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가을이 되어 날씨가 점점 추워지면, 사람들은 날씨에 따라 점차 두꺼운 옷들을 입기 시작합니다. 야생동물들도 겨울맞이 털갈이를 시작합니다. 그러나, 대부분의 식물들은 오히려 옷을 벗듯이 잎을 떨구고, 앙상한 모습으로 겨울맞이를 합니다. 그 과정 중에 식물들은 아름다운 단풍을 이루어 우리들의 가슴을 설레게 합니다. 그러면, 식물들은 어떻게 단풍을 만들고 겨울을 나는지 살펴보겠습니다.
가을이 되면 대부분의 식물 잎 속의 양분은 줄기와 뿌리로 이동하고, 잎자루와 잎 몸의 기부에 이층(離層)이라고 하는 특수한 세포층이 형성됩니다. 이 때부터 엽록소의 합성은 중단되고, 안토시아닌이 합성되면서 붉은 색을 띄게 되고, 뒤에 이층이 발달되어 잎은 떨러지게 됩니다.
그러므로 단풍은 겨울을 준비하기 위한 과정에 잠시 나타나는 현상입니다. 여름에는 광합성을 통해 영양분을 합성해야 하기 때문에 많은 입이 필요했지만, 겨울에는 얼기 쉬운 잎을 떨구고, 대신 봄에 잎이 될 조직을 여러 겹의 세포로 싸서 얼지 않도록 겨울눈을 만듭니다.
은행나무 같은 식물은 안토시아닌을 생성하지 않아서 가을이 되면 붉은 색을 띄지 않고, 노란 색을 띕니다. 가을이 되어 기온이 떨어지면 나뭇잎의 엽록소 생성이 중단되고, 이미 생성된 엽록소는 파괴되면서 녹색에 가렸던 노란 색이 드러나는 까닭입니다.
모든 식물들은 광합성을 위하여 엽록소뿐만 아니라 카로틴과 크산토필이란 노란 색을 띄는 노란 색을 가지고 있습니다. 초봄에 싹이 막 터 올라오는 모습을 보거나, 음지에서 빛을 받지 못하고 자라는 콩나물을 보면 노란 색인데, 이것을 바로 이런 노란 색소들 때문입니다. 그러나, 이들에게 햇빛을 쬐면 곧 엽록소가 생겨 녹색으로 변합니다.
일부의 식물들은 날씨가 추워지면 엽록소와 카로틴을 모두 분해한 후 카로틴만 새로 합성하여 노란 단풍을 만들기도 합니다. 또 어떤 식물들은 엽록소가 파괴된 후 생성된 안토시아닌과 카로틴이 섞여 밝은 오렌지색 단풍을 만들기도 합니다. 한편, 탁한 황갈색의 단풍은 만드는 참나무 같은 식물들은 잎에 탄닌을 가지고 있어 엽록소가 분해된 후 카로틴과 탄닌이 섞여 황갈색을 만드는 것입니다.
그러면, 식물은 어떻게 단풍을 만들고, 잎을 떨어뜨려야 하는 시기를 알게 될까요? 그것을 식물들이 낮과 밤의 길이와 온도의 높낮이를 감지하기 때문입니다. 가을이 되어 낮의 길이가 일정 시간 이하로 짧아지고, 기온이 떨어지면 식물들은 겨울준비를 시작합니다. 이토록 자연환경을 감지하고 조절하는 데는 피크롬이란 물질과 에틸렌, 앱시스산 이란 호르몬이 관여하는 것으로 알고 있으나, 아직도 밝혀지지 않는 기작들이 있어 모두 추측일 뿐인 현상들이 많이 있습니다.
낙엽을 떨군 후 식물들이 어떻게 겨울나기 준비를 하는지 알아보겠습니다. 낮은 온도에서 식물들은 광합성 중 효소반응인 암반응이 급격히 감소합니다. 그러나 광화학반응인 명반응은 온도에 별 영향을 받지 않습니다. 결과적으로 낮은 온도에서 식물은 환원된 NADPH를 축적하게 되고, 결국 순환 광인산화반응에 의해 ATP를 다량 생산하게 됩니다. ATP 의 다량 생산은 ATP만을 필요로 하는 단백질의 합성들 촉진하게 됩니다. 이렇게 하여 축적된 수용성 단백질은 빙점을 낮추게 되어 영하의 날씨에도 얼지 않게 됩니다. 순수한 물은 0℃에서 얼기 시작하지만, 순수한 물에 용질을 많이 녹아있을 수록 빙점은 낮아지게 됩니다. 세포는 고형물과 액체상태의 물질이 혼합되어 있는 상태이므로 빙점이 항상 0℃이하이기 마련입니다. 그래서, 세포가 얼기 시작했다면 이미 온도가 상당히 낮아진 상태입니다. 세포 내에서 물은 대개 -10℃이내에서 얼기 시작하지만, 조건에 따라 -36℃까지도 얼지 않고 냉각되는 경우도 있습니다.
이와 같이 빙점 이하의 온도에서 일어나는 피해를 막기 위하여 식물들은 몇 가지 방법으로 겨울을 준비합니다. 첫째, 식물은 당, 유기산, 아미노산, 단백질 등의 용질을 세포에 축적하여 빙점을 낮춥니다. 그러나, 이 방법만으로 극히 낮은 온도로부터 자신을 보호하기에 충분하지가 않습니다. 그래서, 둘째로 휴면아를 만들어 혹독한 겨울 동안의 추위를 견디어냅니다.
휴면아는 가을에 기온이 5℃ 정도 떨어지면서 형성되는데, 이것은 -40℃ 정도의 혹한을 견딜 수 있습니다. 그러므로 식물들은 겨울이 시작되기 전에 휴면아를 만들어 -20℃～-30℃ 정도의 기온에도 세포는 얼지 않고 겨울을 나게 됩니다.
휴면아에 어떠한 생리적 변화가 일어나는 지는 아직 분명히 알려진 것이 없지만, 일반적으로 휴면아는 거의 순순한 물을 함유하고 있어, 빙핵의 결핍으로 낮은 온도에서도 결빙하지 않는 것으로 알려져 있습니다. 이 기간 동안 휴면아를 제외한 다른 조직들은 세포와 세포 사이가 얼어서 탈수 현상을 감수하며 겨울을 나게 됩니다.
일부 식물의 휴면하고 있는 가지를 -196℃의 액체질소에 처리해도 다음 해에 별지장을 받지 않는 것을 보면, 위의 설명만으로 모든 것이 설명되지 않음을 볼 수 있습니다. 이 경우 식물은 아마도 세포막과 세포내 소기관 및 거대분자들 주위에 얇은 물로 보호막을 형성한 다음, 세포 내의 모든 얼어버릴만 한 물을 세포 밖으로 내보냄으로써 세포 내에 얼음이 만들어지지 않을 것이라는 추측이 있기도 합니다.
이렇듯 식물들은 과학이 다 밝히지 못하는 방법, 즉, 하나님께서 창조하신 다양한 신비로운 방법으로 혹독하게 추운 겨울을 견디어내고, 새봄이 오면 죽은 듯한 가지에서 또 다시 새 움이 트는 것입니다.
봄이 되면 아직 눈이 덮여 있는 산의 흙 속에서도 새싹이 눈을 뚫고 올라옵니다. 이들은 어떻게 봄이 오는 줄을 알고 새싹을 내는 것일까요? 이것은 또 다른 명제입니다.
[기도] 하나님의 섭리 중에 철을 구별하여 살아가는 식물들이 있도록 하심을 감사드립니다. 아멘.
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정계헌
