식물들이 햇빛을 받아서 자라날 때 물을 빨아들이는 힘이 어딘가로 펌프질을 하는 것처럼 높은 나무 꼭대기까지 올라가는 비결

Question

수십 미터가 넘는 거대한 세쿼이아 나무의 꼭대기 잎사귀까지 뿌리에서 빨아들인 수분이 중력을 거스르고 어떻게 맨 위까지 쭉쭉 끌어올려질 수 있는지 그 원리가 늘 궁금했습니다. 잎에서 물이 증발할 때 생기는 당기는 힘인 증산작용과 물 분자들끼리 서로 끌어당기는 응집력이 어떻게 협력해서 거대한 수분 이동 통로를 만드는지 물리학적 관점이 궁금해요.

Answer 1

안녕하세요. 식물이 물을 꼭대기까지 끌어올리는 과정은 뿌리가 물을 위로 펌프질하는 것이라기보다, 잎에서 물이 빠져나가면서 만들어지는 장력이 물기둥 전체를 끌어당기는 현상으로 보시면 됩니다. 특히 수십~100m 가까이 자라는 나무에서는 이 원리가 놀라울 정도로 중요합니다. 식물의 물 이동은 크게 증산작용과 물 분자의 응집력이 함께 만들어 내는데요, 잎의 표면에는 아주 작은 기공이 있는데, 이곳을 통해 잎 내부의 물이 수증기로 빠져나갑니다. 햇빛을 받으면 잎의 온도가 올라가고, 주변 공기가 건조할수록 이 증발은 더욱 활발해집니다. 이때 잎 내부의 물이 줄어들면서 물을 끌어당기는 음압, 즉 장력이 형성되는데요, 이때 중요한 것이 물 분자 사이의 응집력입니다. 물 분자들은 서로 수소결합을 형성하기 때문에 쉽게 따로 떨어지지 않습니다. 따라서 잎에서 물 한 분자가 증발해 빠져나가면, 그 빈자리를 채우기 위해 아래쪽에 연결되어 있던 물 분자들이 연속적으로 위쪽으로 당겨집니다. 마치 아주 긴 실을 아래에서 잡아당기는 것이 아니라, 위쪽 끝에서 실 전체를 잡아당기는 것과 비슷합니다. 또한 물은 나무의 목부라는 가느다란 관을 통해 이동하는데요, 이 관 안에서는 물이 끊어지지 않는 연속적인 물기둥을 형성합니다. 물 분자 사이의 응집력뿐만 아니라 물과 목부 벽 사이의 부착력도 물기둥을 안정적으로 유지하는 데 도움을 줍니다. 가느다란 관에서는 모세관 현상도 일부 기여하지만, 거대한 나무에서 수십 m 이상의 높이까지 물을 이동시키는 핵심적인 설명은 증산으로 발생한 장력과 물의 응집력을 결합한 응집-장력설이라고 보시면 됩니다. 이때 나무가 높아질수록 물기둥은 중력 때문에 아래쪽으로 더 강하게 끌리는데요, 게다가 목부 안의 물은 상당한 음압 상태가 될 수 있습니다. 그런데도 물 분자 사이의 결합이 물기둥을 하나의 연속된 구조로 유지하면서 잎에서 발생한 당기는 힘을 뿌리까지 전달합니다. 그렇다고 해서 뿌리가 아무 역할도 하지 않는 것은 아닙니다. 뿌리는 토양에서 물을 흡수하고 목부로 공급하는 역할을 하며, 특히 토양과 뿌리 사이의 물 퍼텐셜 차이를 이용해 물이 식물체 안으로 들어오도록 하는데요, 하지만 거대한 나무의 꼭대기까지 물을 능동적으로 밀어 올리는 주된 힘이 뿌리의 펌프라는 것은 아닙니다. 감사합니다.

Answer 2

수십 미터 나무 꼭대기까지 물이 올라가는 비결은 증산작용, 응집력, 장력이라 할 수 있습니다.

나무는 아래에서 밀어 올리는 것이 아니라 위에서 강력하게 끌어당기는 방식을 사용합니다.

햇빛을 받아 잎의 기공으로 물이 증발하는 증산작용이 발생할 때, 잎 내부에는 강력한 음압, 즉 장력이 형성되는데, 이 음압은 마치 빨대로 음료를 빨아들이듯 줄기를 거쳐 뿌리까지 연결된 수분을 위로 끌어당깁니다. 그리고 이때 물 분자끼리 서로 강력하게 끌어당기는 수소 결합(응집력)이 핵심 역할을 합니다.

이 응집력 덕분에 물은 100m가 넘는 높이에서도 끊어지지 않는 하나의 물 밧줄처럼 유지되는 것입니다.

또한 물 분자가 물관 벽면에 붙으려는 접착력으로 중력에 의해 밑으로 쏠리는 것을 막아줍니다.

결론적으로 대기압의 최대 25배에 달하는 엄청난 음압으로 태양 에너지만으로 작동하는 천연 펌프인 셈입니다.

결국 증산작용의 당기는 힘과 물 분자의 응집력이 합쳐져 중력을 거스르는 물길을 완성되는 것입니다.

Answer 3

안녕하세요. 임형준 수의사입니다.

나무에는 심장 같은 펌프가 없지만, 잎의 기공에서 물이 증발하는 증산이 위쪽에서 강한 당김을 만듭니다. 물 분자끼리의 응집력과 물관 벽에 붙는 부착력이 물기둥을 끊기지 않게 유지해 뿌리의 물을 수십 미터 위까지 끌어올립니다. 뿌리압은 보조 역할이고 핵심은 응집-장력 이론입니다