하나님이 창조하신 겨울 - 식물은 어떻게 겨울을 지낼까?
이웅상
날씨가 추워지면 사람들은 두꺼운 옷을 입고 난방을 하면서 겨울을 난다. 그러나 대부분의 식물들은 오히려 옷을 벗듯이 잎을 떨구고 겨울을 난다. 과연 식물이 잎을 떨구는 이유는 무엇이며, 또 어떤 방법으로 겨울을 나는지 생각해 보자.
그림 1) 단풍은 잎을 떨어뜨리고 겨울을 준비하기 위한 과정에 잠시 나타나는 것이다
가을이 되면 대부분의 식물 잎 속의 양분은 줄기와 뿌리로 이동하고 잎자루나 잎 몸의 기부에 이층(離層)이라고 하는 특수한 세포층이 형성된다. 이 때부터 엽록소의 합성은 중단되고 안토시아닌이 합성되면서 붉은 색을 띄게 되고 뒤에 이 이층이 발달되어 잎은 떨어지게 된다. 즉 단풍은 잎을 떨어뜨리고 겨울을 준비하기 위한 과정에 잠시 나타나는 것이다. 여름에는 광합성을 통해 영양분을 합성하기 위해 많은 잎이 필요했지만, 겨울에는 얼기 쉬운 잎을 떨구고 대신 봄에 잎이 될 조직을 여러 겹의 세포로 쌓아 얼지 않도록 겨울눈을 만들어 지내게 된다.
은행나무 같은 식물은 안토시아닌을 생성하지 않는다. 그러면 왜 은행나무잎은 가을이 되면 노랗게 되는 것일까? 모든 식물들은 광합성을 위하여 엽록소뿐만 아니라 카로틴과 크산토필이란 노란 색을 띈 물질도 가지고 있다. 초봄에 막 싹이 튼 어린잎이나 콩나물과 같이 빛을 받지 못한 잎이 노란 색을 띄는 이유는 바로 이런 색소 때문인 것이다. 그러나 햇빛을 받으면 금방 엽록소가 생겨 녹색으로 변하므로 노란색은 눈에 잘 띄지 않게 된다. 하지만 가을이 되어 기온이 떨어지면 나뭇잎의 엽록소 생성이 중단되고 이미 생성된 엽록소는 파괴되면서 녹색에 가려졌던 노란 색이 드러나게 된다. 그래서 은행나무는 황엽의 단풍으로 가을을 수놓게 된다.
일부 식물은 날씨가 추워지면 엽록소와 카로틴을 모두 분해한 후 카로틴만을 새로 합성해 노란 단풍을 만드는 것으로 알려져 있다. 또한 어떤 식물들은 엽록소가 파괴된 후 생성된 안토시아닌과 카로틴이 섞여 밝은 오렌지색의 단풍을 만들기도 한다. 반면에 참나무 같은 식물은 황갈색의 단풍을 갖게 되는데 이들은 잎에 탄닌이란 물질을 갖고 있어 엽록소가 분해된 후 카로틴과 탄닌의 색이 혼합되어 나타난 것이다.
그러면 식물은 단풍이 들게 하고 잎을 떨어뜨리는 시기를 어떻게 알 수 있을까? 그것은 식물들이 낮의 길이와 온도를 감지하고 반응하기 때문이다. 일반적으로 낙엽기는 장일(長日)에 의하여 늦어지고 단일(短日)에 의하여 촉진된다. 즉 가을에 낮의 길이가 일정시간 이하로 짧아지고 기온이 떨어지면 식물은 겨울준비에 들어가는 것이다. 단적인 예로, 가로수로 심은 은행나무 중에서 가로등이 잘 비취는 잎은 그렇지 못한 어두운 부분에 비해 오랜 동안 달려 떨어지지 않는다.
또한 온도도 낙엽에 영향을 미친다. 예를 들면 떡갈나무의 일종은 가을이 되어 단일이 되면 자연환경 하에서는 낙엽이 되지만 온실에서는 낙엽이 되지 않는다. 이러한 자연환경을 감지하고 조절하는 데는 피토크롬이란 물질과 에틸렌, 앱시스산이란 호르몬이 관여하며 아직도 과학자들이 다 밝히지 못한 복잡한 과정이 있음을 추측할 뿐이다.
그러면 낙엽을 떨군 후에 식물은 어떤 방법으로 혹독한 겨울을 지내기 위해 준비하는지 생각해 보자.
식물체 수준에서의 대표적인 냉해의 증상은 생장과 물질대사의 감소를 들 수 있다. 낮은 기온은 식물의 생장을 감소시켜 식물의 생활사를 완성하는데 걸리는 시간을 연장시킴으로 많은 식물들이 제대로 씨앗을 형성하지 못하게 된다. 냉해의 진행과정을 보면, 처음에는 세포막의 인지질이 액화상태에서 고형화되면서 막에 결합되어 있는 효소들이 비활성화된다. 결국 미토콘드리아의 막에 있는 호흡효소들이 기능을 상실하게 되어 호흡률이 떨어지고, 뿌리의 세포막에 있는 이온을 흡수하는 단백질들이 기능을 잃게 되어 이온의 흡수와 물의 흡수가 줄어들게 된다.
그러므로 겨울이 시작되기 전에 식물들은 세포막의 투과도를 증가시켜야 한다. 왜냐하면 냉해의 초기 반응은 세포막이 고형화 됨으로 투과도가 감소하고 막에 결합된 효소의 활성도가 떨어지기 때문이다. 세포막의 투과도를 높이는 방법 중 하나는 세포막의 인지질에 불포화 지방산의 양을 높이는 것이다. 불포화 지방산이 갖고 있는 탄소와 탄소사이의 이중결합은 지방산의 탄소사슬을 꺾이게 만들어 많은 공간을 차지하게 함으로 세포막의 투과도를 높이는 효과를 가져온다. 세포의 투과도를 높이는 또 다른 방법으로는 세포막에 Cholesterol(콜레스테롤) 같은 물질을 끼어 넣는 방법이다.
낮은 온도에서 식물의 광합성 중 효소반응인 암반응은 급격히 감소하게 된다. 그러나 광화학반응인 명반응은 온도에 별 영향을 받지 않는다. 결과적으로 낮은 온도에서 식물은 환원된 NADPH를 축적하게 되고 결국 순환 광인산화반응에 의해 ATP를 다량 생산하게 된다. ATP의 다량 축적은 ATP만을 필요로 하는 단백질의 합성을 촉진하게 된다. 이렇게 해서 축적된 수용성 단백질은 빙점을 낮추게 되어 영하의 날씨에도 얼지 않게 된다. 순수한 물은 0oC 에서 얼기 시작하나, 이 순수한 물에 용질을 많이 녹일수록 빙점은 낮아지게 된다. 세포는 고형물과 액체상태의 물질이 혼합되어 있는 혼합체이므로 빙점은 항상 0oC 보다 낮기 마련이다. 그러므로 세포가 얼기 시작할 때는 이미 상당히 온도가 빙점이하로 낮아진 상태이며 세포의 빙점은 여러 요인에 의해 영향을 받게 된다.
그림 2)식물은 여러 가지 다양한 방법으로 겨울을 난다.
| 식물세포는 실제로 빙핵에 의해서 얼기 시작한다. 빙핵은 얼음 결정이나 다른 고형물질로서 주위로부터 얼음결정이 형성되기 시작하여 이후로는 신속하게 빙점이하로 냉각되어 모든 용액을 얼게 한다. 세포 내에서 물은 대개 -10℃ 이내에 얼기 시작하지만 조건에 따라 -38℃까지도 얼지 않고 냉각될 수 있다. 결빙으로 인한 식물의 피해는 세포가 얼었다 녹으면서 나타나기 시작한다. 먼저 얼기 시작한 세포 밖으로 세포내의 물이 증발되면서 세포의 부피는 감소하게 되고, 세포막은 수축하기 시작한다. 이 상태는 혐수성에 의해 결합되어 있는 인지질과 세포막에 있는 물질들을 세포 밖으로 떨어져 나가게 한다. 이런 상태의 세포가 녹게 되면 세포막이 파괴되어 세포내 물질들을 잃고 죽게 된다. 그러나 추위에 강한 식물들은 지질과 세포막에서 떨어져 나온 물질들을 세포 내에 저장해 두었다가 세포가 녹을 때 세포막에 재결합하게 함으로 세포막의 파괴를 막게 된다. |
이상과 같은 빙점이하의 온도에서 일어나는 피해를 막기 위해서 식물들은 다음과 같은 다양한 방법으로 겨울을 준비한다.
첫째, 식물은 용질(당, 유기산, 아미노산, 단백질 등)을 세포에 축적함으로 빙점을 낮추게 된다. 그러나 이 방법만으로는 극히 낮은 온도로부터 자신을 보호할 수 없다. 그래서 둘째로 휴면아를 통해 혹독한 겨울을 난다. 휴면아는 가을에 기온이 5oC정도로 떨어지면서 형성되는 것으로 -40oC 정도에서도 견딜 수 있게 한다. 그러므로 본격적으로 겨울이 시작되기 전에 휴면아를 형성함으로 -20～-30oC정도의 기온에도 세포는 얼지 않고 겨울을 나게 된다. 휴면아에 어떠한 생리적 변화가 일어나는지는 아직도 분명치 않지만 일반적으로 휴면아는 거의 순수한 물을 포함하고 있어 빙핵의 결핍으로 낮은 온도에서도 결빙하지 않는 것으로 알려져 있다. 이 기간동안 휴면아를 제외한 다른 조직들은 세포간 결빙으로 인해 탈수현상을 감수하며 겨울을 나게 된다.
그러나 일부 식물의 휴면하고 있는 가지를 액체질소(-196oC)에 처리해도 다음 해의 생장에 별 피해가 없는 현상을 이 둘째 방법만으로는 설명할 수가 없다. 이 경우 식물은 아마도 세포막과 세포내 소기관 그리고 거대분자들 주위에 얇은 물로 보호막을 형성한 다음 세포내의 모든 결빙할 수 있는 물을 세포 밖으로 축출함으로 세포 안에는 얼음이 형성되지 못하도록 했을 것으로 추정하고 있다.
이렇듯 식물들은 과학이 다 밝히지 못한 방법, 하나님이 창조하신 신비하고도 다양한 방법으로 혹독한 겨울을 나고 봄에 새 잎을 내는 것이다. 죄에 대한 하나님의 심판의 때를 준비하지 않은 채 죄악 가운데 멋대로 살아가는 인간을 향해 지혜롭게 겨울을 준비하며 살아가는 식물들이 하나님의 살아 계심과 창조자 되심을 증언하고 있는 것이다.
출처 : 창조지, 제 128호 [2001. 11~12]
하나님이 창조하신 겨울 - 식물은 어떻게 겨울을 지낼까?
이웅상
날씨가 추워지면 사람들은 두꺼운 옷을 입고 난방을 하면서 겨울을 난다. 그러나 대부분의 식물들은 오히려 옷을 벗듯이 잎을 떨구고 겨울을 난다. 과연 식물이 잎을 떨구는 이유는 무엇이며, 또 어떤 방법으로 겨울을 나는지 생각해 보자.
그림 1) 단풍은 잎을 떨어뜨리고 겨울을 준비하기 위한 과정에 잠시 나타나는 것이다
가을이 되면 대부분의 식물 잎 속의 양분은 줄기와 뿌리로 이동하고 잎자루나 잎 몸의 기부에 이층(離層)이라고 하는 특수한 세포층이 형성된다. 이 때부터 엽록소의 합성은 중단되고 안토시아닌이 합성되면서 붉은 색을 띄게 되고 뒤에 이 이층이 발달되어 잎은 떨어지게 된다. 즉 단풍은 잎을 떨어뜨리고 겨울을 준비하기 위한 과정에 잠시 나타나는 것이다. 여름에는 광합성을 통해 영양분을 합성하기 위해 많은 잎이 필요했지만, 겨울에는 얼기 쉬운 잎을 떨구고 대신 봄에 잎이 될 조직을 여러 겹의 세포로 쌓아 얼지 않도록 겨울눈을 만들어 지내게 된다.
은행나무 같은 식물은 안토시아닌을 생성하지 않는다. 그러면 왜 은행나무잎은 가을이 되면 노랗게 되는 것일까? 모든 식물들은 광합성을 위하여 엽록소뿐만 아니라 카로틴과 크산토필이란 노란 색을 띈 물질도 가지고 있다. 초봄에 막 싹이 튼 어린잎이나 콩나물과 같이 빛을 받지 못한 잎이 노란 색을 띄는 이유는 바로 이런 색소 때문인 것이다. 그러나 햇빛을 받으면 금방 엽록소가 생겨 녹색으로 변하므로 노란색은 눈에 잘 띄지 않게 된다. 하지만 가을이 되어 기온이 떨어지면 나뭇잎의 엽록소 생성이 중단되고 이미 생성된 엽록소는 파괴되면서 녹색에 가려졌던 노란 색이 드러나게 된다. 그래서 은행나무는 황엽의 단풍으로 가을을 수놓게 된다.
일부 식물은 날씨가 추워지면 엽록소와 카로틴을 모두 분해한 후 카로틴만을 새로 합성해 노란 단풍을 만드는 것으로 알려져 있다. 또한 어떤 식물들은 엽록소가 파괴된 후 생성된 안토시아닌과 카로틴이 섞여 밝은 오렌지색의 단풍을 만들기도 한다. 반면에 참나무 같은 식물은 황갈색의 단풍을 갖게 되는데 이들은 잎에 탄닌이란 물질을 갖고 있어 엽록소가 분해된 후 카로틴과 탄닌의 색이 혼합되어 나타난 것이다.
그러면 식물은 단풍이 들게 하고 잎을 떨어뜨리는 시기를 어떻게 알 수 있을까? 그것은 식물들이 낮의 길이와 온도를 감지하고 반응하기 때문이다. 일반적으로 낙엽기는 장일(長日)에 의하여 늦어지고 단일(短日)에 의하여 촉진된다. 즉 가을에 낮의 길이가 일정시간 이하로 짧아지고 기온이 떨어지면 식물은 겨울준비에 들어가는 것이다. 단적인 예로, 가로수로 심은 은행나무 중에서 가로등이 잘 비취는 잎은 그렇지 못한 어두운 부분에 비해 오랜 동안 달려 떨어지지 않는다.
또한 온도도 낙엽에 영향을 미친다. 예를 들면 떡갈나무의 일종은 가을이 되어 단일이 되면 자연환경 하에서는 낙엽이 되지만 온실에서는 낙엽이 되지 않는다. 이러한 자연환경을 감지하고 조절하는 데는 피토크롬이란 물질과 에틸렌, 앱시스산이란 호르몬이 관여하며 아직도 과학자들이 다 밝히지 못한 복잡한 과정이 있음을 추측할 뿐이다.
그러면 낙엽을 떨군 후에 식물은 어떤 방법으로 혹독한 겨울을 지내기 위해 준비하는지 생각해 보자.
식물체 수준에서의 대표적인 냉해의 증상은 생장과 물질대사의 감소를 들 수 있다. 낮은 기온은 식물의 생장을 감소시켜 식물의 생활사를 완성하는데 걸리는 시간을 연장시킴으로 많은 식물들이 제대로 씨앗을 형성하지 못하게 된다. 냉해의 진행과정을 보면, 처음에는 세포막의 인지질이 액화상태에서 고형화되면서 막에 결합되어 있는 효소들이 비활성화된다. 결국 미토콘드리아의 막에 있는 호흡효소들이 기능을 상실하게 되어 호흡률이 떨어지고, 뿌리의 세포막에 있는 이온을 흡수하는 단백질들이 기능을 잃게 되어 이온의 흡수와 물의 흡수가 줄어들게 된다.
그러므로 겨울이 시작되기 전에 식물들은 세포막의 투과도를 증가시켜야 한다. 왜냐하면 냉해의 초기 반응은 세포막이 고형화 됨으로 투과도가 감소하고 막에 결합된 효소의 활성도가 떨어지기 때문이다. 세포막의 투과도를 높이는 방법 중 하나는 세포막의 인지질에 불포화 지방산의 양을 높이는 것이다. 불포화 지방산이 갖고 있는 탄소와 탄소사이의 이중결합은 지방산의 탄소사슬을 꺾이게 만들어 많은 공간을 차지하게 함으로 세포막의 투과도를 높이는 효과를 가져온다. 세포의 투과도를 높이는 또 다른 방법으로는 세포막에 Cholesterol(콜레스테롤) 같은 물질을 끼어 넣는 방법이다.
낮은 온도에서 식물의 광합성 중 효소반응인 암반응은 급격히 감소하게 된다. 그러나 광화학반응인 명반응은 온도에 별 영향을 받지 않는다. 결과적으로 낮은 온도에서 식물은 환원된 NADPH를 축적하게 되고 결국 순환 광인산화반응에 의해 ATP를 다량 생산하게 된다. ATP의 다량 축적은 ATP만을 필요로 하는 단백질의 합성을 촉진하게 된다. 이렇게 해서 축적된 수용성 단백질은 빙점을 낮추게 되어 영하의 날씨에도 얼지 않게 된다. 순수한 물은 0oC 에서 얼기 시작하나, 이 순수한 물에 용질을 많이 녹일수록 빙점은 낮아지게 된다. 세포는 고형물과 액체상태의 물질이 혼합되어 있는 혼합체이므로 빙점은 항상 0oC 보다 낮기 마련이다. 그러므로 세포가 얼기 시작할 때는 이미 상당히 온도가 빙점이하로 낮아진 상태이며 세포의 빙점은 여러 요인에 의해 영향을 받게 된다.
그림 2)식물은 여러 가지 다양한 방법으로 겨울을 난다.
이상과 같은 빙점이하의 온도에서 일어나는 피해를 막기 위해서 식물들은 다음과 같은 다양한 방법으로 겨울을 준비한다.
첫째, 식물은 용질(당, 유기산, 아미노산, 단백질 등)을 세포에 축적함으로 빙점을 낮추게 된다. 그러나 이 방법만으로는 극히 낮은 온도로부터 자신을 보호할 수 없다. 그래서 둘째로 휴면아를 통해 혹독한 겨울을 난다. 휴면아는 가을에 기온이 5oC정도로 떨어지면서 형성되는 것으로 -40oC 정도에서도 견딜 수 있게 한다. 그러므로 본격적으로 겨울이 시작되기 전에 휴면아를 형성함으로 -20～-30oC정도의 기온에도 세포는 얼지 않고 겨울을 나게 된다. 휴면아에 어떠한 생리적 변화가 일어나는지는 아직도 분명치 않지만 일반적으로 휴면아는 거의 순수한 물을 포함하고 있어 빙핵의 결핍으로 낮은 온도에서도 결빙하지 않는 것으로 알려져 있다. 이 기간동안 휴면아를 제외한 다른 조직들은 세포간 결빙으로 인해 탈수현상을 감수하며 겨울을 나게 된다.
그러나 일부 식물의 휴면하고 있는 가지를 액체질소(-196oC)에 처리해도 다음 해의 생장에 별 피해가 없는 현상을 이 둘째 방법만으로는 설명할 수가 없다. 이 경우 식물은 아마도 세포막과 세포내 소기관 그리고 거대분자들 주위에 얇은 물로 보호막을 형성한 다음 세포내의 모든 결빙할 수 있는 물을 세포 밖으로 축출함으로 세포 안에는 얼음이 형성되지 못하도록 했을 것으로 추정하고 있다.
이렇듯 식물들은 과학이 다 밝히지 못한 방법, 하나님이 창조하신 신비하고도 다양한 방법으로 혹독한 겨울을 나고 봄에 새 잎을 내는 것이다. 죄에 대한 하나님의 심판의 때를 준비하지 않은 채 죄악 가운데 멋대로 살아가는 인간을 향해 지혜롭게 겨울을 준비하며 살아가는 식물들이 하나님의 살아 계심과 창조자 되심을 증언하고 있는 것이다.
출처 : 창조지, 제 128호 [2001. 11~12]