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모든 살아있는 유기체는 스스로를 유지하기 위해 일련의 기본 기능을 수행해야 합니다. 이러한 과정 중 하나는 유기체 전체에 걸쳐 물질을 운반하는 것입니다. 따라서 유기체는 환경과 물질을 교환해야 하며, 이는 단백질과 기타 물질을 서로 운반하는 세포의 작은 규모 또는 물이 지구 표면 위, 위, 아래를 지속적으로 이동하는 물 순환과 같은 더 큰 규모에서 볼 수 있습니다. 두 예 모두에서 한 영역에서 다른 영역으로의 재료 이동은 환경 변수와 생물학적 변수에 의해 조절되는 동적 프로세스입니다.
가장 작은 양치류에서 캘리포니아의 거대한 삼나무에 이르기까지 관다발 식물은 식물의 뿌리에서 끝까지 이어지는 혈관 조직 다발 시스템을 통해 식물 전체에 물과 수용성 물질을 운반합니다. 구체적으로 말하자면, 물과 영양분은 뿌리털에 흡수되어 삼투를 통해 식물에서 발견되는 두 개의 큰 혈관 시스템 중 하나인 식물의 물관부로 전달됩니다. 그런 다음 물은 식물의 가장 높은 지점으로 운반되어 광합성이 일어나는 잎 바깥쪽으로 운반됩니다. 흥미롭게도, 식물이 흡수하는 물의 1%만이 광합성에 사용됩니다. 나머지 99%의 물은 식물이 직접 사용하지 않으며 증산이라고도 하는 증발 또는 내장으로 인해 식물에서 손실됩니다. 증발은 물이 공기로 이동하는 것으로, 내장은 특히 식물의 기공에서 물방울이 분비되는 것을 말합니다. 두 가지 과정이 결합되어 식물의 증산을 구성합니다.
식물의 잎은 식물과 대기 사이의 물질 교환을 허용하는 개구부인 기공을 통해 광합성의 부산물을 방출하는 데 중요한 역할을 합니다. 기공은 기공이 열리고 닫힐 때를 조절하는 보호 세포(guard cell)로 둘러싸여 있습니다. 이곳은 증발로 인해 대부분의 물이 손실되는 활성 사이트이자 가스가 대기와 교환되는 사이트입니다. 처음에는 공장이 증발로 인해 수분을 잃는 것이 나쁜 전략처럼 보일 수 있지만, 가스 투입을 극대화하면서 공장의 재료와 물의 운송을 유지하기 위해서는 불가피합니다. 증산은 물의 농도를 낮추어 잎의 삼투압 전위를 낮춥니다. 이러한 수분 농도의 차이는 식물의 잎으로 물의 이동을 유도하고 물을 대기 중으로 방출하는 원인이 됩니다.
수분 잠재력은 뿌리 털에서 수분을 흡수하고 잎 끝으로 물을 운반합니다. 물 잠재력은 물의 자유 에너지를 측정한 것으로, 물 분자가 물 잠재력이 높은 영역에서 물 잠재력이 낮은 영역으로 이동하는 곳입니다. 잎에서 증발량이 많으면 수분 잠재력이 낮은 지역이나 물이 적은 지역이 생성되므로 뿌리와 줄기의 물이 잎으로 전달됩니다. 물 분자의 응집력과 접착 특성은 이러한 물의 이동을 가능하게 합니다. 응집력은 물 분자가 서로 끌어당기는 것이고 접착력은 물관부 벽과 같은 다른 물질에 물 분자가 인력을 당기는 것입니다. 물 분자가 기공을 통해 빠져나갈 때 물 분자를 아래로 끌어당겨 물이 더 낮은 수분 잠재력으로 이동하게 합니다.
식물 종은 물리적 특성뿐만 아니라 생태계에서의 형태와 기능에서도 크게 다릅니다. 식물 종 간의 이러한 차이와 먼 친척 식물 종 간의 유사성은 시간이 지남에 따라 진화를 통해, 더 구체적으로 초식 동물, 수분 매개자 및 기타 기후 및 환경 요인에 의해 부과 된 선택에 의해 형성됩니다. 따라서 증산 속도의 차이는 환경과 식물 종 자체의 영향을 받습니다. 증산 속도를 유발하는 주요 환경 요인은 온도입니다. 온도가 높을수록 증발을 통해 물이 더 빨리 손실되기 때문에 증산 속도가 증가합니다. 더운 환경에 사는 식물은 서늘한 기후에 있는 식물보다 더 많은 수분을 잃는 경향이 있습니다. 물의 가용성, 바람, 햇빛 등과 같은 요인도 식물의 증산 속도에 영향을 미치는 데 도움이 됩니다.
덥고 건조한 환경에 사는 식물은 물을 저장하거나 보존하는 능력과 같이 수분 손실을 제어하는 데 도움이 되는 특정 적응을 가지고 있습니다. Crassulacean acid metabolism 또는 CAM 식물이라고도 하는 이러한 환경에 있는 식물 그룹은 수분 손실을 줄이기 위해 밤에만 기공을 열어 가스를 교환하는 것과 같은 전략을 발전시켰습니다1. 건조한 환경에 특유한 다른 식물 특징으로는 잎 표면적 감소, 기공 감소 또는 물을 절약하기 위해 잎에 털이 있는 것이 있습니다. 그러나 수분 손실을 제한하고 광합성에 필요한 최적의 증산 속도를 갖는 데에는 절충안이 있습니다. 광합성 속도는 식물의 성장 및 에너지 획득 속도와 관련이 있으며, 이는 수분 섭취 및 손실 속도와 관련이 있으므로 식물이 이러한 트레이드오프의 균형을 맞출 수 있는 것이 매우 중요합니다. 반면에, 열대 우림과 같이 물이 제한적인 자원이 아닌 환경에서는 식물이 증산 속도의 차이를 유발하는 다양한 선택적 압력에 직면합니다. 이러한 환경에서 자연선택은 경쟁하는 이웃 동물보다 더 빨리 자라거나 초식 동물에게 잡아먹히지 않을 만큼 충분히 키가 자랄 수 있도록 물을 더 빨리 운반할 수 있는 식물 종을 선호할 수 있습니다.
증산률은 잎이 많은 식물의 수분 흡수 속도를 측정하는 장치인 포토미터를 사용하여 간접적으로 평가할 수 있습니다. 전위계 측정의 가정은 증산이 수분 흡수를 유발하며, 그 양은 정량화될 수 있다는 것입니다. 또한 과학자들은 단위 면적당 기공의 크기 및 수와 같은 잎 구조를 관찰하여 식물의 상대적 증산 속도를 결정할 수 있습니다.
식물의 증산율을 조사하면 식물이 다양한 환경에 어떻게 적응하는지 배울 수 있을 뿐만 아니라 다양한 환경 조건에서 작물을 가장 잘 재배하여 식량 생산을 늘리고 지구 기후 변화와 인구 증가에 적응하기 위해 식물 사용을 조정하는 방법에 대한 정보를 제공할 수 있습니다. 예를 들어, 증산률은 지구 온난화 및 기타 원인에 의해 변경되며 지구 물 순환에 영향을 미칠 수 있으며, 이는 다시 생태계와 인간 인구에 영향을 미칠 수 있습니다2. 따라서 이러한 변화를 이해하는 것은 부정적인 영향을 완화하기 위한 전략을 개발하는 데 필요합니다. 또한 다양한 작물의 증산률을 연구하면 물 사용 효율이 높은 작물을 식별하여 물 단위당 식량 생산량을 늘리고 관개의 필요성을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다3.
식물은 사막에서 온대림, 그리고 바다 밑바닥에 이르기까지 전 세계 거의 모든 생태계에서 발견됩니다. 자연 선택의 결과로, 식물은 다양한 환경 문제에 대처하기 위해 놀라울 정도로 다양한 적응을 진화시켜 왔습니다. 식물이 직면한 주요 과제 중 하나는 적절한 수분을 유지하는 것입니다. 물은 광합성, 구조적 지원, 영양분 및 기타 중요한 분자의 수송에 의존하는 중요한 자원입니다. 식물이 수분 균형을 조절할 수 있는 한 가지 방법은 증산(transpiration)으로 알려진 과정을 조절하는 것인데, 이는 본질적으로 식물의 공중 부분에서 물을 증발시키는 것입니다. 이러한 수분 손실은 주로 기공(stomata)이라고 하는 잎의 기공에서 발생합니다. 하지만 물은 어떻게 여기까지 오는 걸까요?
이 질문에 답하기 위해 지하를 좀 더 자세히 살펴 보겠습니다. 여기서 물은 삼투압에 의해 식물 뿌리로 들어간 다음 물관부라고 하는 혈관 조직을 통해 잎까지 이동합니다. 이 물의 수로는 증산 흐름으로 알려져 있습니다. 물 분자는 서로 그리고 물관부 벽에 달라붙기 때문에 기공에서 증발할 때 증산 흐름의 아래쪽에 있는 물이 위쪽으로 당겨져 그 자리를 차지하게 되어 뿌리에서 위쪽으로 흐르게 됩니다. 이제 장(요)루에 대해 자세히 살펴보겠습니다. 각 기공 세포는 두 개의 보호 세포로 둘러싸여 있으며, 이 세포는 기공을 열기 위해 확장되고 기공을 닫기 위해 수축할 수 있습니다. 식물은 기공을 열어 광합성을 위해 이산화탄소를 흡수하고 산소 가스를 방출합니다. 증산으로 인한 수분 손실은 이 과정에서 피할 수 없는 부작용입니다.
이러한 절충안은 건조한 환경에 사는 식물에 특히 어려운 과제가 되기 때문에 가능한 한 수분 손실을 줄이기 위한 전략을 발전시켰습니다. 이를 수행할 수 있는 한 가지 방법은 작은 표면적을 가진 잎을 자라게 하여 증산이 발생할 수 있는 작은 영역을 제공하는 것입니다. 이것이 크레오소트와 같은 사막 식물의 잎이 상대적으로 작은 이유입니다. 그러나 한 걸음 더 나아가 건조한 환경에서 자란 식물은 잎의 단위 면적당 기공이 적어 증산을 통한 수분 손실을 최소화할 수 있습니다.
대조적으로, 열대 우림과 같이 물이 풍부한 환경에 서식하는 식물은 증산을 통해 많은 물을 잃을 수 있습니다. 예를 들어, 이 토란과 같은 식물은 종종 광합성을 촉진하기 위해 빛을 가로채는 능력을 증가시키는 표면적이 큰 잎을 발달시킵니다. 이 식물은 또한 건조한 서식지의 식물에 비해 기공의 밀도가 높아 높은 광합성 속도를 유지하고 큰 잎과 줄기를 지탱할 수 있습니다.
이 실험실에서는 증산률을 측정하고 다양한 식물 종에서 잎기공의 빈도를 조사하여 다양한 서식지의 식물이 증산 조절 문제를 어떻게 해결하는지 밝힙니다.
