자연에 있는 모세관 현상을 찾아서

빛과 자연

 

나무 끝까지 물이 어떻게 이동했을까.

우리는 저번에 모세관 현상과 아르키메데스에 대해 알아보았다. 이번에는 자연에서 볼 수 있는 모세관 현상에 대해 찾아보려고 한다. 모세관 현상은 석영 모세관이나 종이 냅킨에 국한되지 않는다. 자연계에서도 이 현상을 관찰할 수 있다. 모세관 현상은 특히 식물에서도 많이 관찰된다. 100미터가 넘는 나무 꼭대기까지 어떻게 물이 운반될 수 있을까? 물을 상부로 운반하기 위해 나무 안에는 매우 좁은 물관이 뿌리에서 이파리까지 연결되어 있게 설계되어 있다. 문관을 통한 물의 이동은 논란이 좀 있는 분야이다. 과학자들 상당수가 모세관 현상 때문에 물이 위로 올라간다고 생각한다. 그러나 두 가지 논점이 이 가설에 발목을 잡는다. 첫째 '떠 있는 물기둥'이 너무 무거워서 10미터 이상 올라가지 못한다는 것. 둘째, 문관을 채운 용액 사이에 있는 공기주머니가 물의 흐름을 방해할 것이라는 거다. 과학자들은 이 논점을 두고 많은 얘기가 오간다.

하지만 앞서 모세관 현상을 알아보았듯이 이 논점은 그리 큰 문제가 되지 않는다. 물기둥은 떠 있는 것이 아니고 벽에 붙어 있는 것이다. 그리고 중간에 공기가 채워져 있다고 해서 벽을 따라 상승하는 물의 흐름을 방해하는 것은 아이다. 

과연 이 원리가 식물이나 나무에서 실제로 진행하는지, 또 물관이 배타 구역을 가진다는 것이다. 

물관에서 배타 구역을 찾기 위해 식물 물관이 분야의 호주의 마틴 캐나(Martina Canny) 실험을 통해 확인해 보았다. 그는 작은 잉크 입자를 물관 집어넣고, 시료를 빠르게 올린다는 주사전자현미경으로 관찰했다. 결과는 그들이 원하는 대로였다. 이 실험으로 물건에는 정말 배타 구역이 존재한다는 사실을 확인할 수 있었다. 

 

고리 모양의 배타 구역이 물관에 존재한다면 그것은 물리관의 생리학에서 어떤 역할을 할 것이었다. 나피온 관 안에 생긴 고리 모양의 배타 구역은 관 내부 유체의 흐름을 가능하게 했고 그것은 관 내부를 흐르기 위해 무엇이 필요한지 말해주는 결과였다. 나피온 유체 모델에서 핵심적인 사항은 모든 것의 중심에는 양성자가 있다는 사실이다. 양성자가 유체의 흐름을 추동하는 것이다. 그렇다면 물관에도 양성자가 채워져 있다는 것일까? 교과서에서는 물관의 액체가 낮은 P를 갖는다고 한다.

물관은 마치 나피온 관처럼 보인다. 두 관 모두 고리 모양의 배타 구역을 가지고 있고 중앙에 양성자가 존재한다. 우리는 이런 현상을 모세관 흐름이라고 얘기할 수 있겠지만 양성자에 의해 출동된 흐름이라고 말하는 것이 보다 정확하다.

이 추동된 흐름은 기화를 통한 물의 손실을 대체할 수 있다. 식물은 잎을 통해 수분을 발산한다. 마찬가지로 일부 배타 구역에 붙어 있는 양성자는 모세관 현상처럼 아래쪽에 있는 물을 위로 끌어 올릴 수 있다. 끊임없이 끌어 올리는 움직임에 의해 나무의 이파리가 촉촉하게 유지되는 것이다.

 

그래서 이 원리에 따르면 높이는 큰 문제가 되지 않는다. 물관이 매우 좁아서 중력이 있다고 하더라도 물을 끌어 올리는 힘을 잃지 않을 것이기 때문이다. 물관 상부의 직경은 마이크로미터 정도다. 아래로 내려가면 폭이 더 넓어지기는 하지만 물관의 내부는 일반적으로 친수성 복합체 섬유가 들어차 있어서 내부의 폭을 줄기는 효과를 부가적으로도 갖는다. 배타 구역은 이들 표면에 달라붙는다, 일반적인 물도 양성자를 많이 가지고 있어서 배타 구역에 쉽게 들러붙는다.

이렇게 붙은 물기둥의 무게는 상당히 무겁다. 물관이 무게를 지탱할 수 있고 매우 좁기 때문에 물이 높은 위치까지 올라가는 데 따르는 어려운 이유는 없다.

위로 향하는 힘을 가능하게 하기 위해서는 에너지가 필요하다. 우리에게 이 에너지원은 나무로 유입해서 들어오는 복사 에너지이다. 복사 에너지는 친수성 관 안에서 물을 흐르게 하듯이 물관 안에서도 물이 솟구칠 때 에너지를 공급한다. 봄이 오면 흐름이 시작된다. 이 흐름은 여름에 극에 달하고 가을이면 주춤했다가 겨울이면 멈춘다. 가을에 복사 에너지의 유입이 줄어들기 때문에 물의 흐름도 마찬가지로 줄 것이라고 생각할 수 있다. 낙엽이 지고 떨어져 다시 땅으로 돌아간다.

 

 

전문 서적을 참고하여 작성하였습니다.