아이 올라도 끄떡없는 '지름 3m' 빅토리아수련 잎의 비밀

[애니멀피플]
잎 뒷면 방사상 맥관구조가 외부 충격 분산..만국박람회 수정궁 설계에 영감 줘

세계에서 가장 잎이 큰 식물인 빅토리아수련의 잎은 3m에 이르며 어린아이를 거뜬하게 올려놓을 만큼 강인하다. 핀 복스 외 (2022) ‘사이언스 어드밴시스’ 제공.

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20세기 최고의 건물 가운데 하나로 꼽히는 수정궁은 30만장이 넘는 유리와 다량의 주철로 지었다. 1851년 영국 만국박람회 건축물로 쓰인 7만㎡가 넘는 이 건물을 설계한 건축가 조지프 팩스턴은 설계 아이디어를 빅토리아수련에서 얻었다.

남미 아마존 강 유역의 습지에서 자라는 빅토리아수련은 3m까지 자라는 잎으로 유명하다. 이 수련의 잎은 단지 거대할 뿐 아니라 어린아이가 올라가도 끄떡없을 정도로 견고하다.

1851년 런던 수정궁에서 열린 만국박람회 개막식에서 빅토리아 여왕이 연설하고 있다. 위키미디어 코먼스 제공.

그 비밀은 잎 뒷면에 숨겨져 있다는 연구결과가 나왔다. 핀 복스 영국 맨체스터대 박사 등 연구자들은 “잎의 중앙에서 방사상으로 뻗어 나간 맥관구조와 잎의 독특한 기하학적 형태 덕분에 빅토리아수련은 가장 효율적으로 거대한 잎을 지탱할 수 있게 진화했다”고 10일 과학저널 ‘사이언스 어드밴시스’에 실린 논문에서 밝혔다.

개화 직전의 빅토리아수련. 거대한 잎은 테두리가 솟아오른 모습이고 잎 뒷면은 가시 달린 잎맥이 두드러진다. 게티이미지뱅크

빅토리아수련은 홍수로 넘친 웅덩이에서 빠른 속도로 잎을 키워 수면을 재빨리 뒤덮어 광합성을 독차지한다. 웅덩이가 사라지기 전 꽃을 피우고 6개월 안에 시든다.

큰 잎은 광합성에는 유리하지만 유지·관리 부담이 따른다. 잎 속 공기주머니로 부력을 얻지만 물새와 물고기가 뜯어먹거나 빗물이 넘쳐 찢어지지 않아야 한다.

빅토리아수련 잎 뒷면의 맥관구조. 핀 복스 외 (2022) ‘사이언스 어드밴시스’ 제공.

연구자들은 빅토리아수련의 잎이 크기에 견줘 두께는 평균 1㎜로 얇다는 데 주목했다. 접시 형태의 잎 뒷면은 적갈색에 가시가 잔뜩 난 거친 잎맥이 가지를 친 형태다. 연구자들은 “잎 뒤의 눈에 띄는 맥관구조가 수 세기 동안 건축가와 예술가에게 영감을 주었다”고 밝혔다.

굵은 잎맥이 잎 중앙에서 방사상으로 뻗어있는데 마치 프랙털 구조처럼 주맥에서 측맥이 뻗어 나간다. 주맥과 측맥은 가로대가 거미줄처럼 연결한다.

빅토리아수련 뒷면 맥관구조의 자세한 모습. 위키미디어 코먼스 제공.

연구자들은 현장 실험과 수학적 모델링을 통해 계산한 결과 “잎 중앙에서 뿌리 형태로 뻗어 나간 잎맥이 외부 스트레스를 균등하게 분배해 국지적으로 잎이 찢겨 나가는 것을 방지하는 것으로 나타났다”고 밝혔다.

중앙으로 갈수록 두꺼운 잎 구조도 강인함을 유지하는 데 도움이 된다. 줄기와 연결된 잎꼭지 근처에서 두께가 5㎝에 이르지만 잎 가장자리는 1.5㎜에 불과하다.

연구자들은 “견고함이 잎이 가장 두꺼운 부위에 집중되는 게 아니라 복잡한 잎맥 구조를 타고 잎 구석구석으로 전달된다”고 설명했다. 실제로 잎 두께가 균질한 일반 수련의 잎과 빅토리아수련의 잎을 흉내 낸 플라스틱 잎을 만들어 실험한 결과 빅토리아수련과 같은 잎 구조가 10배 무거운 외부 힘을 견뎠다.

아마존 강이 홍수로 범람하는 몇 달 동안 일시적 웅덩이에서 빠른 속도로 자라는 빅토리아수련은 독특한 잎 구조로 거대한 잎을 유지하는 데 성공했다. 리처드 홈, 위키미디어 코먼스 제공.

복스 박사는 “잎 크기는 보통 기계적으로 유지할 수 있는지에 따라 결정된다. 광합성을 위해 표면적을 키우면 그것을 유지하는 데 더 많은 에너지를 써야 한다. 빅토리아수련 잎은 강하고 탄력 있는 네트워크 구조가 경쟁력이다. 적은 비용으로 강한 힘을 낸다.”고 이 대학 보도자료에서 말했다.

빅토리아수련은 네트워크 구조로 외부 손상에 대응하는 한편 빗물을 내보내는 수많은 작은 배수구와 함께 잎 양 끝에 움푹 갈라진 열각을 둬 다량의 물을 배수할 수 있는 구조를 갖췄다. 또 주맥과 측맥에 난 날카로운 가시는 물고기가 물어뜯지 못하게 하는 한편 다른 식물을 파괴하면서 수면을 점령하는 기능을 한다고 연구자들은 밝혔다.

연구자들은 빅토리아수련의 비용 효율적인 구조가 공학적인 설계에 응용될 것으로 기대했다. 연구에 참여한 소로굿 영국 옥스퍼드대 박사는 “바다에 태양광 패널을 설치하는 등 대규모 물에 뜨는 플랫폼을 설계할 때 이 수련에서 영감을 얻을 수 있을 것”이라고 말했다.

빅토리아수련의 꽃. 밤중에 피며 가루받이를 하는 딱정벌레를 가두는 특이한 습성이 있다. 위키미디어 코먼스 제공.

빅토리아수련은 남미 원산이지만 관상용으로 우리나라를 비롯한 많은 나라의 식물원 등에서 재배한다. 지름 40㎝에 이르는 꽃은 이틀 동안 밤에만 피는데 향기와 온도에 이끌린 딱정벌레가 들어오면 꽃잎을 오므려 밤새 가두었다 이튿날 내보낸다. 꽃가루 범벅이 된 딱정벌레는 개화한 다른 꽃을 찾아간다. 가루받이한 꽃을 흰색에서 분홍색으로 바뀐다.

재배하는 빅토리아수련의 개화 모습. 가루받이가 끝난 상태를 가리킨다. 프랭크 우터스, 위키미디어 코먼스 제공.

인용 논문: Science Advances, DOI: 10.1126/sciadv.abg3790

조홍섭 기자 ecothink@hani.co.kr