가끔은 가장 간단한 질문에서 가장 놀라운 답이 나올 때가 있습니다.
예를 들어, 이 나무들은 어떻게 이렇게 클 수 있을까? 너무나 당연해서 생각해보지도 못한 질문이겠죠.
어떤 나무들은 100미터 이상의 높이를 자랑합니다. 115미터가 최고기록이죠.
그럼 나무의 높이에 무슨 문제가 있는 걸까요?
대기압에서 물을 빨아들일 수 있는 높이는 10m가 한계입니다.
10m까지 끌어올린 물의 압력은 대기압과 평형을 이루게되고,
튜브내부와 외부의 기압차의 한계에 다달아 튜브내에는 진공이 형성되기 때문이죠.
지난 시간에는 실제로 10m가 넘는 튜브를 이용해 물을 빨아들이는 실험을 했습니다.
입으로는 4m까지가 한계였기때문에 펌프를 이용해 10미터까지 끌어올리는데 성공했지만,
그 이상의 높이에서는 물이 증발해버리는 현상을 관찰할 수 있었죠.
이론상 뿌리부터 나무 끝까지 물을 공급하려면 보통 10기압이라는 엄청난 기압차가 필요합니다.
어떻게 나무는 이런 엄청난 기압차를 극복하고 물을 나무 꼭대기까지 끌어올릴 수 있을까요?
제가 이 질문을 했을 때, 대부분의 사람들은 증산작용 때문이라고 답해주었습니다.
증산작용이란 잎의 기공을 통해 증발하는 것으로 나무가 계속 물을 흡수할 수 있도록 도와줍니다.
하지만 10기압이 넘는 기압차를 만들어내기에는 충분하지않습니다.
진공보다 더 낮은 기압을 만들어 내는 건 불가능한것같고...
중간에 벨브같은게 있어서 끌어올리는데 필요한 기압차를 줄여주지않을까?
상당히 괜찮은 생각이지만 실제로는 하나의 튜브로 이루어진 물관이라는 조직으로 이루어져있습니다.
그럼 나무가 물을 쭉쭉 짜서 올려보내는거 아닐까? 뭐랄까..근육처럼..
안타깝게도 이 가정은 상당한 에너지가 필요하다는 점과
물관이라는 조직은 세포활동을 하지않는 죽은 세포로 이루어져있기때문에 움직임자체가 불가능합니다.
그럼 삼투압! 삼투압은 어떠냐? 그리고..미세관 작용
나무의 농도가 흙의 농도보다 높다면 삼투압현상으로 인해 흙에 있던 물이 나무쪽으로 이동할 수 있습니다.
하지만 맹그로브같은 나무는 바닷가같은 농도가 높은 지역에 살기때문에
오히려 삼투압으로 인해 물을 빼앗겨 말라죽는 상황이지만 잘 살고있죠.
물의 표면장력을 이용하는 미세관의 경우 물관을 지름이 마이크로단위임에도 불구하고
1m밖에 물을 끌어올리지못합니다. 100미터넘게 자라는 나무에 물을 공급하기에는 너무 적은 힘이네요.
먼저 답을 말하기전에 이전에 말한 전제중 틀린게 하나있습니다.
"진공보다 더 낮은 기압을 만들어 내는 건 불가능하것같고..." 라는 전제.
기체상태에서는 이게 맞습니다. 통안의 모든 기체분자들을 빼고나면
완벽한 진공이 되죠. 하지만 액체상태일때는 다릅니다.
액체상태에서는 부피가 거의 변하지않고, 밀봉된 실린더에 피스톤을 끌어당기면 그 영향으로 주변도 같이 잡아당겨지죠.
고체상태에서는 이것을 인장력이라고 합니다. 그렇다면 이런 음수의 압력을 만들어내는 힘은 어디서 나올까요?
바로 물의 무게에서 나옵니다. 물관속에서 물분자들이 마치 끈처럼 연결되어있다고 생각하면
맨 위에있는 물 분자는 아래에 있는 모든 물분자들의 무게만큼 당겨지고 있는 것입니다.
이런 힘에도 부피를 유지하려는 물은 그에 상응하는 엄청난 힘으로 주변의 물분자들을 끌어당깁니다.
하지만 이런 현상을 유지하기 위해서는 물이 통하는 관속에 공기방울 하나없이 완벽하게 물로만 차있어야합니다.
만일 공기방울이 들어갈경우 엄청난 음수의 압력때문에 부피가 팽창하고
튜브를 막게되어 마치 줄이 끓어진것처럼 음수의 압력을 잃어버리게 되고 물은 다시 아래로 내려갑니다.
그래서 나무의 물관은 생겨날 때부터 물로 가득차있습니다.
이러한 대기와 닿는 나뭇잎의 기공은 이런 음수의 압력을 어떻게 견딜까요?
여기서 미세관작용이 힘을 발휘됩니다. 미세관 작용은 관의 지름에 반비례하여 강해집니다.
아까 20~200um의 물관은 1m까지 밖에 물을 빨아들이지못하지만
기공의 지름은 불과 2~5nm밖에 안되기 때문에 약10km에서 100km상공까지 끌어올릴 수 있는 힘을 가지게 됩니다.
그리고 나노미터의 기공속의 수백개의 분자가 공기와 만나 증발을 함으로써
나무는 계속 물을 흡수하고 발산하는 순환을 가지게 됩니다.
그럼 이렇게 끌어올린 물은 어떻게 쓰일까요?
광합성? 광합성에는 끌어올린 물의 1%도 쓰지않습니다.
성장? 약 5%정도는 세포분열을 비롯한 성장에 사용되죠.
그럼 나머지 95%는? 그냥 증발시켜버립니다
3줄 요약
1. 나무는
2. 100미터까지 물을 끌어올리고
3. 그냥 증발시켜버린다.
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