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매년 가을이 되면, 북미의 나무들 거의 절반이 붉게 변한다. 그러나 마크 트웨인의 말을 빌리자면 황홀한 단풍이 뉴잉글랜드에서는 흔하지만 유럽에서는 그렇지 않다. 그 이유는 무엇인가?  세인트루이스에 있는 워싱턴 대학의 예술 및 과학 생물학 명예 교수인 Susanne S. Renner는 “식물학자들은 이 질문에 대해 오랫동안 생각해 왔지만 그럴듯한 대답은 2019년에야 제공되었다. 이 문제를 제기한 최초의 논문은 1881년 필라델피아로 이주한 영국 태생의 식물학자 Thomas Meehan에 의해 작성되었다.” “라고 한다.  Renner는 “Meehan은 가장 가능성 있는 설명을 제공하는 매개변수에 대해서도 언급했는데, 미국에서는 빛의 영향으로 나뭇잎이 붉게 변할 수 있으며 유럽 종은 여러 세대 후에 이 빛에 적응한 다음 ‘미국의 나무들과 같은 색을 보여줄’ 수 있다고 했다.” 북반구 전역에서 수백 종을 대상으로 한 Renner의 실험 작업은 이것이 사실인 이유를 보여주는 데 도움이 된다. 가을 동안 북미 동부의 특정 위도에서 자라는 나무는 유럽의 같은 위도에서 자라는 나무보다 훨씬 더 많은 일사량을 받는다. 그리고 2019년에 Renner와 공동 작업자인 Constantin Zohner는 북미 나무와 유럽 나무는 공동 정원에서 자랄 때 다르게 반응한다는 것을 알아냈다. 그들의 실험은 처음에 가을 색에 초점을 맞추지 않았지만 Renner와 Zohner는 빨간색 또는 보라색 잎을 담당하는 색소인 엽면 안토시아닌을 생산하는 미국 및 유럽 종의 서로 다른 비율을 기록하고 정량화했다. 과학자들은 자신들의 연구 성과와 과학 문헌의 관찰 결과를 결합하여 1,532여 종의 색상 점수(빨간 안토시아닌, 노란색 잔토필 또는 비색 녹색/갈색)를 생물군의 기원과 진화를 묘사한 계통수 위에 올려놓았다. Renner는 “우리는 관련 종들이 같은 가을 색을 가지고 있는지 또는 북미 종은 안토시아닌을 생산하지만 유럽 종은 그렇지 않은지 여부를 평가하고 싶었다.”라고 설명했다. 후자가 전형적인 경우로 밝혀졌다. 더 높은 비율의 북미 나무는 적색 또는 자줏빛을 띤 안토시아닌을 생산했다. 그러나 왜 유럽 나무보다 북미 나무가 안토시아닌을 더 많이 생산할까? Renner는 “안토시아닌은 UV-B에서 적색에 이르는 광범위한 태양 스펙트럼의 파장을 흡수하여 일종의 자외선 차단제 역할을 한다. 이 민감한 시기에 밝은 빛으로부터 보호하는 것이 중요하며, 노화된 잎은 광합성 장치를 분해한다.”라고 말한다.

북미의 가을은 왜 유럽에 비해 이렇게 빨갛게 물들까요?세인트루이스에 있는 워싱턴 대학교 댄포스 캠퍼스의 단풍. (크레딧: Joe Angeles)

붉은 잎으로 계산

두 가지 추가 요소로 인해 “미국의 나무와 관목 색상”을 나타낼 수 있다. 첫 번째는 식물의 잎 노화 또는 노화의 핵심 단계인 엽록소의 분해 시기이다. Renner와 Zohner는 온대 전역에서 자라지만 일반 정원에서 자라는 약 360종의 목본 종에 대한 실험을 통해 미국 나무와 관목이 유럽 종보다 약 9일, 플러스 또는 마이너스 4일 일찍 엽록소를 분해하여 선천적으로 더 짧은 초목을 만드는 것으로 나타났다. 이에 대한 설명은 아마도 유럽에 비해 북미의 더 가혹하고 예측하기 어려운 기후에 있을 것이다. 진화론적 설명에 관계없이 상대적으로 일찍 노화가 시작되면 9월과 10월의 밝은 날, 특히 밤 기온이 떨어지는 높은 광손상 위험이 있다. 두 번째 요인은 열악한 토양이라고 Renner는 말한다. 그러나 그녀는 붉은 잎사귀 이야기에 또 다른 전개되는 반전이 있다고 말한다. “이제 막 나온 새로운 연구는 콩과류, 포플러, 목화나무, 오리더와 같은 질소 고정 박테리아와 공생하는 종들 중 어떤 종도 안토시아닌 붉은 단풍을 가지고 있지 않다는 것을 보여준다,”라고 레너는 말했다. 질소를 고정하는 공생체로부터 질소를 쉽게 구할 수 있다면 광보호의 이점이 안토시아닌의 비용을 능가하지 않는 것이 분명하다.

가을 색의 미래

많은 사람들이 기후 변화 하에서 단풍잎의 미래에 관심을 가지고 있다. 따뜻한 가을은 나뭇잎을 더 오래 푸르게 유지한다. 실제로 Renner가 올해 10월 첫째 주 버몬트로 차를 몰고 갔을 때 힘든 길을 배웠기 때문에 절정의 단풍을 위해 버몬트를 방문할 시기에 대한 예측은 이미 시대에 뒤떨어진 것으로 보인다. 현재 모델들은 21세기 말쯤이면 가을 색이 지금보다 1~3주 늦게 올 것으로 예측하고 있다. 하지만 실제로는 그렇지 않을 수도 있다. Renner의 2020년 사이언스 연구는 봄과 여름의 생산성 증가가 온대나무의 초기(나중이 아닌) 가을 노화와 관련이 있으며, 이러한 과정이 온난화 하에서 예상되는 잎의 장기 노화를 상쇄할 수 있다는 것을 밝혀냈다. 그 결과, Renner와 그녀의 동료들은 2080년까지 중부 유럽 숲의 가을 색이 지금보다 3~6일 정도 늦게 나타날 것이라고 생각한다. Renner는 북미의 나무들에 대해 “현재와 아마도 10-15년 동안, 단풍은 나중일 것이지만, 한계가 있다. “나무들이 더 일찍 광합성을 시작하면, 결국 더 일찍 끝난다,” 라고 그녀가 말했다. “그들은 단순히 자라고 성장할 수 없다. 가을과 겨울에는 병목 현상이 낮이 짧아지고, 토양에 서리가 내리며, 아마도 우리가 아직 모르는 다른 한계들이 있을 것이다.”

 

논문 보기: Why is the North American fall so red compared with Europe?

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