수십미터나 되는 나무의 꼭대기까지 물이 상승하는 원리

[금송나무]

일명 물상승(수액상승)의 원동력이라고 해서 중고등학교 교과서에 나오져(^----^) 많은 분들이 궁금하다 그러셔서 짧은 지식이나마 올려봅니다^^;;;


♧ 물의 상승 원리 ♧

뿌리의 흡수작용 결과 줄기의 물관조직 속에 생기는 근압에 의하여 수액이 밀려 올라간다고 하는 근압설(根壓說), 잎의 증산작용에 의하여 조직 속에 음압(陰壓)이 생겨서 물을 빨아올린다고 하는 설, 또한 줄기에 있는 물관의 모세관현상(毛細管現象)에 의하여 물이 상승한다는 설도 있습니다. 그러나 어느 설도 수액상승의 모든 것을 충분히 설명할 수는 없습니다. 예를 들면, 근압은 때때로 상당히 강해지는데요, 층층나무의 근압은 보통 1∼2 atm(기압)으로, 봄에 잎이 돋아날 때에는 2 atm 이상 된다고 합니다. 따라서 식물체내에 음압이 생겼다고 해도 기압에 의한 진공관(眞空管) 속의 물의 상승은 약 10 m 이상이 될 수 없으므로, 높이 수십 m 이상 되는 큰 나무의 수액상승은 근압만으로는 설명할 수가 없습니다. 그리하여 오늘날에는 앞에서 말한 힘이 독립적으로 작용하는 것이 아니라 각 설이 공동으로 작용하는 동시에, 또한 물분자 사이의 응집력에 의하여 물이 뿌리에서 줄기까지 연결된 하나의 물기둥이 되어 물관 속을 상승한다고 생각되는 응집력설(凝集力說)이 지배적입니다. 이 때 물관 속에서 생기는 점착력(粘着力)과 모세관현상도 유력한 힘이 되어 협력하는 것과 또한 물관에 접해 있는 살아 있는 세포도 관계한다고 유추되어 집니다.

즉 물상승의 원동력으로 4가지의 원리를 들 수 있구요~ 구체적인 내용을 좀 더 풀어서 설명하자면...

① 증산작용(蒸散作用) : 식물의 수분이 식물체의 표면의 기공(氣孔 숨구멍)에서 수증기가 되어 배출되는 현상. 기공증산은 기공의 개폐정도에 따라 좌우된다. 기공의 개폐는 기공을 둘러싸고 있는 공변세포의 팽압 변화에 의해 조절된다. 증산의 크기는 식물의 내적·외적 조건에 따라 영향을 받는다. 외적 조건 중에서 빛이 가장 큰 영향을 주는데, 이에는 2가지 이유로 생각된다. 하나는 빛이 기공 개폐의 원인이 되고 있다. 즉, 기공은 밝은 곳에서는 열리고, 어두운 곳에서는 닫힌다. 다른 하나는 잎에 흡수된 복사에너지(태양에너지라고생각하면 될 듯)가 잎의 온도를 외위(外圍) 온도보다 높게 한다는 것이다. 즉, 잎에 흡수된 복사에너지는 일부만 광합성을 위해 쓰이고, 나머지 대부분은 열로 변해 잎의 온도를 높인다. 이 결과 잎 세포표면의 물의 증기압이 높아져 외기의 증기압과의 차가 커지므로 증산속도가 증가된다.
빛 이외에도 온도 ·습도 ·바람 ·이산화탄소 등의 변화가 증산의 크기 변화에 영향을 준다. 증산에 의해 식물체에서 소실된 물은 뿌리로부터 흡수된 물로 보충된다. 증산이 활발해서 흡수가 실수(失水)를 보충하는 데 충분하지 못하면 식물은 시든다. 증산은 개략적으로 말해서 다음과 같은 생리적인 의의가 있다. 즉, 증산은 식물체에서 물이 상승하는 원동력이 된다. 식물체 내에서 물은 잎에서 뿌리 끝까지 하나의 물기둥으로 연결되어 있고 잎에서 증산을 하면 흡수가 되는 한, 연속해서 상승을 계속한다. 이 때 물에 풀린 염류의 흡수 ·상승운반도 이루어진다. 또 물이 수증기로 변할 때 에너지를 빼앗음으로써 잎의 과열을 방지한다.

② 모세관 현상(毛細管現象) : 액체 속에 모세관을 넣었을 때, 관내의 액체표면이 외부의 자유표면보다 높거나 낮아지는 현상으로 모관현상이라고도 한다. 액체의 응집력과 관과 액체 사이의 부착력의 차에 따라 액면은 오목(凹)하거나 볼록(凸)해진다. 이러한 현상은 자주 볼 수 있는 자연현상의 하나로서, 흡수지나 천에 물이 저절로 스며드는 까닭도 흡수지나 천의 섬유가 모세관 구실을 하여 물을 빨아올리기 때문이다. 식물의 뿌리에서 흡수된 수분이나 양분이 식물체 전체에 퍼지는 것도 역시 이 현상에 의한다. 식물의 물의 이동통로인 물관은 아주 가는 모세관으로 내벽 표면에 대한 물의 부착력에 의해 물이 상승하며, 관의 굵기가 작을수록 높이 상승한다.

③ 뿌리압(근압根壓) : 식물의 뿌리에 생기는 수압(水壓). 뿌리가 물을 흡수하여 위로 밀어 올리는 힘으로 이른봄에 최고이고, 여름에는 0에 가깝다. 근압은 2월 말경부터 상승하기 시작하여 3월 말경의 개엽(開葉) 직전에 최대에 달하고 개엽과 동시에 저하한다. 최고값은 층층나무나 포도나무 등이 특히 높아서 2atm 정도이다. 하루 중에는 정오경이 최고이고 야간에는 최하로 나타난다. 뿌리의 통도조직(通導組織)에 염류의 능동적 흡수가 시작되어 그 결과로서 물의 유입이 일어난다고 본다

④ 응집력(凝集力) : 액체 또는 고체에서 그 물질을 구성하고 있는 원자·분자 또는 이온간에 작용하고 있는 인력(引力), 즉 서로 끌어당기는 힘을 말한다. 증산작용으로 잎의 세포에서 물이 줄어들면 세포질의 농도가 높아져 삼투현상에 의해 계속적으로 물이 상승한다. 또한 물분자 사이에 서로 끌어당기는 힘인 응집력에 의해 물관 내에 물기둥이 끊어지지 않고 계속 상승한다.