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<사이언스> 자연과 식물에 풍요로운 ‘번개’의 신비(下篇)
기사입력  2019/09/20 [00:26] 최종편집    소정현기자

 

콩과 식물의 뿌리에 기생하는 뿌리혹박테리아가

질소를 고정시켜 식물들이 흡수할 수 있게 한다

 

질소비료가 전혀없는 흙이나 바위틈에서 식물은

번개가 질소를 질산염으로 바꾸어비료가 된다

 

▲ 번개는 순간적으로 보통 30만 볼트 이상의 대단히 높은 전압으로 공기 중의 안정된 산소(O2)가스와 질소(N2)가스를 결합시켜서 비료의 원료가 되는 산화질소(NO)를 만들기에 충분한 화학에너지를 공급한다. pixbay.com

 

질소는 식물성장의 필수적 요소

 

 

식물이 성장하는 데에는 질소, 인산, 칼륨이 필요하다. 그 중에서도 질소는 잎과 줄기의 성장을 돕는 역할을 한다. 지구상의 공기 중에 80%가 질소이지만, 식물들은 이 질소를 직접 흡수할 수 없다. 그 동안 사람들은 콩과 식물의 뿌리에 기생하는 뿌리혹박테리아가 질소를 고정시켜 식물들이 흡수할 수 있게 한다고 알고 있었다.

 

이 박테리아의 작용 이외에도 번개가 질소를 식물들에게 공급한다는 사실이 과학적으로 입증되었다. 미국의 대기학자 푸드후란즈 블라우는 해발 3,300미터의 산에서 수년 동안 천둥과 번개를 연구하며, 번개가 칠 때마다 대기의 샘플을 채취하여 분석했다.

 

그 결과 번개에 의해 공기 중의 질소가 산소와 결합하여 산화질소가 되는 것을 발견했다. 번개는 순간적으로 보통 30만 볼트 이상의 대단히 높은 전압으로 공기 중의 안정된 산소(O2)가스와 질소(N2)가스를 결합시켜서 비료의 원료가 되는 산화질소(NO)를 만들기에 충분한 화학에너지를 공급한다. 이렇게 생성된 산화질소는 빗물에 섞여서 식물의 영양분이 되는 것이다.

 

▲ 놀라운 것은 질소 비료가 전혀 없는 흙이나 바위틈에서 식물이 자란다는 사실이다. 번개가 질소를 식물들에게 공급한다는 사실이 과학적으로 입증되었다.pixbay.com 

 

번개 빛으로 식물을 풍부하게

 

그가 번개 빛으로 자기의 사면에 두르시며, 이런 것들로 식물을 풍비히 주시느니라”(욥기 36:30~31) 수천 년 간 거름을 한 번도 안한 땅에서 식물이 살아갈 수 있는 이유는 무엇일까?

 

이것은 번개의 덕이다. 이미 BC 2200년경에 이런 사실을 성경 기록 속에 밝혀 놓으셨다.

 

놀라운 것은 질소 비료가 전혀 없는 흙이나 바위틈에서 식물이 자란다는 사실이다. 지금까지 많은 식물학자들이 여기에 대단한 궁금증을 가지고 있었으나, 그 해답의 실마리가 규명된 것이다. 번개는 공기 중의 질소를 질산염으로 바꾸고 이것이 땅에 스며들어 비료가 된다. 이렇게 비료가 되는 질소는 지구상에서 연간 10억 톤에 달한다.

 

식물이 살아가는데 가장 필요한 것은 태양빛과 흙이다. 이 흙 속에 물과 질소를 포함하는 소위 질소 비료가 있어야만 하는데, 놀랍게도 흙과 물이 전혀 없는 단단하고 메마른 바위틈에 수백 년 동안 소나무가 뿌리를 내리고 살아간다는 것은 신비 중의 신비이다.

 

소나무 잎을 씹어 보면 신맛을 느낄 수 있는데 이것은 소나무에 산(acid)이 많다는 증거이다. 그래서 소나무의 씨가 바람에 날려 바위틈에 떨어지면 빗물과 태양열에 의해서 발아되며, 동시에 연약한 뿌리를 바위틈에 내린다.

 

이때 그 연약한 뿌리에서 산(acid)을 분비해서 바위를 조금씩 녹여 흙으로 만들고 필요한 영양분은, 그 흙으로부터 흡수하여 성장한다.

 

뿌리가 분비하는 산의 양이 대단히 적고, 영양분이 많지 않기 때문에 그 성장 속도는 보통 소나무의 수백분의 1밖에 되지 않으며, 수백 년 자란 소나무의 크기가 1미터 정도밖에 되지 않는다. 보통 나무들은 이런 조건이라면 말라 죽어버리지만 소나무의 독특한 자생력이 이런 조건에서도 성장을 가능케 한다.

 

식물에게 비료를 공급하는 공급원으로 질소 비료가 전혀 없는 땅이나 바위틈에서도 식물들을 자라도록 하는 창조주의 경이성을 깨닫게 된다.

 

또한 번개는 고도보다 식생에 의한 영향을 더 받는 것으로 나타나고 있다. 이는 알래스카 대학의 삼림연구원 도르테 디싱과 데이비드 버빌라가 1986년부터 1997년까지 번개의 형태와 강도를 분석한 결과이다.

 

연구자들은 알래스카의 주 삼림지역을 북쪽 삼림지역과 툰드라, 관목 지대 등으로 나누어 조사했다. 이 가운데 번개가 가장 빈번한 곳은 북쪽 삼림지역이었데, 이는 북쪽 지역의 대기 온도가 다른 지역보다 높기 때문이라고 한다. 번개가 발생하기 위한 조건인 구름 아래의 기온이 구름 위의 기온보다 높아야 한다는 사실과 맞아떨어지는 대목이다.

 

북쪽지역의 대기 온도가 다른 지역보다 높은 것은 이 지역에서 자라는 식물들이 많은 영향을 받기 때문이다. 성장 속도가 비교적 느린 북쪽지역 식물들은 광합성에 필요한 햇빛을 적게 받아들이지만, 상대적으로 많은 태양에너지를 열 형태로 방출한다.

 

1990년 이후로 알래스카에서 번개로 4천여 건의 화재가 발생해 270만 헥타르 이상을 태웠다. 특히 재미있는 사실은 번개에 의해 산불이 난 지역에 다시 번개가 칠 확률이 높다는 것이다. 이에 대해 연구원들은 산불로 재로 변한 지역이 어두운 색이라 태양열을 더 많이 흡수하고 이로 인해 대기 온도가 올라가기 때문으로 풀이하고 있다.

 

일반적으로 고도가 높은 곳에서 더 많은 번개가 친다는 설도 의심받게 됐다. 연구원들은 해발 1000m 이하일 경우에만 맞으며, 그 이상의 높이에서는 고도와 번개가 아무 관련이 없다고 말했다. 게다가 수목한계선 이상의 고도에서는 번개가 거의 생기지 않는 것으로 나타났다.

 

공기 중의 질소는 뿌리혹박테리아의 의해서 질소산화물로 '고정'된다 이 과정은 콩과 식물인 완두콩, , 클로버 등의 뿌리에 사는 박테리아에 의해서 이루어진다.     

 

번개는 질소고정 메커니즘의 핵심

 

옛말에 비올 때 번개가 치면 풍년이 든다는 말이 있다. 옛 조상들이 하신 말씀의 비밀이 3,500년 전 성경 속에 있다는 사실이 너무나 놀랍다. 번개가 자주 치면 질소가 환원되는 양이 늘기 때문에 지력(地力)이 올라가기 때문이다.

 

번개는 대기의 질소를 땅으로 환원시키는 질소고정 메커니즘의 중요한 요인 중 하나이다.

 

번개는 대기 중에 중대한 화학 변화를 일으킨다. 공기 중에서 번개가 한 번 치면, 엄청난 열이 발생하여 질소와 산소를 결합시켜서 질산염 등의 화합물이 생성된다. 이 화합물들은 비와 함께 땅으로 떨어진다. 이런 식으로 대기는 토양에 필요한 영양분을 공급하여 식물을 산출하도록 계속해서 도움을 준다.

 

그러면 인간과 동물, 식물 들은 필요한 질소를 어디서 얻을까? 비록 공기 중 질소기체분자의 질소(N)를 직접 활용할 수는 없으나 질소가 환원되거나 산화된 질소화합물은 용이하게 사용할 수 있다. 예컨대 번갯불이 칠 때는 공기 중의 질소와 산소가 화학반응을 해 질소산화물을 만든다.

 

이 질소산화물들이 비에 녹은 상태든지 또는 기체 상태에서 토양에 흡수되면, 식물들은 그들을 다시 흡수해 자기들이 필요한 질소원으로 이용한다.

 

식물의 세포 골격을 형성하는데 중요한 역할을 하는 질소는 질산염이 되어야 식물의 몸속에 들어 갈 수 있는데 뿌리혹박테리아가 만드는 양으로는 부족해 번개에 의해 필요량의 일정 부분을 충당하는 것이다

 

▲ 질소는 아미노산과 핵산 분자의 구성원소로 질소가 부족하면 생물이 제대로 자라지 못한다. 물론 질소고정은 식물 자체가 하는 게 아니라 뿌리에 공생하고 있는 미생물 담당이다.

 

 

뿌리혹박테리아가 질소산화물 촉진

 

자연계에서 연간 19,000t의 질소가 고정되는데, 이 가운데 10%만이 번개나 광화학반응 같은 비생물적 반응으로 만들어진 것이고 나머지 90%는 생물적 질소고정, 즉 질소고정박테리아가 만든 것이다.

 

이렇게 동식물에게 유용한 질소화합물 중에 들어있는 질소를 흔히 고정화된 질소라 부른다. 그러면 식물들은 고정화된 질소를 어떻게 얻을까? 그 답은 이로운 박테리아이다. 공기 중의 질소는 뿌리혹박테리아의 의해서 질소산화물로 고정된다

 

이 과정은 콩과 식물인 완두콩, , 클로버 등의 뿌리에 사는 박테리아에 의해서 이루어진다. 어떤 종류의 박테리아는 질소를 질산염으로 산화시키고, 다른 종류의 박테리아는 질소를 암모니아로 환원시킨다.

 

질소는 아미노산과 핵산 분자의 구성원소로 질소가 부족하면 생물이 제대로 자라지 못한다. 물론 질소고정은 식물 자체가 하는 게 아니라 뿌리에 공생하고 있는 미생물 담당이다. 뿌리혹박테리아라고 부르는 이 녀석은 토양에 있는 질소분자(N2)를 암모늄이온(NH4+)으로 환원시켜 식물이 흡수할 수 있게 만든다.

 

물론 식물도 거저먹는 건 아니고 미생물을 위해 뿌리조직까지 변형시켜 미생물의 집이라고 할 수 있는 뿌리혹을 줄줄 달고 있고 미생물에게 영양분을 공급하기도 한다. 아무튼 콩과식물이 미생물과 이런 놀라운 공생체계를 구축했다는 것이다.

 

콩과식물에 기생하는 뿌리혹박테리아는 공기 중의 질소를 고정시켜 콩과식물이 섭취케 할 뿐 아니라 다른 농작물에도 고정 질소를 공급한다. 바로 이 능력을 이용하는 지혜를 옛 농부들이 지니고 있었기에, 콩과작물과 다른 작물을 번갈아 경작해 토양 중의 고정질소를 최대한 이용하였다.

 

▲ 콩과식물에 기생하는 뿌리혹박테리아는 공기 중의 질소를 고정시켜 콩과식물이 섭취케 할 뿐 아니라 다른 농작물에도 고정 질소를 공급한다. 

 

 

하지만 최근의 한 연구결과는 뿌리혹박테리아가 생명체 최대의 질소원이 아니라는 사실을 밝혀 주목받고 있다. 최근 콩과식물 외의 식물에서도 질소고정이 일어난다는 연구결과가 속속 나오고 있다.

 

워싱턴대의 식물미생물학자인 섀런 도티 교수는 두 나무(미루나무와 버드나무)가 척박한 환경에서도 잘 자란다는 사실을 의아하게 생각하고 식물체 시료를 얻어 거주 미생물을 분석한 결과 질소고정 능력이 있는 미생물을 다수 발견했다고 보고했다.

 

질소가 부족한 환경에서 벼를 키울 경우 생장이 부진하다. 이때 미루나무와 버드나무에서 분리한 질소고정 박테리아를 접종하면 생장이 개선되는 것을 생생히 확인한 것이다.

 

▲ 일반적으로 고도가 높은 곳에서 더 많은 번개가 친다는 설도 의심받게 됐다. 연구원들은 해발 1000m 이하일 경우에만 맞으며, 그 이상의 높이에서는 고도와 번개가 아무 관련이 없다고 말했다. pixbay.com   

 

더욱이 1970년 크루젠(Paul J. Crutzen)교수는 산화질소가 촉매 역할을 해서 오존 농도를 줄인다는 사실을 알아냈다. 질소 산화물들은 공기 중에서 땅속의 미생물로부터 산화질소의 분해로 만들어진다. 땅속의 미생물과 오존층의 두께와의 관계는 최근 지구의 생물지구화학 순환과정에 대한 급속한 연구에 동기를 부여한 셈이다.

 

여러 시대 동안 질소고정 박테리아는 질소 화합물의 생산을 독점해왔다. 만약 이 박테리아가 질소 화합물을 가지고 사람처럼 무역을 했다면 타의 추종을 불허할 만큼 부유한 국제적 기업이 되었을 것이다.

 

 

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