식물이 성장하는 원리에는 잎의 엽록체가 이산화탄소(CO2)와 빛을 합성하여 탄수화물이라는 당분을 만들어 내는 것이 주요한 원인으로 알려져 있다.
그래서 이 엽록체라는 잎과 줄기덩어리는 햇빛을 얻기 위해 위로 자란다고 해도 그럴듯해 보인다. 그런데 간과하는 것은 반드시 물(H2O)이 동반되어야 하나 이에 대한 논증이 부족하다. 뿌리로부터 흡수된 물이 줄기 끝에 도달하지 못하면 줄기의 성장은 없다.
여기서 식물이 자라는데 물이 먼저냐? 햇빛이 먼저냐? 라는 의문점이 대두된다.
사막에서 식물이 자라지 못하는 이유는 햇빛이 없어서가 아니라, 물이 없어서 식물이 자라지 못한다. 그러므로 식물성장에는 광합성을 위한 수분이 우선 먼저 줄기 끝에 도달되어야 한다.
대체로 봄이 되면 나무줄기에서 새싹이 돋아나오는데, 이 새싹이 엽록소 겸 엽록체이다.
이 엽록체 덩어리인 새싹은 엽록소라는 식물의 유전체가 일정한 규모로 모여서 완성된 것이다. 이 식물유전체라 할 수 있는 엽록소가 어떠한 기작으로 나무줄기나 지표면에 나타나는지를 알게 되면 줄기가 위로 성장하는 원리를 햇빛이 아닌 중력의 원리로 명확히 설명할 수 있을 것이다.
이 엽록소나 엽록체가 만들어지는 현상을 연구하는 일은 아주 근사한 실험실에서 고급하고 정밀한 장비들을 이용하여 고등학문으로 풀어내야만 하는 그런 고등연구자들만의 전유물은 아니다. 우리가 늘 일상으로 보고 있는 너무도 자연스런 현상으로 조금만 주의를 기울이면 누구나 실증 연구자가 될 수 있다.
이 엽록소라는 식물유전물질이 우리 눈에 보이도록 나타나려면 반드시 필요한 것이 물(H2O)이다. 물이 존재해야지만 그 물의 흐름을 타고 식물유전자가 확산될 수 있다.
결국 식물 엽록소가 나타나는 현상을 연구하는 것은 지표면에서 흐르는 물이 어떤 경로를 통해 식물의 줄기를 타고 역류하여 위로 올라가는가? 를 밝혀내는 일이다.
물의 흐름은 우리가 잘 알고 있듯이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐른다. 따라서 외력이 개입되지 않는 자연 상태에서는 낮은 곳에서 높은 곳으로 역류하는 현상은 불가능하다. 그렇다면 식물이 뿌리에서 물을 흡수하고 줄기를 통해 잎 끝까지 수분을 전달하는 현상은 자연 상태가 아니거나, 외력이 개입되어야 한다.
식물이 물을 뿌리로부터 잎 끝까지 끌어올리는 현상은 자연 현상이므로 물을 역류시키는 외력이 개입되었다고 보는 것이 타당할 것이다.
그렇다면 그 외력은 무엇인가? 바로 지구중력이라는 대기압이다.
일상에서 우리가 대기압을 체감하기는 너무 어렵다. 하지만 바다로 가서 스쿠버다이빙을 해본 경험이 있다면 수중으로 깊이 내려갈수록 수압이 강해진다는 걸 알게 될 것이다.
대기압은 반대로 지표부근에서 강하고 지표에서 멀어질수록 약해진다. 그러므로 우리가 감지하지 못할 뿐이지 나무에 가해지는 외력인 대기압은 항상 존재한다. 이 중력이라는 대기압이 뿌리가 물을 흡수하여 줄기를 통해 역류시켜 끌어올리게 하는 원동력이 된다.
그런데 이때 대기압은 항상 수직으로만 작동한다. 이 대기압이 누르는 힘에 대항하여 위로 올라가려는 가상의 힘을 ‘수직항력’이라고 한다. 이 수직으로만 작동하는 수직항력 때문에 나무줄기는 수직으로 위로 올라가며 자라게 된다. 이처럼 수분이 수직으로 올라가면서 그를 따라 올라간 식물유전체가 햇빛과 만나면서 엽록체가 만들어지는 것이다.
나무줄기의 크기 차이는 줄기를 따라 올라가는 수분양의 차이가 만들어 내는 것이다. 이러한 식물 현상이 겉보기로는 햇빛이나 거름이라는 양분의 차이로 느껴지기도 한다.
식물줄기에서 수분이 역류하며 올라가는 양에 관해서는 수학 물리공식으로도 이미 완성되었는데 바로 ‘내적(inner product, 內積)’을 말하며 ‘C=|A⦁B|cosθ’라는 공식이다. 나무줄기가 분지된 각도의 크기에 따라 올라가는 수분양의 합인 내적이 달라진다.
이를 구체적으로 확인해보기 위해 삼각함수의 특수각 30°, 45°, 60°를 대입해보면, cos30°= /2≒ 0.866, cos45°= /2≒ 0.707, cos60°=1/2≒ 0.5 이다. 이처럼 각도가 클수록 값은 작아져서 내적의 크기는 각도와 반비례 관계이다. 이를 동일한 조건하에서 2개로 분지되어 자라나는 나무줄기에 그대로 대입하면, 분지되는 각도가 작아 줄기가 수직에 가까울수록 나무성장이 더 커진다. 이유는 각도가 작아서 뿌리로부터 수분을 끌어올린 합인 내적 값이 더 크기 때문이다.
즉 ‘줄기가 수직일수록 가지의 생장은 강해진다.’는 리콤의 경험법칙과 이론값인 수치계산상의 물리법칙과 그대로 일치한다.
줄기성장이 물과 중력의 상호작용에 의해 위로 자라는 현상이라는 사실을 인식하는 것은 식물현상에 대한 기작체계가 달라져야 함을 의미한다. 무엇보다도 나뭇가지를 잘라내는 전정을 통해서 나무의 성장을 빠르게 하거나 더디게 하는 게 자유롭게 가능해진다. 비료나 퇴비가 아닌 오직 나무줄기를 잘라내는 정지전정 기술만으로 과일나무의 성장을 조절할 수 있다. 전정법이라는 농부의 정교한 기술로 자연에 순응하는 줄기배열을 통해 뿌리로부터 수분흡수를 조정할 수 있기 때문이다.
결과적으로 나무줄기의 성장은 햇빛을 얻기 위해 나무 스스로 자가 동력을 가지고 위로 올라가는 것이 아니라, 중력이라는 대기압이 줄기에 작용하여 수분을 역류시키는 수직항력이 작동이라는 ‘물과 중력의 상호작용’으로 인해 자라나고 있는 것이다.
나무가 햇빛을 얻기 위해 위로 자라고 있다고 한다면, 전정기술로 나무성장 조절은 불가능하다. 하지만 물과 중력의 상호작용으로 성장하기 때문에 나무에 가해지는 중력의 세기를 조절하여 나무성장 크기 정도를 조절할 수 있는 것이다.
사실 햇빛을 얻으려고 위로 자란다는 그럴듯한 통념은 조금만 되짚어 봐도 바로 의구심 덩어리이다. 식물은 낮보다도 밤에 더 잘 자라는 것으로 알려져 있는데, 밤에는 햇빛이 없는데 어떻게 햇빛을 얻으려고 위로 더 빨리 자랄까? 콩나물은 햇빛을 가리고 물만 잘 주면 잘 크는데, 그렇다면 콩나물이 자라게 하는데 도대체 햇빛은 무슨 역할일까?
이러한 의구심을 중력이라는 대기압이 누르는 힘에 의해 수분이 역류하는 현상으로 풀이하면 너무도 이치에 합당하다.
나무줄기는 지구중력인 대기압이 누르는 힘에 의해 수직항력을 따라 물(H2O)이 수직으로 분출하며 자라기 때문에 우선 수직위로 올라가며 자란다.
이것이 물과 중력이 상호작용으로 위로 자라는 식물의 줄기 현상이자 광합성에 의해 식물 모양이 일정한 패턴을 그리는 현상이다.
다음 편에 계속...
김진한 칼럼니스트는?
1968년 6월 생으로 제주 성산 삼달리에서 출생하여 삼달초교, 신산중, 금오공업고등학교, 금오공과대학을 졸업, 91년 육군소위로 임관하여 장교로 군복무 후 육군대위 전역, 2002년도 출생지로 돌아와 귀농 하였다.
이후 2004년 '제주대 최고농어업경영자과정', 2009년 '한국벤처농업대학' 등의 과정을 수료, 2004년~7년까지 '제주도정보화농업인연합회' 창립발기인 및 초대, 2대 사무국장을 역임 하는 등 쉼 없는 노력을 인정받아 2006년 '전국 농업인 홈페이지 경진대회 최우수 농림장관상','농촌진흥청장 표창', 2011년 '농업인 정보화 관련 유공 제주도지사 표창' 등 다수의 상을 수상 하였다.
또한 여러 활동과 경험을 바탕으로 농업과 공학을 접목시키는 기술을 연구, 2015년 '감귤나무를 포함하는 과실나무의 전정방법', 2016년 '이동식감귤선별장치' 2017년 '감귤나무를 포함하는 과실나무의 전정방법' 등을 특허등록 하였다.
저서로는 2015년 '상대성이론과 식물역학'(하나출판), 2016년 '중력파와 식물성장법칙'(하나출판)이 있으며, 2018년에는 '전정법 개선으로 고품질 감귤생산 실용과제' 를 '대산농촌재단 농업실용연구총서7'에 발표 하였다.
<본 칼럼의 내용, 이론은 김진한 칼럼니스트 개인 연구 결과임을 참고 바랍니다>
