나무는 어떻게 높은 곳까지 물을 끌어올릴까요?

Question

거대한 나무는 뿌리에서 흡수한 물을 수십 미터 위의 잎까지 이동시킵니다. 펌프 같은 장치도 없는데 물이 위로 올라간다는 것이 신기한데요.

나무는 어떤 힘을 이용해 물을 꼭대기까지 운반하는 걸까요?

Answer 1

안녕하세요. 나무가 뿌리에서 수십~수백 미터 높이의 잎까지 물을 운반할 수 있는 가장 중요한 원리는 증산-응집력-장력 기작인데요, 흔히 뿌리가 물을 위로 밀어 올린다고 생각하지만, 실제로는 잎에서 물이 증발하면서 만들어지는 힘이 물기둥을 위쪽으로 끌어당기는 것이 핵심입니다. 식물의 물은 뿌리에서 흡수된 뒤 줄기 안쪽의 물관을 통해 잎까지 이동합니다. 물관은 아주 가느다란 관들이 길게 연결된 구조인데, 물 분자끼리는 서로 강하게 끌어당기는 응집력이 있습니다. 동시에 물 분자는 물관 벽의 셀룰로오스 등에 달라붙는 부착력도 가지고 있습니다. 따라서 물관 안에서는 물이 끊어진 작은 방울들의 집합처럼 존재하는 것이 아니라, 상당히 연속적인 물기둥을 형성할 수 있습니다.

이때 잎의 표면에는 기공이라는 작은 구멍이 있는데, 이곳을 통해 잎 내부의 물이 수증기로 변해 대기 중으로 빠져나갑니다. 이것을 증산이라고 하는데요, 잎에서 물이 하나 빠져나가면 물관 내부의 물기둥에 장력이 발생하고, 물 분자 사이의 응집력 때문에 아래쪽에 연결된 물이 그 빈자리를 채우면서 위쪽으로 끌려 올라갑니다. 마치 긴 실에 연결된 구슬 하나를 위에서 잡아당기면 아래쪽의 구슬들도 함께 움직이는 것과 비슷합니다.

여기서 나무가 높은 곳까지 물을 운반할 수 있는 핵심이 바로 잎에서 발생하는 증산의 힘인데요, 태양에 의해 잎의 물이 계속 증발하면 뿌리에서 잎까지 이어진 물기둥 전체에 장력이 전달되고, 그 결과 물이 위쪽으로 이동합니다. 뿌리의 삼투압이나 뿌리압도 물의 이동에 일부 기여하지만, 특히 키가 큰 나무에서 수십 미터 이상의 높이까지 물을 운반하는 데에는 증산에 의한 장력이 훨씬 중요합니다. 다만 이 과정은 물이 항상 완벽하게 이어져 있어야 한다는 중요한 조건이 있다보니, 가뭄이 심하거나 기온이 지나치게 높으면 물관 내부에 공기방울이 생기는 공동화가 발생할 수 있습니다. 공기방울이 물기둥의 연결을 끊으면 물의 이동이 방해되고, 심하면 나무의 가지나 줄기가 말라 죽을 수도 있습니다. 식물은 물관 구조를 조절하거나 새로운 물관을 만드는 등 이런 위험에 대응하는 다양한 적응을 갖고 있습니다. 감사합니다.

Answer 2

거대한 나무에는 인공 펌프가 없지만, 증산작용 및 물 분자의 응집력과 부착력, 모세관 현상, 뿌리압 등의 원리로 물을 밀어 올리는 것입니다.

먼저 증산작용은 잎의 기공에서 물이 증발하면서 생기는 강력한 음압이 물을 위로 끌어당깁니다.

또한 물 분자끼리 서로 강하게 결합하여 물기둥이 중간에 끊어지지 않게 하고, 물 분자가 물관 벽에 붙어 위로 올라가도록 지탱합니다.

게다가 아주 가느다란 물관 덕분에 물이 스스로 벽을 타고 상승하는 것이 가능한 것입니다.

여기에 뿌리에서 삼투 현상으로 물을 흡수하며 아래에서 위로 밀어 올리는 힘이 더해집니다.

결과적으로 증산작용으로 맨 위 물 분자가 빠져나가면 사슬처럼 줄지어 올라가는데, 이 모든 과정은 태양 에너지와 물리적 성질을 이용하므로 자체 펌프가 필요 없는 것입니다.

Answer 3

안녕하세요. 임형준 수의사입니다.

나무가 물을 끌어올리는 핵심 힘은 잎에서 물이 증발하는 증산작용 입니다. 잎에서 물이 빠져나가면 물관 내부에 음압이 생겨 아래쪽 물을 위로 당깁니다. 물 분자끼리 서로 붙는 응집력과 물관 벽에 붙는 부착력 덕분에 긴 물기둥이 유지되어 수십 미터 높이까지 이동할 수 있습니다. 뿌리 압도 일부 도움을 주지만 큰 나무에서는 증산에 의한 당김이 핵심입니다.