환경과조경

사람은 매일 삼시(아침, 점심, 저녁) 세끼를 먹는다. 왜 일까? 첫 번째 살기 위해서 먹는 것이다. 사람이 활동하기 위해서는 몸에 끊임없이 에너지를 투입해야 하는데 그 행위가 바로 먹는 것(食)이다. 두 번째 한참 성장하고 있을 때는 그 영양분이 몸을 구성하는 성분이 된다. 즉 먹는 것, 영양분을 섭취하는 것은 체내 구성 물질을 유지하고 에너지를 공급하기 위한 것이다.
사람은 매일 밥(쌀)을 먹어 탄수화물을 섭취하여 에너지를 얻지만 식물은 어떠할까? 식물은 광합성을 통하여 CO2를 흡수하여 당으로 변환시켜 에너지를 얻는다. 사람은 호흡을 통하여 산소를 얻지만 식물은 잎 또는 뿌리를 통하여 O2 또는 H2O(물)의 형태로 흡수한다. 그리고  나머지 질소, 인, 칼륨과 같은 다른 원소들은 사람의 경우 여러 가지 음식을 먹고 내부기관의 소화작용을 거치면서 흡수하지만, 소화기관이 없는 식물은 처음부터 무기염류 형태로 흡수하게 된다.
일부 유기농을 신봉하는 사람들은 식물에게 유기물로 이루어진 양분형태만을 공급하는 것이 최고라는 것을 강조하는데, 사실 그 유기물이 토양에서 미생물에 의하여 무기형태로 바뀌어야만 식물이 흡수할 수 있는 것이다. 즉 사람의 소화기관의 역할을 하는 것이 토양의 미생물이며 토양미생물의 활력이 높아지려면 적당한 유기물과 무기물이 토양에 존재해야 한다. 과거 지나친 화학비료의 사용에 따른 토양의 황폐화에 대한 반발로 유기물을 지나치게 많이(유기물을 분해할 수 있는 미생물의 활력을 벗어나게) 시용하는 것 역시 환경오염이며 자연파괴인 것이다.
따라서 식물이 흡수할 수 있고 토양이 분해할 수 있는 양 만큼의 양분과 유기물을 시용하는 것이 무엇보다 중요하며, 유기물이 곧 양분이라는 생각은 버려야 한다.
식물생육에 필요한 영양분은 광물질(minerals)인 무기태(inorganic form)의 양이온과 음이온이 주 영양소이고 에어지원으로 광선이 필요하다. 따라서 식물영양분(nutrients)을 영양원소(nutrition elements)라고 부르기도 한다.

식물의 필수 영양소

식물은 광합성을 통해 탄수화물을 섭취하고 에너지를 얻으며, 식물체 구성물질의 대부분을 구성한다. 보통 식물체에는 이 성분들이 90% 이상을 차지하므로 그 주 구성원소인 탄소(C), 수소(H), 산소(O)의 비율이 보통 95%를 넘는다. 즉 빛(광선)이 존재하는 환경에서 광합성을 통하여 CO2를 흡수하고 뿌리를 통하여 물(수분)을 원활하게 흡수한다면 식물은 살아갈 수 있는 것이다. 식물을 키울 때 빛과 물이 가장 중요한 이유가 여기에 있다고 할 수 있다. 나머지 질소(N), 인(P), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 황(S) 등은 매우 낮은 비율임을 알 수 있는데 그럼에도 그 중요성은 무시할 수 없다. 빛과 물이 풍부한 상태에서 즉 C, H, O가 충분하게 공급된 상태에서 질소, 인, 미량원소의 공급효과는 <그림1>과 같다. 적정량 즉 임계농도 이하로 양분이 부족한 상태가 되면 생장은 급속히 감소하게 된다.

보통 고등식물의 몸 구성을 화학분석으로 조사해 보면 다수의 원소가 검출되는데, 이 모든 종류가 식물이 생육하는데 절대 필요한 것인지 또는 오염된 상태인 것인지를 정밀하게 실험해 본 결과, 현재는 보통 다량으로 흡수․이용되는 9종과 미량으로 요구되는 8종을 들어 총 17종을 필수원소(essential elements)로 인정하고 있다.

식물은 어떻게 양분을 흡수할까?

사람은 입을 통해 음식을 섭취하고 내부에 소화기관이 있어 음식을 분해하면서 필요한 영양분을 섭취한다. 그렇다면 식물은 어떠할까? 식물은 뿌리를 통하여 양분을 흡수한다. 식물에게 필요한 영양분은 주로 토양입자 내지 토양유기물에 정전기적으로 흡착되어 있는데 이러한 양분들이 뿌리 근처에 확산작용, 집단유동을 통하여 이동하여 수동적으로 뿌리에 흡수되기도 하고, 능동적으로 뿌리의 가로채기 등으로 식물에 흡수된다(연재 1회에 수록된 그림 1-1, 1-2, 1-3 참조).

토양입자가 어떻게 양분을 흡착하고 있을까 하는 생각이 들겠지만  토양입자 사이에는 무수한 공극이 있으며 입자가 음전하를 띄고 있기 때문에 입자 사이사이에 양이온, 음이온으로 이루어진 양분을 정전기적으로 흡착할 수 있다.

식물도 사람처럼 양분을 능동적으로 흡수하기도 한다. 물론 그 양은 수동적으로 흡수되는 양보다 적지만 식물의 특성에 따른 이러한 양분의 흡수패턴은 식물이 서식환경에 적응하는데 상당히 중요하다. 사람도 자기의 체질에 따라 좋아하는 음식과 싫어하는 음식 또는 몸에 맞는 음식, 몸에 맞지 않은 음식이 있는 것처럼 바닷가 근처에 사는 식물과 강가에 사는 식물은 엄연히 양분을 흡수하는 양상이 다르다.

이러한 과정을 좀더 자세히 살펴보면 토양입자에 흡착된 양분은  뿌리가 H+를 분비하면서 교질표면에 흡착되어 있는 양이온을 선택적으로 치환작용을 통하여 흡수한다. 뿌리에서 흡수된 양분은 그림의 좌측에서부터 뿌리의 세포벽, 원형질막을 통하여 세포질로 흡수된다.

뿌리를 통하여 양분이 흡수되는 자세한 경로는 표피, 피층, 내피, 그리고 유관속이 있는 통도조직의 유세포를 지나 물관으로 운반되어 지상부인 줄기, 잎 부분으로 이동한다.

사람은 자기가 좋아하는 음식을 냄새를 통하여 그리고 맛을 보면서 먹을지 말지를 결정한다. 식물은 어떻게 양분을 비교하여 흡수할지 말지를 결정할까? 그것은 바로 원형질막을 통하여 이루어진다.

원형질막의 구조를 간단하게 살펴보면 친수성을 가지는 콜린과 인산, 그리고 소수성을 가지는 지방산으로 이루어진 인지질이 이중으로 이루어진 “지질 2중 층구조”를 가지고 있으며, 그 가운데 단백질이 모자이크 모양으로 끼어있고 여기에서 이온의 선택적 흡수가 일어나게 된다.

모든 식물에서 양분의 흡수는 원형질막이라고 불리는 생체막을 통하여 이루어지는데 각종 식물세포 소기관들이 생체막에 둘러져 있다. 그리고 그 소기관들이 상호 긴밀한 유기관계를 가지며 생명을 유지하고 있다. 마치 아파트 단지를 구분하는 울타리처럼 그리고 그 울타리를 지키고 있는 경비의 역할을 하는 것이 원형질막의 수많은 단백질 즉 채널이다. 경비실 입구를 통하여 사람이 오고 가듯이 그곳을 통하여 수많은 양분이 오고 가는 것이다.

집을 방문할 때 경비실에서 방문하고자 하는 세대에 연락해서 들여보낼지를 결정하게 된다. 이러한 시스템과 마찬가지로 식물도 이러한 채널단백질을 통하여 양분을 흡수할지 말지를 결정하게 되는 것이다.