단풍이 드는 원리와 단풍 색깔 차이 나는 이유

단풍이 드는 원리와 단풍 색깔 차이 나는 이유

단풍은 나뭇잎의 색깔이 변하는 것을 의미합니다. 조금 더 과학적으로는 나뭇잎이 더 이상 활동하지 않게 되면서 색깔이 변하는 것을 말합니다. 단풍이 든 잎은 결국 줄기에서 떨어져 바닥에 떨어져 낙엽이 됩니다. 오늘은 가을이 되면 왜 단풍이 드는지 단풍의 원리와 나무마다 단풍 색깔이 왜 다른지, 단풍잎은 어떻게 낙엽이 되는지에 대해 과학적인 측면에서 알아보도록 하겠습니다.

출처: 에듀넷

나뭇잎은 광합성(Photosynthesis)을 통해 살아갑니다. 광합성은 식물이 이산화탄소와 물, 햇빛을 원료로 이용하여 살아가는데 필요한 양분을 스스로 만드는 과정입니다. 햇빛으로부터 받은 에너지와 물을 가지고 포도당과 산소를 만들어 내는데, 이 양분은 식물체를 구성하거나 생장, 호흡 등 생활에 필요한 에너지원으로 사용합니다. 반응식은 아래와 같습니다.

이산화탄소(6CO2) + 물(12H2O) + 빛 에너지 → 포도당(C6H12O6) + 산소(6O2) + 물(6H2O)

 

식물이 살아가는데 반드시 필요한 광합성은 나뭇잎에 있는 엽록체(Chloroplast)라는 세포 소기관에서 일어납니다. 엽록체는 광합성을 하는 식물 세포에 존재하며 럭비공 모양의 녹색의 알갱이입니다. 나뭇잎이 초록색으로 보이는 이유는 이 엽록체가 녹색 파장의 빛만 반사시키기 때문입니다. 아래 첨부한 사진을 보면서 좀 더 자세히 설명해 보겠습니다.

출처: @EnCyber.com

엽록체의 구조를 보면, 엽록체는 두 개의 막(외막, 내막)으로 싸여 있습니다. 그리고 이 엽록체 안에는 그라나(Granum)와 스트로마(Stroma)로 이루어져 있는데 이번 포스팅에서는 그라나에 대해서만 다루겠습니다. 그라나는 납작한 원판 모양이 여러 개가 쌓여있는 구조물입니다. 이 원판 하나하나를 틸라코이드(Thylokoid)라고 합니다. 여기에는 광합성 색소인 엽록소(Chlorophyll), 카로티노이드계의 카로틴(Carotene)과 크산토필(Xanthophyll) 그리고 ATP 합성 효소 등이 들어있습니다. 엽록소는 초록색을 띠는 색소이고 카로틴과 크산토필은 각각 주황색과 노란색을 띠는 색소입니다.

광합성이 활발하게 일어나는 봄, 여름에는 엽록소들이 활발히 활동하여 잎이 녹색으로 보입니다. 하지만 날이 쌀쌀해지고 기온이 내려가면 효소들의 활동도 저하되면서 광합성도 천천히 일어나게 됩니다. 동시에 엽록소의 활성도 떨어지면서 서서히 엽록소가 파괴 및 소멸되고 다른 색소들이 도드라지게 됩니다. 이때 활동하는 색소가 바로 카로틴과 크산토필입니다. 앞서 설명한 것처럼 카로틴은 주황색을 띠고 크산토필은 노란색을 나타냅니다. 카로티노이드계의 색소가 도드라지면서 초록색이었던 잎이 주황색, 노란색 등으로 변하게 되는 것입니다. 대표적인 예로 은행나무는 크로산필만 존재합니다.

붉은색 단풍은 조금 더 복잡합니다. 식물세포에는 액포라는 기관이 존재하는데, 여기에는 안토시아닌(Anthocyanin)이 있습니다. 안토시아닌은 붉은색을 내는 물질로, 이미 잎 속에 들어 있는 카로틴과 크산토필과는 다르게 가을철에 만들어집니다. 날이 추워지면 잎에 당분이 많이 쌓이게 되는데, 이 당분이 햇빛을 받으면 안토시아닌으로 변하게 되면서 붉은색으로 단풍이 물들게 되는 것입니다. 

결과적으로 정리를 한다면, 한 여름 활발하게 활동하던 엽록소가 날이 추워지면서 활동량이 줄어들다가 결국 파괴되고, 그와 동시에 주황색이나 노란색을 띠는 카로티노이드계 색소가 도드라지면서 형형색색 단풍이 들게 되는 것입니다. 이러한 현상이 가능한 이유는 카로티노이드가 엽록소에 비해 훨씬 느린 속도로 파괴되기 때문입니다.

은행나무 단풍과 낙엽

마지막으로 단풍잎이 가지에서 떨어지는 이유는 몸체의 수분을 보존하고 온도를 유지하기 위해서입니다. 나뭇잎을 떨어뜨리기 전에 식물은 양분의 절반을 줄기로 이동시켜 놓습니다. 그다음에는 잎과 줄기가 닿는 부분에 떨켜를 만듭니다. 떨켜는 코르크처럼 단단한 세포층으로, 잎으로 드나들던 양분과 수분이 더 이상 공급되지 못하도록 합니다. 이렇게 되면 엽록소가 더 이상 합성되지 않고 파괴되기 시작하는데, 활동을 멈춘 잎이 줄기로부터 떨어질 준비가 끝나는 것입니다. 이후 바람이나 비 등의 물리적인 힘에 의해 잎이 나무에서 떨어지면 이것이 낙엽이 되는 것입니다. 이상으로 단풍이 드는 원리와 단풍 색깔이 다른 이유에 대한 포스팅을 마치겠습니다.