물과 무기물질의 수송

물과 무기물질의 수송

식물은 근모(根毛, root hair)를 통하여 물을 흡수한다. 이런 표피세포는 점성 세포벽으로 되어 토양입자와 밀접하게 접착하게 한다. 이것은 토양입자에 결합된 수분의 막과 직접적으로 접촉하게 한다. 근모는 근단 부위를 경계로 존재하지는 않지만, 한 식물체에 형성된 근모의 수는 물을 흡수하기 위해 대단히 넓은 표면적을 제공한다.

표피세포에 흡수된 물은 대부분 세포 사이를 거쳐 피층세포를 통과하여 이동된다. 그러나 물이 중심주에 도달하려면 내피세포의 원형질을 통과하여야 한다. 중심주에 있는 물은 자유롭게 세포 사이를 통해 이동되고, 어린 식물의 뿌리에서는 물이 목부로 직접 들어온다. 그러나 오래된 뿌리에서는 물이 처음에 목부와 형성층대를 통과하여야 한다. 그것은 수평으로 신장된 세포인 목부의 방사조직을 통과해 이동함으로써 이루어진다. 무기물질은 물에 용해되어 식물체에 흡수되고 이동된다. 물과 무기물질은 똑같은 경로를 통하여 수송되는 반면 뿌리로부터 무기물질의 흡수는 몇 가지 특별한 특징을 갖고 있다. 무기물질은 뿌리에 의해 흡수된 물이 없을지라도 자유롭게 흡수된다. 더구나 무기물질은 농도구배에 역행하여 흡수되는데, 이를 능동수송(active transport)이라 한다. 그래서 만일에 능동수송과 관련된 뿌리세포의 대사과정을 방방해하면 무기물질의 흡수는 억제된다.

 

식물이 필요로 하는 모든 원소는 무기이온 형태로 흡수되어야 한다. 질소는 질산태 질소(NO), 암모니아태 질소(NH)로 인은 인산(PO)으로 칼륨은 K+ 으로 칼슘은 Ca²+으로 뿌리에서 흡수된다. 따라서 유기비료는 실제로 무기상태로 분해되어 식물이 흡수할 수 있는 상태로 존재하여야 한다. 그러나 유기물질은 토양구조의 형성에 중요한 역할을 하지만 그것이 무기이온을 생성할 수 있을 때 식물의 영양에 이용된다. 뿌리의 표피세포에 흡수된 무기이온은 원형질 연락사를 통해 세포에서 세포로 수송된다. 내초의 세포질에서 목부로 이어지는 마지막 수송단계에서는 다시 한번 능동수송이 이루어짐으로써 완료된다. 목부에서 흡수된 물과 무기물질은 도관과 가도관을 경유해서 상층부로 이동된다. 다시 말해서 이들은 뿌리와 줄기를 통해 위로 상승하는 것이다. 줄기에 있는 물은 목부를 떠나 다른 조직에까지 측면으로 수송되는데, 목부를 떠나 엽병을 통과하여 엽맥으로 이동된다. 그 후 물은 엽맥에서 해면조직과 책상조직의 세포로 들어온다. 이렇게 이동된 물은 광합성에 이용되거나 다량이 증산작용에 의해 손실된다.

그러면 목부에서는 어떠한 힘을 이용하여 물이 상승할까? 목부에서의 물의 수송 메카니즘은 진정한 물리적 원리에 바탕을 두고 있다. 왜냐하면 목부의 도관과 가도관은 이미 언급한 바와 같이 죽어 있는 세포로 구성되어 있다. 독일의 한 식물학자는 이러한 현상을 70ft 떡갈나무 줄기밑을 피크릭산(picric acid)용액이 들어 있는 통에 넣어 실험적으로 증명해 보였다. 피크릭산용액은 참나무줄기로부터 흡수하였는데 용액이 흡수되어 이동된 조직 근처의 세포는 모두 죽었다. 그럼에도 불구하고 피크릭산이 잎에 도달하여 조직세포를 파괴하기 전까지는 물이 계속 위쪽을 향해 이동하는 것은 방해하지 않았다. 이런 실험결과는 또 한편으로 식물의 뿌리계 위쪽으로의 물의 이동과는 무관하다는 것을 제시해 준다.

 

 

근압

토마토 식물 줄기의 기저부 근처를 조심스럽게 절단하면 절단부위(그루터기, stump)에서 액즙(fluid-sap)이 흘러나온다. 절단부위 위쪽으로 길다란 압력계를 설치하면 액즙이 상당한 압력으로 밀려 나옴을 관찰할 수 있다. 이것을 근압(根壓, root pressure)이라고 한다. 정교한 실험방법을 이용하여 실험하면 근압이 130 1b/in㎡ 이상으로 측정된다.

이 근압으로는 물론 세콰이어처럼 큰 삼나무 꼭대기까지는 수액을 밀어 올릴 수 없지만 토마토 식물이나 여러 수목에서는 수액을 꼭대기까지 쉽게 끌어올릴 수 있는 근압이다. 근압이 발생되는 원인은 토양에 함유되어 있는 물의 농도와 목부도관에 있는 수액의 농도 사이에 나타나는 농도차에 있다. 용해된 당류나 능동수송에 의해 흡수된 중심주의 염분농도 때문에 목부의 수액은 토양수보다 고장액이 된다. 이는 이른 봄에 뿌리에 저장된 전분을 가수분해하여 당으로 전환하는 것과 같이 다년생 목본식물에서 일어나는 실례로써, 물이 삼투압에 의해 내피를 통해 목부도관으로 이동하게 된다. 수액이 이미 가득찬 도관으로의 물의 흐름은 압력이 생기게 하고 이 압력은 수액을 도관 위쪽으로 밀어올리는 힘이 된다.

근압은 몇몇 식물의 목부에서 물의 수송에중요한 역할을 하지만, 대부분 식물에서의 물의 수송에서는 완벽하게 설명할 수 없다. 몇몇 식물에서는 실제로 토마토에서 측정한 근압과 일치하지 않았으며, 어떤 식물에서는 평방인치당 30파운드(30 lb/in) 이하의 근압이 측정되었으며 몇몇 식물에서는 근압을 전혀 측정할 수 없었다.

근압에 의해 수송된 수액량으로는 대부분 목본식물이나 포도나무의 목부에서 물의 이동과 상보성이 없으며, 충분한 설명을 할 수 없다. 더군다나 비교적 수액의 흐름이 양호한 뿌리에서는 최하의 근압을 지니고 있었으며 그 반대 현상도 나타났다.

근압에 의한 물의 수송에 대한 근본적인 생각은 다른 어려운 문제점을 안고 있다. 봄에는 식물이 높은 근압을 나타내지만 수액이 토양수보다 등장액이어서 증산율은 매우 낮다. 여름철에 만일 증산작용이 매우 활발하게 진행되면, 목부를 통해 물의 이동이 활발히 일어나며, 근압은 전혀 측정되지 않는다. 그래서 근압이 코코넛에서처럼 특정한 식물종에서는 확실히 중요한 역할을 할 수 있지만 대부분 식물에서는 증산작용 - 흡인력이 물의 수송에 매우 중요한 역할을 한다.