나무는 얼마나 높이 자랄 수 있을까?

현재 알려진 가장 키 큰 살아 있는 나무는 히페리온이라는 해안삼나무(Sequoia sempervirens)로, 높이가 약 116 m야(35층 건물보다 높아). 자이언트세쿼이아는 몸집이 더 크지만 키는 그만큼 크지 않아. 나무는 왜 계속 더 높이 자라지 못할까?

그 답의 일부는 2과에서 배운 물을 끌어올리는 힘과 관련 있어. 높이가 10 m 더 높아질 때마다 중력과 균형을 이루려면 0.098 MPa만큼 더 큰 힘이 필요하고, 물이 이동하는 길이가 길어지면서 마찰도 늘어나. 그래서:

• 꼭대기의 잎은 아래쪽 잎보다 더 낮은 수분 퍼텐셜에서 작동해야 해;
• 물기둥에 걸리는 장력이 더 커져 공동현상이 일어날 위험이 높아져;
• 꼭대기의 잎은 세포를 팽팽하게 유지하기가 더 어려워져. 세포가 커지고 광합성을 위해 기공을 열어 두려면 세포가 팽팽해야 해.

공동현상은 장력을 받는 물이 든 관 속으로 공기가 빨려 들어가거나, 녹아 있던 기체에서 기포가 자랄 때 일어나. 기포가 퍼지면(색전) 그 관은 더 이상 물을 나를 수 없게 돼. 여러 개의 병렬 관을 가진 나무는 일부 관이 망가져도 살아남을 수 있고, 어떤 나무는 관을 다시 물로 채우거나 새로운 목부를 자랄 수도 있어. 하지만 장력이 클수록 더 많은 관이 망가져.

이 때문에 높이가 높아질수록 물을 끌어올리는 한계는 더 엄격해져. Nature에 실린 유명한 2004년 연구에서 George Koch와 동료들은 키 큰 삼나무의 꼭대기를 측정하고, 토양에 물이 충분하더라도 이 종의 최대 높이는 약 122~130 m일 것이라고 예측했어. 히페리온은 그 추정값보다 몇 미터 낮아. 같은 연구에서는 꼭대기 근처의 잎이 더 작고 두꺼우며, 단위 넓이당 조직이 더 많다는 것도 보여 주었어. 이것은 여유 있는 수압이 거의 없는 상태에서 잎이 기능하고 있다는 생리학적 특징이야.

중력과 마찰만이 한계인 것은 아니야. 키가 큰 나무는 자기 무게도 지탱해야 하고 바람도 견뎌야 하며, 뿌리와 잎도 나무의 성장 속도를 따라가야 해. 많은 곳에서는 토양의 물 부족이나 폭풍 때문에 나무가 수분 이동의 한계에 도달하기 훨씬 전에 성장이 멈춰. 삼나무가 잘 자라는 드물게 습하고 온화하며 바람이 없는 곳에서는(안개가 자주 끼는 해안 지대로, 안개가 잎에 물을 더해 줘) 나무가 계산된 한계에 가까워져.

다른 키 큰 종들도 비슷한 규칙을 따라. 태즈메이니아의 가장 키 큰 꽃 피는 나무인 마운틴 애시(Eucalyptus regnans)는 약 100 m까지 자라.