새로운 유형의 목재: 백합나무의 mid wood
새로운 유형의 목재를 발견한 방법, 이것이 기후 변화에 대처하는 데 어떻게 도움이 될 수 있나?
나무를 연구해 온 과학자들은 목재의 종류에 따라 나무를 두 가지 유형으로 분류하였다. 침엽수에는 소나무와 전나무가 포함되는데 침엽수는 일반적으로 참나무나 단풍나무와 같은 활엽수보다 더 빨리 자란다. 활엽수는 성숙하고 밀도가 높은 목재를 만드는 데 수십 년이 걸릴 수 있다. 그러나 최근 연구로 완전히 새로운 사실이 드러났다. 바로 "미드우드(mid wood)"라고 부르는 세 번째 카테고리의 등장이다. 이 발견은 기후 변화의 주요 원인인 지구 대기의 이산화탄소(CO2) 수준 상승에 맞서 싸우는 데 귀중한 것으로 입증될 수 있다. 나무는 천연 탄소 흡수원이다. 이는 공기 중 엄청난 양의 CO2를 흡수하여 목재에 저장한다는 의미이다. 백합나무(Liriodendron tulipifera)는 yellow poplar 혹은 튤립나무라고도 알려져 있으며 탄소 포집 분야에서 최고의 성능을 발휘한다. 미국 대서양 중부 지역에서는 백합 나무가 우점종인 숲이 다른 종이 우점종인 숲보다 탄소가 2~6배 더 많아 포집되기 때문에 .백합나무는 남동부 아시아국가에서 탄소포집을 위한 더 좋은 선택이 되고 있다. 이 종은 가까운 친척인 중국 튤립 나무(Liriodendron chinense)와 함께 5천만~3천만년 전부터 존재하던 고대종이다. 이 기간은 대기 중 CO2의 농도에 상당한 변화가 있었던 기간인데 이 두 종만이 살아남았다. 그리고 최근까지 이 나무들이 탄소를 잘 포착하는 이유를 알려주는 화학적 성질과 구조는 거의 알려지지 않았다. 목재의 내부 구조를 분석하는 전통적인 방법은 살아있는 목재와 건조된 목재의 차이점을 간과하고 있는데 후자가 연구하기 훨씬 쉽다. 문제는 분자 수준에서 물이 없으면 목재가 변하게 된다는 점이다. 여기서 어려운 점은 물을 여전히 함유하는 목재를 관찰하는 것이다.
우리는 케임브리지대학에 있는 저온주사전자현미경이라는 기술을 사용하여 이 문제를 해결했다. 이 현미경으로 나노미터 규모로 나무를 관찰할 수 있었다. 인간의 머리카락 한 가닥보다 6,000배 이상 작은 구조를 볼 수 있으며, 나무의 수분을 보존하여 나무가 아직 살아있는 동안 목재가 어떻게 생겼는지 더 정확한 모양을 볼 수 있었다.
목재구조의 진화
우리는 목재구조의 진화를 이해하기 위해서 캠브리지대학교 식물원에서 다양한 나무를 연구하였다. 우리는 진화 역사의 주요 이정표가 되던 살아있는 식물 샘플을 수집하였다. 이 식물들은심겨져있는 곳에서 현미경까지 몇 걸음도 안되는 거리에 있으므로 샘플이 마르지 않고 검사할 수 있었다.
우리는 목재의 기본 화학 구성 요소이자 식물이 키가 크게 자라는 힘을 제공하는 셀룰로오스로 주로 구성된 섬유인 매크로피브릴의 크기가 활엽수와 침엽수 사이에 크게 다르다는 것을 발견하였다. 참나무나 단풍나무 같은 활엽수에서는 거대섬유의 직경이 약 16나노미터(nm)인 반면, 소나무나 가문비나무 같은 softwood에서는 직경이 더 두꺼워 약 28nm이다. 이러한 차이점은 침엽수와 hardwood가 다른 이유를 설명할 수 있으며 일부 목재가 다른 목재보다 탄소를 더 잘 저장하는 이유를 파악하는 데 도움이 될 수 있다.
나무가 어떻게 진화했는지 이해하면 기후 변화를 완화할 수 있는 식물을 식별하고 활용하는 데 도움이 된다. 백합나무만으로는 이 사실을 알 수 없기 때문에 시간을 더 거슬러 올라가 식물 진화의 초기 단계부터 지금까지 여전히 존재하는 희귀하고 고대의 개화식물의 기저그룹인 원시적인 속씨식물을 조사하였다. 이 그룹의 한 구성원으로 Amborella trichopoda가 있는데 이 식물도 28 nm의 두꺼운 거대섬유를 가지고 있어서 hardwood의 두꺼운 거대섬유가 침엽수인 softwood의 얇은 거대섬유소 보다 늦게 발생했음을 시사한다.
그런데 정확히 언제 그런 일이 일어났나?
이 질문에 답하기 위해 우리는 자목련 나무 등 목련과를 조사했는데 이 나무는 원예적으로 아름다우면서 가장 오래 살아남은 식물 중 하나이다. 우리가 조사한 식물은 hard wood 처럼 직경 15~16nm의 거대섬유소 를 가져서 목련과식물이 진화하는 동안 softwood의 얇은 거대섬유소가 hardwood의 거대섬유소처럼 두꺼워졌음을 의미한다.
백합나무는 목련과 가까운 친척이지만 그 목재는 침엽수나 활엽수(hardwood) 범주에 깔끔하게 들어맞지는 않는다. 대신, 거대섬유소의 직경은 약 22nm로 활엽수와 침엽수의 중간이다. 이 중간 굵기는 전혀 예상하지 못한 일이었기에 백합나무는 완전히 새로운 범주인 "미드우드(midwood)"로 분류하게 되었다.
미드우드는 슈퍼 탄소 축적자인가?
백합나무는 왜 이런 독특한 목재형태를 가지고 있는 것일까? 단정적으로 말할 수는 없지만 수백만 년 전에 이 나무들이 직면했던 진화적 압력과 관련이 있다고 추정된다. 백합나무가 처음 지구상에 나타났을 때 대기 중 CO2 수준은 약 1,000ppm에서 500ppm으로 떨어졌다. 즉, 대기중 이용 가능한 CO2의 감소로 인해 백합나무는 보다 효율적인 탄소 저장 방법을 개발하여 독특한 거대섬유 구조를 갖게 되었을 수 있다. 오늘날 이러한 적응방식은 탄소를 비축하는 탁월한 능력을 부여한다.
이제 우리는 어떤 아직 연구되지 않은 새로운 수종을 다룰 때 그 전 방식으로 hardwood냐 soft wood냐 하는 두가지범주에 들어간다고 더 이상 가정할 수 없다. midwood 구조를 가진 백합나무는 "탄소에 굶주린" 습성을 가진다. 이 독특한 목재구조가 백합나무를 "탄소흡수의 왕"으로 만드는 유일한 특성인지 아니면 또 다른 특성이 탄소를 더 많이 흡수하게 하는 요인인지 더 조사하고 있다. 거기다가 다른 어떤 수종들이 또 이러한 midwood를 가지고 있는지 아니면 또 다른 종류의 목재도 존재하는지 조사범위를 넓히고 있다.
이러한 발견은 식물 연구의 중요성과 식물 과학에 대한 새로운 통찰력을 발견하는 데 케임브리지 대학 식물원과 같은 컬렉션이 하는 역할의 중요성을 일깨워준다. 다음에 식물원을 방문할 때는 식물계에는 여전히 많은 발견되지 않은 신비가 숨겨져 있다는 점을 기억하시라..
본 기사는 저널 The Conversation에 기고된
캠브리지 대학교 Sainsbury 연구소의 레이먼드 와이트먼교수와 Jagiellonian 대학교의 얀 라이차코프스키 연구원의 논문을 요약한 것을 번역한 것입니다.
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