소나무가 기온이 낮고 물 흡수가 어려운 환경에서도 잎이 마르지 않고 광합성을 지속할 수 있는 이유는?

Question

안녕하세요. 낙엽이 지는 단풍나무와 달리 소나무는 사계절 내내 푸른 잎을 유지하는 대표적인 상록수입니다. 그런데 겨울철처럼 기온이 낮고 물 흡수가 어려운 환경에서도 잎이 마르지 않고 광합성을 지속할 수 있는 이유는 무엇이며, 이러한 적응은 어떤 생물학적 특징 때문인가요?

Answer 1

안녕하세요. 소나무가 겨울에도 푸른 잎을 유지할 수 있는 이유는 추운 환경에서 물 손실을 최소화하면서도 광합성을 계속할 수 있도록 여러 가지 구조적, 생리적 적응을 이루었기 때문입니다. 이때 가장 큰 특징은 바늘 모양의 잎을 가지고 있다는 점인데요, 소나무의 잎은 넓은 잎을 가진 활엽수와 달리 매우 가늘고 길어 표면적이 작습니다. 표면적이 작을수록 수분이 증발하는 양이 줄어들기 때문에 겨울철처럼 땅이 얼어 뿌리가 물을 충분히 흡수하지 못하는 환경에서도 잎이 쉽게 마르지 않습니다. 또한 소나무 잎의 표면에는 두꺼운 큐티클층이 발달해 있는데요, 큐티클은 왁스 성분으로 이루어진 보호층으로, 수분이 잎 밖으로 빠져나가는 것을 효과적으로 막아 줍니다. 겨울철의 차갑고 건조한 바람에도 잎이 수분을 오래 유지할 수 있는 이유가 여기에 있습니다.

기공의 구조적 측면에서도 차이가 있는데요, 소나무의 기공은 잎 표면보다 안쪽으로 들어가 있는 함몰기공의 형태를 띠는 경우가 많습니다. 이렇게 되면 기공 주변에 습한 공기층이 형성되어 증산작용이 줄어들고, 물 손실을 더욱 감소시킬 수 있습니다. 또한 겨울이 되면 소나무 세포에는 당류와 여러 용질의 농도가 높아져 세포액의 어는점을 낮추는데요, 이러한 변화는 세포가 얼어 손상되는 것을 방지하며, 일종의 천연 부동액 역할을 합니다. 또한 세포막의 성질도 저온에서 기능을 유지하도록 변화하여 추운 환경에서도 세포 활동이 가능하도록 돕습니다. 반면 단풍나무와 같은 낙엽수는 넓은 잎을 가지고 있어 겨울에도 잎을 유지하면 수분 손실이 너무 커지기 때문에, 가을이 되면 잎을 떨어뜨려 물 손실을 줄이고 겨울을 보내는 전략을 선택합니다. 즉, 상록수와 낙엽수는 서로 다른 방식으로 겨울 환경에 적응한 것이라고 보시면 되겠습니다. 감사합니다.

Answer 2

소나무가 자라는 혹독한 환경에 맞춰 진화한 독특한 형태적, 생리적 생물학적 특징 때문입니다.

겨울에는 땅이 얼어 뿌리가 물을 흡수하지 어렵기 때문에 물을 아껴야만 합니다.

그래서 잎이 얇은 바늘 모양이라 표면적이 좁고, 두꺼운 큐티클층과 왁스 성분으로 코팅되어 있어 겨울철 건조한 바람에도 수분 증발을 최소화할 수 있는 것입니다.

또한 가스 교환을 하는 기공이 잎 표면 깊숙이 숨겨진 구조여서 물이 쉽게 빠져나가지 못하도록 막아주고, 가을부터 세포 내 녹말을 당분과 아미노산으로 분해해 세포액의 농도를 높임으로써, 영하의 날씨에도 세포가 얼지 않도록 하는데, 세포 사이에 얼음 결정이 생겨 세포막이 파괴되는 것을 막아주는 특수 단백질을 분비합니다.

게다가 영하에 가까운 온도에서도 효소가 활동할 수 있고, 과도한 빛 에너지를 열로 방출해 엽록소가 파괴되지 않도록 보호하며 최소한의 광합성을 유지하도록 합니다.

이런 형태적/생리적 적응 덕분에 소나무는 겨울의 극한 환경에서도 마르지 않고 생존할 수 있는 것입니다.

Answer 3

안녕하세요. 임형준 수의사입니다.

소나무는 바늘처럼 좁고 두꺼운 잎, 두꺼운 큐티클층, 움푹 들어간 기공을 가져 수분 증발을 크게 줄입니다. 또한 세포 내 당류와 단백질이 동결 피해를 줄여 겨울에도 잎을 유지할 수 있습니다. 겨울에는 광합성 속도가 크게 감소하지만 기온이 오르는 날에는 광합성을 계속할 수 있어 잎을 매년 새로 만드는 낙엽수 보다 에너지를 효율적으로 사용할 수 있습니다.