기공과 증산
식물이 뿌리로 빨아들인 물의 최대 90%가 기공을 통해 수증기로 다시 빠져나갈 수 있습니다.
모든 잎이 치러야 하는 거래
잎에는 이산화탄소가 필요한데, 이산화탄소는 공기 중에 있는 기체입니다. 이 기체를 안으로 들이려면 잎은 물이 새지 않게 덮인 방수 표피에 구멍을 열어야 합니다. 그런데 이산화탄소가 들어오는 바로 그 구멍으로 수증기도 빠져나갑니다. OpenStax는 이것을 효율적인 광합성과 물 손실 사이에서 균형을 잡는 일이라고 설명합니다. 그 구멍이 바로 기공이고, 식물은 기공마다 한 쌍씩 짝을 이룬 공변세포로 기공을 조절합니다.
공변세포는 빛, 잎의 수분 상태, 그리고 이산화탄소 농도에 반응해 열리고 닫힙니다. 공변세포가 물을 받아들이면 부풀면서 활처럼 휘어 서로 벌어지고, 그 사이의 구멍이 열립니다. 반대로 물을 잃으면 힘없이 늘어지면서 구멍이 닫힙니다. 예를 들어 흙이 촉촉한 맑은 아침에는 기공이 활짝 열립니다. 하지만 흙이 마르기 시작하면 공변세포는 밝은 빛 아래에서도 구멍을 닫아 버립니다. 그러면 이산화탄소를 덜 받아들이게 되지만, 그 대가로 물을 아낄 수 있습니다.
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물은 어떻게 나무를 오를까
증산(transpiration)은 식물에서 수증기가 빠져나가는 것을 말하며, 대부분 기공을 통해 일어납니다. 그런데 증산은 물을 위로 끌어올리는 엔진 역할도 합니다. 먼저 잎 속에서는 엽육 세포의 젖은 벽에 있던 물이 세포 사이의 공기 틈으로 증발하고, 열린 기공을 지나 밖으로 빠져나갑니다. 이렇게 물이 증발하면 그 증발이 뒤에 남아 있는 물을 잡아당깁니다. 물 분자는 서로 달라붙는 성질이 있고(응집력), 물관 벽에도 달라붙는 성질이 있습니다(부착력). 그래서 잎에서 당기는 힘이 줄기를 지나 뿌리까지, 중간에 끊기지 않고 이어진 물기둥을 따라 전해집니다. 이것을 물 상승의 응집력-장력설이라고 합니다. 증산은 수동적인 과정입니다. 식물은 물을 끌어올리는 데 ATP를 쓰지 않으며, 그 에너지는 젖은 흙과 그보다 건조한 공기 사이의 차이에서 옵니다.
이 과정에 나오는 숫자는 생각보다 꽤 큽니다. OpenStax에 따르면 잎 표면에서 생기는 장력은 약 −2메가파스칼입니다. 중력에 맞서 물을 올리려면 높이 1미터마다 약 0.0098MPa의 압력이 필요합니다. 따라서 높이 116미터인 미국삼나무는 중력을 이기는 데만 약 1.14MPa가 필요합니다. 살아 있는 세포 안에서는 이와 반대 방향으로 밀어내는 힘이 작용하는데, 이것을 팽압이라고 합니다. 팽압은 보통 0.6~0.8MPa이고, 물을 충분히 받은 식물에서는 1.5MPa까지 올라갈 수 있습니다. 1.5MPa을 다른 단위로 바꾸면 1.5 × 140 = 210제곱인치당 파운드(psi)가 됩니다. 보통 자동차 타이어의 공기압이 30~34psi이니, 그보다 훨씬 큰 값입니다. 식물이 받아들이는 물보다 잃는 물이 더 많아지면 팽압이 0에 가깝게 떨어지고, 잎이 시들게 됩니다.
물을 아끼는 방법
건조한 곳에 사는 식물은 증산을 줄이는 방법을 여러 가지 갖고 있습니다. 사막 식물(건생 식물, xerophyte)과 다른 식물 위에 붙어 자라는 착생 식물(epiphyte)은 보통 큐티클이 훨씬 두껍습니다. 털이 두껍게 덮여 있는 잎도 있고, 기공이 잎 표면 아래로 움푹 들어간 잎도 많습니다. 두 가지 모두 구멍 위로 지나는 바람을 늦춰 줍니다. 선인장은 여기서 한 걸음 더 나아간 방법을 씁니다. 선인장은 서늘한 밤에 기공을 열어 이산화탄소를 받아들이고 저장해 둡니다. 그리고 더운 낮에는 기공을 닫은 채로, 저장해 둔 탄소를 써서 광합성을 합니다. 이 방식을 CAM이라고 부릅니다. 실험실에서 식물을 「선인장(CAM)」으로 바꾸고 「밤」을 눌러 보세요.
| 실험실 버튼 | 열림 | 이산화탄소 | 이산화탄소 1당 물 |
|---|---|---|---|
| 맑은 아침 | 100% | 100 | 0.67 |
| 덥고 메마른 오후 | 29% | 29 | 1.25 |
| 밤 | 10% | 0 | 없음 |
| 밤의 선인장 | 100% | 100 | 0.33 |
- 기공으로 이산화탄소가 들어오고 수증기가 나갑니다. 공변세포가 그 균형을 맞춥니다.
- 빛은 기공을 열고 마른 흙은 기공을 닫습니다.
- 증발이 물관 속 물기둥을 끌어올립니다(응집력-장력설).
- 선인장 같은 CAM 식물은 밤에 기공을 엽니다.
- 물관 속 물을 끌어올리는 가장 큰 힘은?
- 잎의 증산
- 뿌리의 ATP 펌프
- 중력
- 체관의 압력
- 증산은 수동적입니다. 그 뜻은?
- 식물이 물을 옮기는 데 ATP를 쓰지 않는다
- 밤에만 일어난다
- 기공이 필요 없다
- 물이 공기에서 잎으로 들어온다
- 뿌리가 빨아들인 물 가운데 최대 몇 %가 증산으로 빠져나갈 수 있을까?
- 물을 올리는 데 1미터마다 약 0.0098MPa가 필요합니다. 116미터에서는 몇 MPa가 필요할까요? (소수 첫째 자리)
- 팽압 1.5MPa은 1MPa = 140psi로 치면 몇 psi일까?
- 공변세포가 기공을 여는 것은 어떻게 될 때일까?
- 물을 받아 부풀 때
- 물을 잃고 오그라들 때
- 분열할 때
- 죽을 때
- 실험실에서 덥고 메마른 오후는 맑은 아침과 비교해 어떻게 될까?
- 기공이 일부 닫히고 이산화탄소 1당 잃는 물이 늘어난다
- 기공이 더 넓게 열린다
- 물을 전혀 잃지 않는다
- 이산화탄소가 더 들어온다
- 선인장(CAM 식물)은 언제 기공을 열까?
- 밤
- 한낮
- 절대 열지 않음
- 비 올 때만
- 사막 식물이 증산을 줄이는 데 도움이 되는 것은?
- 두꺼운 큐티클과 움푹한 기공
- 아주 크고 얇은 잎
- 윗면에만 있는 기공
- 큐티클이 없음
- 물관 속 물기둥을 이어 주는 것은?
- 물 분자 사이의 응집력과 벽에 대한 부착력
- 물에 녹은 당
- 공기 방울
- 뿌리압만
이 과정의 출처 (16)
- -fix5: gravity calculation corrected using rho*g*h = 1000*9.8*h Pa
- the cited textbook has a tenfold coefficient error. Sources (checked 2026-10-17): OpenStax Biology 2e 8.1 Overview of Photosynthesis (photoautotrophs, mesophyll, stomata on the underside, guard cells, chloroplast, thylakoid, granum, stroma, two stages; openstax.org/books/biology-2e/pages/8-1-overview-of-photosynthesis)
- 8.2 The Light-Dependent Reactions (400 to 700 nm, chlorophyll a absorbs blue and red, carotenoids, 300 to 400 chlorophylls per antenna, water split at PSII, about 10 percent of the oxygen used by the leaf's mitochondria; .../8-2-the-light-dependent-reactions-of-photosynthesis)
- 8.3 Using Light Energy to Make Organic Molecules (RuBisCO, 3-PGA, G3P, three turns per G3P and six per glucose, "dark reaction" outdated, cacti fix CO2 at night; .../8-3-using-light-energy-to-make-organic-molecules)
- 30.3 Roots (tap and fibrous roots, root cap, three zones in the first centimetre, root hairs, endodermis and Casparian strip; .../30-3-roots)
- 30.4 Leaves (lamina, petiole, midrib, parallel and reticulate venation, Ginkgo, cuticle, trichomes, palisade in one to three layers, spongy mesophyll, guard cells the only epidermal cells with chloroplasts, xylem and phloem, needles and spines; .../30-4-leaves)
- 30.5 Transport of Water and Solutes (redwoods near 116 m, turgor 0.6 to 0.8 MPa and up to 1.5 MPa = 210 psi vs tyres 30 to 34 psi, gravity -0.1 MPa per metre, -2 MPa at the leaf surface, cohesion-tension, up to 90 percent of the water lost, sources and sinks, phloem sap up to 30 percent sugar; .../30-5-transport-of-water-and-solutes-in-plants)
- 31.3 Nutritional Adaptations (rhizobia, nodules, nitrogenase, biological fixation 65 percent of nitrogen used in agriculture, mycorrhizae in more than 80 percent of land plants, up to 20 percent of the carbon; .../31-3-nutritional-adaptations-of-plants)
- 32.2 Pollination and Fertilization (self and cross pollination, bees cannot see red, nectar guides, bats, birds, wind, water, at least 25,000 orchid species, double fertilization 2n zygote and 3n endosperm, seed parts, scutellum, fruit types, dispersal, dormancy; .../32-2-pollination-and-fertilization)
- Britannica, Photosynthesis: history (Priestley 1771, Ingenhousz 1779, 1782: oxygen formed at the expense of fixed air, identified the year before as carbon dioxide) (britannica.com/science/photosynthesis/History-of-the-study-of-photosynthesis)
- Smithsonian Libraries, Ingenhousz, Experiments upon Vegetables, 1779 (library.si.edu/digital-library/book/experimentsuponv00inge)
- van Helmont's account (200 pounds of earth, 5 pound willow, 169 pounds and about 3 ounces after five years, soil short by about 2 ounces)
- quoted from Howe 1965 by S. G. Saupe, College of St. Benedict and St. John's University (employees.csbsju.edu/ssaupe/biol115/van_helmont.htm)
- F. F. Blackman, Optima and Limiting Factors, Annals of Botany 19:281-296, April 1905 (doi.org/10.1093/oxfordjournals.aob.a089000)
- NOAA Global Monitoring Laboratory, Trends in CO2 (gml.noaa.gov/ccgg/trends/: Mauna Loa September 2026 monthly mean 426.07 ppm)
- NOAA Climate.gov, Climate change: atmospheric carbon dioxide (280 ppm or less before the Industrial Revolution of the mid-1700s, from ice cores; climate.gov/news-features/understanding-climate/climate-change-atmospheric-carbon-dioxide).
확인한 날: 2026-10-17