재미있는 과학

지난 3월 6일은 경칩이었어요. 경칩은 24절기의 하나로, 겨울잠을 자던 동물이 땅속에서 깨어난다는 의미가 담겨 있죠. 이 시기가 되면 뱀, 개구리 등 다양한 동물과 더불어 식물도 활동을 시작해요. 앙상했던 나뭇가지에 싹이 나고 벌거벗은 듯했던 땅 위에 푸른 옷이 입혀지죠. 이처럼 동식물이 모두 약속이나 한 듯이 같은 시기에 깨어난다는 사실이 정말 신비하지 않은가요? 우리는 제시간에 깨어나기 위해 부모님의 도움을 받거나 휴대폰, 시계 등의 알람을 이용하지요. 그런데도 늦잠을 자거나 시간 약속을 어길 때도 잦아요. 그런데 어떻게 동식물은 자신이 깨어날 시간을 정확히 아는 것일까요?

우리가 제시간에 일어나지 않으면 해야 할 일을 제대로 하지 못하게 돼 곤란을 겪듯 동식물도 마찬가지예요. 일찍 깨어나면 추위에 얼어 죽을 수 있고, 늦게 깨어나면 생존 경쟁에서 뒤처지죠. 즉 야생 생물이 깨어나는 시기는 생존과 직접 연관이 있다고 할 수 있어요. 우리만 시계를 이용하는 것이 아니라 이들 또한 시계를 이용해요. 물론 이들이 사용하는 시계는 우리가 쓰는 것과는 달라요. 몸을 구성하는 어떤 요소가 시계 역할을 해요. 그래서 이들의 시계를 '생체 시계'라고 한답니다.

봄이 되면 벚꽃, 개나리, 진달래 등이 꽃을 피우는데, 모두 같은 시기에 피우는 것이 아니라 종류에 따라 달라요. 그렇다면 이렇게 싹을 틔우거나 꽃을 피우는 시기를 알려주는 생체 시계는 어떻게 작동하는 것일까요?

그 비밀은 빛에 있어요. 식물 속에는 '피토크롬'이란 물질이 있는데, 이 물질은 빛을 받으면 화학반응이 일어나 '옥신'이란 호르몬을 증가시켜요. 옥신은 우리 몸을 성장시키는 성장호르몬과 비슷해 식물을 잘 자라게 하는 역할을 해요. 옥신의 양이 증가하면 식물의 성장이 왕성해지는 것이지요.

그런데 태양은 봄에만 뜨는 것이 아니라 겨울에도 뜨는데 어떻게 빛으로 깨어날 시기를 아는 것일까요? 그것은 겨울과 봄에 비치는 빛의 양에 차이가 있기 때문이에요.

지구의 자전축이 23.5˚ 기울어진 상태로 자전하며 태양 주변을 공전해 위치에 따라 태양의 고도가 달라지기 때문에 계절이 변하게 되죠. 태양은 정면으로 비칠 때보다 비스듬히 비칠 때 더 긴 거리로 지표면에 도달해요. 태양빛의 열에너지는 지구의 공기층을 지나오면서 점점 식기 때문에 태양의 고도가 낮아 비스듬히 비치게 되면 지표면에 도달하는 열에너지의 양도 적어집니다. 또한 태양의 고도가 낮으면 낮보다 밤의 길이가 길어지지요. 즉 겨울이 추운 이유는 태양의 고도가 낮아 지표면에 도달하는 빛에너지의 양이 부족하기 때문이랍니다. 이처럼 같은 태양빛이라도 그 양에 차이가 있기 때문에 식물은 그 변화를 감지하는 것이지요. 이러한 원리를 이용해 빛을 조작하면 원하는 시기에 꽃을 피우도록 할 수 있어요.

식물의 생체 시계는 온도에도 영향을 받아요. 일반적으로 식물은 따뜻한 온도에 이르면 꽃을 피워요. 그래서 비닐하우스에서 키우는 식물은 시기에 상관없이 꽃을 피우고 열매를 맺을 수 있죠. 신기한 것은 봄에 깨어나는 식물은 대부분 추위를 꼭 견뎌내야만 꽃을 피울 수 있다는 거예요. 그래서 이러한 식물을 비닐하우스에서 키우면 꽃은 피울 수 있지만 금방 죽어버려서 열매를 맺지 못한다고 해요.

온도는 식물뿐만 아니라 동물에게도 영향을 줘요. 개구리, 뱀 등의 양서류나 파충류는 피부로 온도를 감지해요. 우리는 외부의 온도 변화와 상관없이 체온을 일정하게 유지하지만, 이런 동물은 외부 온도에 맞춰 체온도 함께 변해서 '변온동물'이라고 해요. 즉 변온동물은 날씨가 따뜻해지면 체온이 올라가 신체 내부의 활동이 활발해지면서 자연스레 겨울잠에서 깨어나는 거랍니다.

생체 시계는 우리 몸속에도 들어 있어요. 우리 몸속 생체 시계도 식물과 같이 빛의 영향을 받아 작동하지요. 빛이 눈의 망막을 통해 들어오면 '시신경교차상부핵'이라는 부위로 전달돼 그곳의 생체 시계를 자극해요. 그럼 콩알만 한 크기의 '송과선'이란 곳에서 멜라토닌이라는 호르몬의 분비가 줄어들죠. 멜라토닌은 잠을 유도하는 물질이에요. 그래서 멜라토닌이 많아지면 잠이 오고, 줄어들면 잠에서 깨어나게 되지요.

그렇다면 사람이 빛이 차단된 장소에서 낮과 밤이 언제인지 모른 채 생활하면 어떻게 될까요? 신기하게도 24시간 주기로 잠을 자고 깨어나는 생활을 반복하게 된다고 해요. 몸 안의 생체 시계가 잠을 자고 깨어날 시간을 알려주기 때문이에요. 하지만 늦잠을 자거나 밤을 새우는 등 불규칙한 생활을 계속하게 되면 생체 시계도 망가진다고 해요. 그러니 여러분도 일찍 자고 일찍 일어나는 습관을 길러 건강한 생활을 하기 바라요.

[함께 생각해봐요]

빛이 비치는 쪽으로 식물이 굽어 자라는 이유는 무엇일까요?

답: 사람의 팔다리뼈에 있는 '성장판'처럼 식물에도 '정단분열조직'이란 것이 있어요. 여기에는 성장을 도와주는 호르몬인 '옥신'이 분비되는데, 옥신은 햇빛을 싫어해서 빛의 반대 방향으로 이동하는 성질이 있죠. 즉 옥신이 많은 쪽의 줄기 부분은 반대편보다 상대적으로 길어지기 때문에 식물은 자연스럽게 햇빛이 비치는 방향으로 굽게 되는 것이지요. 이렇게 식물이 태양 쪽을 향하게 되면 잎에서 광합성이 더 활발하게 일어날 수 있답니다.

[관련 교과] 4학년 1학기 '식물의 한살이', 5학년 2학기 '우리 몸', 6학년 1학기 '계절의 변화'