑자기 많이 주게 되면, 토양 용액 속 전해질 농도가 급격히 높아지면서 세포 외부가 세포 내부보다 훨씬 더 고농도 상태가 되며 이 경우 삼투압의 방향이 반대로 바뀌어, 세포 내부의 물이 외부 토양으로 빠져나가게 됩니다.

이 과정이 지속되면 세포막이 세포벽으로부떠 떨어지는 원형질 분리 현상이 발생하며 세포의 팽압이 사라지고, 조직 전체가 축 처지면서 식물이 시들게 됩니다. 심한 경우에는 세포 기능이 회복되지 못하고 결국 식물이 말라죽을 수 있습니다. 감사합니다.