거대 열대 나무는 꼭대기 가지까지 물을 잘 끌어올린다는 새 연구

 (news.exeter.ac.uk)
1P by GN⁺ | ★ favorite | 댓글 1개
  • University of Exeter와 Cardiff University가 주도해 Science에 발표한 연구는 세계 최상급 열대 Dipterocarp 나무가 내부 수송 구조를 조정해 꼭대기 가지까지 물을 운반한다고 봄
  • 기존 이론은 키가 커질수록 물 수송 부담이 커져 성장 한계와 가뭄 취약성이 높아진다고 봤지만, 이번 연구에서는 그 부담이 “완전히 보상”되는 것으로 나타남
  • Malaysian Borneo의 키 7~71m Dipterocarp를 조사한 결과, 큰 나무일수록 물 운반 관과 잎의 특성이 높이에 맞게 달라져 있었음
  • 연구진은 2023~2024년 강한 El Niño 가뭄 전·중·후 줄기 성장률도 측정했으며, 키 큰 나무가 작은 Dipterocarp보다 더 취약하다는 증거는 나오지 않음
  • 가장 큰 1%의 나무가 숲 지상부 탄소의 절반 이상을 저장하므로, 키 큰 나무의 약한 수리 시스템을 전제로 한 일부 기후변화 영향 모델은 재검토가 필요할 수 있음

키가 물 수송을 제한한다는 가설에 대한 반박

  • 새 연구는 세계에서 가장 큰 열대 나무들이 꼭대기 가지까지 물을 끌어올리는 데 큰 문제가 없다고 봄
  • 기존 이론에서는 나무가 자랄수록 뿌리에서 잎까지 물을 운반하기 어려워져 성장 제한과 가뭄 취약성이 커진다고 예상해 왔음
  • 거대 Dipterocarp는 내부 물 수송 구조를 조정해 높이에서 오는 부담을 완전히 보상하는 것으로 분석됨
  • 나무의 키만으로는 물 수송 시스템이 작은 나무보다 가뭄에 더 취약해지지 않았고, 심한 가뭄 동안에도 키와 관련된 성장 손실이 나타나지 않았음

Dipterocarp의 물 수송 구조와 적응

  • Dipterocarp 종은 세계에서 가장 큰 꽃식물 나무이며, 아시아 열대우림을 지배함
  • 나무는 많은 얇고 빈 관을 통해 물을 운반하고, 꼭대기에서 낮은 압력을 만들어 물을 위로 끌어올림
  • 이 관들은 80m가 넘는 나무 꼭대기까지 물을 이동시키는 데 필요한 극도로 낮은 압력에서도 물을 액체 상태로 유지할 수 있도록 적응해 있음
  • 매우 키 큰 Dipterocarp의 수리 시스템은 나무 높이에 맞게 진화해 있었고, 같은 가뭄 조건의 작은 Dipterocarp보다 더 큰 손상을 겪지 않는 것으로 나타남

Malaysian Borneo 현장 측정

  • 연구진은 Malaysian Borneo에서 키 7~71m 범위의 Dipterocarp 나무를 조사함
  • 각 나무의 여러 위치에서 다양한 형질을 측정해, 키가 큰 나무가 높이를 어떻게 보상하는지 확인함
    • 지면에 가까운 곳의 물 운반 관이 더 넓어짐
    • 잎은 시들기 전 더 큰 수분 스트레스를 견디도록 적응함
  • 2023~2024년 강한 El Niño 가뭄 기간 전, 중, 후의 줄기 성장률도 함께 측정함

탄소 저장과 기후변화 모델에 주는 영향

  • 가장 큰 1%의 나무는 숲의 지상부 탄소 중 절반 이상을 저장함
  • 일부 기존 예측은 키 큰 나무의 수리 시스템이 약해 가뭄으로 죽을 위험이 더 높다고 봄
  • 이런 전제는 일부 기후변화 영향 모델에 포함돼 있음
  • 이번 결과는 그 전제가 맞지 않을 수 있음을 보여주며, 다른 키 큰 나무의 수리 시스템과 가뭄 회복력에 대한 추가 연구가 필요함

연구 참여와 논문 정보

  • 공동 저자 Palasiah Jotan은 Dipterocarp가 Malaysian Borneo 열대우림을 지배하며 지역 생태와 생물다양성의 중심이라고 설명함
  • 그는 가장 키 큰 Dipterocarp도 가뭄에 대해 수리적으로 회복력이 있다는 결과가, 변화하는 기후 속에서 이 숲을 보호해야 한다는 근거를 강화하길 기대함
  • 연구팀에는 Sabah Forestry Department, UK Centre for Ecology & Hydrology, University of Aberdeen, 체코, 독일, 스페인, 브라질, 미국의 기관들이 포함됨
  • 연구는 Natural Environment Research Council의 지원을 받음
  • 논문 제목은 “Height does not impair the hydraulic system of the tallest tropical Dipterocarp trees.”임

함께 보면 좋은 글 β

GN⁺   [-]
Hacker News 의견들

  • 이 문장은 현상을 꽤 축소해서 말한 것 같음. 여기서 극저압은 실제로는 몇 bar 수준의 음압이고, 물을 액체로 유지하는 핵심 난관은 공동현상(cavitation)을 피하는 데 있음
    École Polytechnique 입학시험에서 나무의 물리학을 접했는데 아직도 머릿속에 박혀 있음: http://alainrobichon.free.fr/Concours/X_PC_PH1_01.pdf
    아는 한 학생들은 25년이 지난 지금도 이 걸작을 연습문제로 풀고 있음

    • 나도 concours를 거쳤지만 많이 녹슬어서, 가능하면 문제 풀이도 보고 싶음. 이 주제에 대한 Veritasium 영상도 참고할 만함: https://youtu.be/BickMFHAZR0

  • 가끔 마리화나와 고추를 키우는데, 꽤 익숙해지고 나니 식물은 상상 이상으로 유연하다는 걸 알게 됨. 그래서 이 글이 별로 놀랍지 않음
    식물은 결국 필요한 일을 해냄. CO2를 강하게 공급하거나 영양분을 늘려서 완전히 새로운 곤충 생태계와 상황이 생기게 한 적도 있음
    너무 흥미로워서 사실 이런 삶을 살고 싶어짐. 컴퓨터 과학자지만 이제는 식물과학이 그리워짐
    관심 있다면 잎 제거 전략과 저스트레스 훈련 방법을 강력히 추천함. 식물은 멍청한 생물이 아니고, 얻을 수 있는 결과도 놀라우며 식물의 본질에 대한 과학은 날마다 더 깊어지고 있음

    • 원격대학에서 원예학 학사를 시간제로 공부 중인데, 식물을 기르는 쪽에 더 관심 있다면 식물학보다 원예학이 더 잘 맞을 듯함. 식물이 어떻게 작동하는지 이해하는 데 더 관심 있다면 식물학이 낫겠지만, 원예학 학위에서도 당연히 식물학을 많이 배우게 됨
    • 소프트웨어 상당 부분이 잠식되는 걸 보면서 생물학에 점점 더 관심이 감. 큰 이익을 낼 수 있는 후기 개척지 중 하나처럼 보이고, AI도 생물학을 이해하는 데 매우 잘 맞아 보임
    • 가상 식물을 모델링하는 계산식물학이라는 분야도 있는 듯함
    • 계산생물학도 고려해볼 만함. 늘 사람을 찾는 분야이고, Knuth도 예전에 생물학에는 아직 풀어야 할 열려 있고 유용한 문제가 엄청 많다고 했음
    • 거대한 나무의 잎이 말라 있지 않은 걸 보면 누구나 놀랍지 않다고 느껴야 함

  • 실제로 큰 나무에 대한 기존 연구와 측정 결과에 배치되는 내용임. 이 글은 최대 80m 정도까지만 본 것 같고, 전 세계에 130m보다 큰 나무가 정확히 0그루라는 사실도 있음 [1]
    기사에서 말한 밑동의 넓은 모세관은 관련이 없어 보임
    [1] https://www.sfgate.com/science/article/REDWOODS-How-tall-can...

    • 직관적으로도 말이 잘 안 됨. 열대우림에 500m 나무가 어디 있나 싶음. 그래도 분자생물학과 유전공학의 훌륭한 목표가 될 수는 있음
      인간 생식세포계열 편집을 시작하기 전에 우리 문명은 그런 기술에 훨씬 더 능숙해져야 하고, 결국 언젠가는 인간 생식세포계열을 편집하고 싶어질 것임. 지금은 큰 자제를 보이고 있지만 얼마나 오래갈지는 모르겠음. 어쨌든 1,000m 나무는 정말 멋질 것 같음
    • 둘 다 참일 수도 있지 않나? 물 수송이 제한 요인이 아니라 다른 무언가가 제한 요인일 수 있음

  • Kurzgesagt에 나무와 이런 질문들을 다룬 영상이 두 개 있음
    https://m.youtube.com/watch?v=ZSch_NgZpQs
    https://m.youtube.com/watch?v=pHJIhxZEoxg

  • 애초에 문제가 있을 거라고 기대하지 않음. 나무 안에 위에서 아래까지 이어진 열린 관이 있다고 순진하게 상상할 때만 문제처럼 보임
    물통 릴레이는 계단 10층을 오르든 100층을 오르든 똑같이 작동함. 밸브를 열고 닫는 시스템도 마찬가지임
    건물 한 층의 물통에서 다음 층의 물통으로 물을 펌프질하는 건 쉽고, 그걸 다음 층에서 반복하면 됨. 연결된 물기둥이 없으니 위쪽 여러 층의 압력은 영향을 주지 않음

  • 기록상 가장 큰 나무는 이론적 한계를 넘는다는 이유도 포함되어 배척됨: https://en.wikipedia.org/wiki/Nooksack_Giant
    거의 모든 거대 Douglas-fir와 함께 이 나무도 베어버린 게 안타까움

    • 인간의 야만성은 새로운 게 아님
      안내판에는 Nooksack 나무가 “최고 품질” 목재 96,345 board feet를 생산했다고 적혀 있었음
      New York Times는 1897년 3월 7일자에서 이 나무를 “인간의 눈이 본 가장 장엄한 전나무”로 평가했고, 파괴를 “정말 가엾은 이야기”이자 “범죄”라고 불렀음
      1897년 2월 28일 The Morning Times는 이 목재를 1인치 폭으로 켜면 “Whatcom에서 중국까지” 닿는다고 주장했음
    • 온대우림 나무의 이끼가 나무가 땅이 아니라 가지에서 물을 끌어올 수 있게 해 최대 높이를 늘린다는 이야기가 있음
      한동안 이런 역할을 하는 이끼를 밀렵하는 사람들이 있었는데, 이끼는 1년에 몇 인치밖에 자라지 않아서 문제가 됨
    • 몇 주 전에 이 아름다운 나무[1]를 보고 왔음. 400ft는 아니지만 그 절반을 넘고 밑동 둘레가 13ft가 넘음
      Vancouver Island에 큰 Douglas Fir, Sitka Spruce, Western Red Cedar가 아직 몇 그루 남아 있다는 건 행운임
      [1]: https://en.wikipedia.org/wiki/Big_Lonely_Doug

  • “거대한 나무는 꼭대기 가지까지 물을 펌프질하는 데 문제가 없다”라는데, 애초에 정말 물을 펌프질하는 게 아니기 때문일 수 있음

    • 그럼 뭐라고 불러야 함?

  • 반대로 많은 거대 나무는 안개를 통해 공기 중에서 물을 얻음
    해안 안개의 응결이 나무의 물 필요량 중 상당 부분을 차지함[23]
    https://en.wikipedia.org/wiki/Sequoia_sempervirens#Fog_and_f...
    https://en.wikipedia.org/wiki/Sequoia_sempervirens

    • 비슷하게, 모든 나무가 공기, 정확히는 그 안의 탄소로 만들어진다는 사실이 아직도 놀라움. 예전에는 생물량이 흙에서 온다고 생각했는데 현실은 더 흥미로움
    • Sequoia는 여전히 중력 때문에 높이가 제한되며, 아마 모세관 압력 때문일 가능성이 큼 [1]
      만약 분절 구조로 진화했다면 아마 더 높이 자랄 수 있었을 것임
      [1] https://www.sfgate.com/science/article/REDWOODS-How-tall-can...
    • 이 나무들의 이끼가 단순한 착생이 아니라 상리공생이라는 이론도 있음. 이끼가 수분을 머금고, 나무가 그 수분에 접근할 수 있다는 것임

  • 아직도 다들 구조화된 물을 과소평가하고 있음
    논쟁적이고 University of Washington의 Gerald Pollack 연구실 밖에서는 소수 연구실에서만 재현됐다는 점은 인정하지만, 나무 꼭대기까지 물과 수액을 운반하는 데 역할을 할 수 있다는 탄탄한 근거는 있음. 적어도 충분한 주변 복사 에너지, 즉 자외선/적외선이 있을 때 친수성 관에서 유도되는 운동에는 관여함
    관련 논문:
    “Exclusion-zone water inside and outside of plant xylem vessels.” 2024 Scientific Reports. https://www.nature.com/articles/s41598-024-62983-3
    “Surface-induced flow: a natural microscopic engine using infrared energy as fuel.” 202 Science Advances. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aba0941
    “Long-range forces extending from polymer-gel surfaces.” 2003 Phys. Rev. E. https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevE.68.031408
    Pollack 사이트: https://www.pollacklab.org/
    Pollack 이론에 대한 비판:
    Schurr, J.M. (2013). Phenomena associated with gel–water interfaces: analyses and alternatives to the long-range ordered water hypothesis. J. Phys. Chem. B, 117(25), 7653–7674. https://doi.org/10.1021/jp302589y
    Elton, D.C., Spencer, P.D., Riches, J.D. & Williams, E.D. (2020). Exclusion zone phenomena in water — a critical review of experimental findings and theories. Int. J. Mol. Sci., 21(14), 5041. https://doi.org/10.3390/ijms21145041
    Elton, D.C. & Spencer, P.D. (2021). Pathological water science — four examples and what they have in common. In Water in Biomechanical and Related Systems (Biologically-Inspired Systems, vol. 17), pp. 155–170. Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-030-67227-0_8 (preprint: https://arxiv.org/abs/2010.07287)

    • 저장해두지 못해 아쉽지만, 아주 오래전 Usenet sci.physics에 정말 웃긴 주제가 있었음. 어떤 것에 반대 증거가 충분히 모였거나 받아들여진 합의에 어긋나면 더 이상 연구가 금지되고 새 증거도 허용되지 않는다는 내용이었음
      그 주제는 그런 항목들을 나열해보라고 했고, 목록은 수백 개로 늘어났음. 더 말도 안 되는 항목이 훨씬 많았는데도 사람들은 자기 트리거 단어를 보고 화를 참지 못했음
      이건 동종요법 항목에 넣으면 되겠음

  • 왜 나무가 특정 한계 이상으로 물을 올릴 수 없다고 믿는지 이해가 안 됨. 필요한 건 밸브 시스템뿐이고, 식물은 이미 다른 목적에서 그런 것을 갖고 있음. 나무가 말 그대로 물을 빨아올리는 방식으로 제한된다는 건 말이 안 됨. 그렇게라면 대부분의 나무가 쉽게 넘는 높이에서 이미 막혀야 함
    그냥 나무들이 이제는 그렇게 크게 자라지 않는 것 같음. 가문비나무 같은 흔한 나무도 100m까지 갈 수 있어 보이지만 그냥 그렇게까지 잘 안 감
    한 가능성은 영양분 고갈임. 하지만 개인적으로는 코끼리의 부재가 원인이라고 봄. 코끼리들이 어린 나무를 계속 망가뜨렸고, 운 좋게 살아남은 소수만 거대하게 자랐을 수 있음. 어쩌면 redwood는 원주민들이 어린 나무를 제거하고 오래된 나무를 남겨 만들어낸 것일지도 모름

    • “필요한 건 밸브 시스템뿐”이라는 건 작동하긴 하겠지만, 실제 방식은 아닌 듯함. 이 Veritasium 영상에 따르면 음압, 즉 장력 때문임
      https://www.youtube.com/watch?v=BickMFHAZR0
      추천함. Derek이 만든 Veritasium 영상 중 최고 중 하나라고 생각함
    • 산업혁명 시작 전 대기 중 CO2 농도 250ppm은 지질학적 시간으로 보면 역사적 저점 아니었나?
      더 최근의 오래된 키 큰 숲은 더 추운 지구에서도 잘 버텼으니 특별히 관련 없을 수도 있음
      그래도 더 따뜻하고 습하며 대기 중 CO2 농도가 높은 지구가 더 키 큰 나무 성장에 유리했을 것이라고 상상하기는 쉬움
      반면 내 전문 분야가 아니라서 내가 무슨 말을 하는지 잘 모르는 것일 수도 있음
답변달기