빨간 단풍과 노란 은행은 같은 일이 아니다 — 잎이 물드는 두 가지 방식

10월 말, 같은 거리에서 두 나무를 봅니다. 한쪽은 단풍나무가 빨갛습니다. 다른 쪽은 은행나무가 노랗습니다. 둘 다 '가을이 왔다'는 신호입니다. 그런데 이 두 색은 만들어지는 과정이 완전히 다릅니다.

한쪽은 원래 있던 색이 드러나는 것이고, 다른 쪽은 새로 만드는 것입니다. 같은 계절, 같은 현상처럼 보이지만 생화학적으로는 정반대입니다.

여름 잎이 초록인 이유

잎의 초록색은 엽록소(chlorophyll) 때문입니다. 이 색소는 빛을 흡수해 당을 만드는 광합성의 핵심 장치입니다. 잎 안에서 엽록체의 틸라코이드 막에 붙어 있고, 빛수확 복합체(LHC II)의 일부로 배열됩니다.

중요한 것은 엽록소가 계속 부서진다는 점입니다. 빛에 노출되면 광표백(photobleaching)으로 분해됩니다. 그래서 나무는 계속 새로 만들어 공급을 유지합니다. 여름 내내 만들기와 부수기가 균형을 이루기 때문에 잎이 초록으로 보입니다.

그런데 초록은 다른 색을 덮고 있는 색이기도 합니다. 잎에는 원래부터 카로티노이드(carotenoid)가 들어 있습니다. 노란 잔토필(xanthophyll)과 주황색 베타카로틴입니다. 이 색소들은 여름 동안 엽록소의 강한 초록에 가려져 보이지 않습니다.

노란 은행잎. 이 색은 여름부터 잎에 있었고, 엽록소가 빠지면서 드러난 것입니다. — CC BY-SA 4.0 (Wikimedia Commons)

9월, 나무가 철수 결정을 내린다

늦여름이 지나면 낮의 길이가 짧아지고 기온이 내려갑니다. 나무는 잎에 투자한 영양분을 회수하기 시작합니다. 이것을 노화(senescence)라고 부릅니다.

엽록소가 분해되면 무색의 테트라피롤, 즉 비형광 엽록소 분해산물로 바뀝니다. 초록이 사라지는 것입니다. 그리고 가려져 있던 노란 카로티노이드가 드러납니다.

즉 노란 단풍은 '새로 생긴 것'이 아닙니다. 여름 내내 잎 안에 있었는데 초록에 묻혀 있던 색입니다. 은행나무의 노랑은 가장 오래 준비된 색입니다.

그런데 빨강은 다르다

여기가 이 글의 핵심입니다. 안토시아닌(anthocyanin)은 다릅니다. 이 색소는 가을에 새로 합성됩니다. 잎이 지기 직전에, 나무가 에너지를 들여 새로 만드는 물질입니다.

붉게 물든 단풍나무 잎. 빨강은 가을에 나무가 새로 합성한 안토시아닌입니다. — CC BY-SA 4.0 (Wikimedia Commons)

이상합니다. 곧 버릴 잎에 왜 새로 투자할까요. 이 질문이 식물학에서 오래 논쟁이었습니다.

가설 1: 잎을 '선크림'으로 덮는다

가장 널리 지지받는 설명은 광보호설(photoprotection theory)입니다.

가을이 되면 저온과 강한 빛이 동시에 찾아옵니다. 이 조합은 잎에 나쁩니다. 빛을 받으면 광산화(photo-oxidation)와 광저해(photoinhibition)가 일어나 엽록체가 손상됩니다. 그런데 나무는 그 시점에 질소를 회수하는 중입니다.

문제는 손상이 회수를 방해한다는 것입니다. 그래서 나무는 안토시아닌으로 잎을 덮어 빛을 차단합니다. 즉 회수 작업을 안전하게 끝내기 위한 방패입니다. 안토시아닌은 남는 잎을 위한 것이 아니라, 떠나는 잎에서 빼낼 것을 지키는 장치입니다.

가설 2: 곤충에게 보내는 경고

또 하나의 설명은 공진화설(coevolution theory)입니다. 빨간색이 곤충에 대한 경고 신호라는 것입니다.

진딧물 같은 곤충은 나무를 겨울 숙주로 씁니다. 이때 나뭇잎 색이 화학적 방어 물질의 양과 연결되어 있다면, 곤충은 빨간 잎을 피하고 대신 다른 나무로 갈 것입니다. 즉 빨강은 '여기엔 방어 물질이 많다'는 표지판입니다.

다만 이 가설은 광보호설보다 지지가 약합니다. 모든 빨간 단풍이 곤충과의 관계로 설명되지는 않기 때문입니다. 두 가설이 배타적이지 않을 수 있다는 것이 현재의 조심스러운 입장입니다.

반전: 단풍은 '겨울 때문'만은 아니다

낙엽을 설명할 때 흔히 '겨울에는 광합성이 비효율적이라 잎을 버린다'고 말합니다. 그런데 이 설명은 너무 단순합니다.

실제로는 여러 요인이 함께 작용합니다. 곤충의 섭식, 수분 손실, 강풍과 눈의 무게로 인한 손상 등입니다. 즉 낙엽은 '겨울이 어두워서'가 아니라 '겨울을 버티는 비용이 잎을 유지하는 이익보다 커져서' 일어납니다. 비용과 이익의 계산인 셈입니다.

잎이 떨어지는 마지막 절차

색이 바뀌는 동안 잎자루에서는 이층(abscission layer)이 만들어집니다. 코르크 세포층이 잎자루 밑동에 생기면서 물과 무기질이 오가는 관을 점차 막습니다.

이 과정이 끝나면 잎은 스스로 떨어집니다. 즉 낙엽은 '떨어지는 것'이 아니라 '나무가 떼어내는 것'입니다. 바람이 불어서가 아니라, 미리 준비된 절단선이 열리는 것입니다.

단풍의 세 가지 색을 정리하면

노랑·주황 — 카로티노이드. 여름부터 있던 색. 엽록소가 빠지면서 드러남.
빨강·자주 — 안토시아닌. 가을에 새로 합성. 나무가 에너지를 들여 만듦.
갈색 — 퀴논의 중합, 또는 초록과 빨강이 겹친 중간 단계.

즉 노란 잎은 '덜 익은 상태'이고, 빨간 잎은 '추가 투자'입니다. 같은 가을 풍경인데 한쪽은 회계를 닫는 중이고, 다른 쪽은 마지막으로 지출하고 있습니다.

그래서 단풍이 아름다운 이유

단풍이 아름다운 것은 우연이 아닙니다. 나무가 영양분을 지키려는 계산의 부산물이고, 그 계산은 수억 년의 시행착오로 다듬어졌습니다.

그리고 그 계산이 우리 눈에는 아름다움으로 보입니다. 나무의 입장에서는 구조 작업이고, 우리 입장에서는 색의 축제입니다. 같은 현상을 두 관점에서 보는 것입니다.

여러분에게

오늘 길에서 단풍을 보시면 한 가지 실험을 해보세요. 노란 잎과 빨간 잎을 하나씩 주워서 나란히 놓고 보는 것입니다.

노란 잎은 여름부터 그 자리에 있던 색입니다. 빨간 잎은 지난 몇 주 사이에 나무가 새로 만들어 넣은 색입니다. 같은 계절이지만 한쪽은 철수, 다른 쪽은 투자입니다.

여러분은 어느 쪽이 더 마음에 드시나요. 그리고 혹시 '떠나기 전에 마지막으로 무언가를 더하는' 쪽에 마음이 간다면, 그건 아마 사람도 비슷하기 때문일 겁니다.

참고 자료

• 엽록소(chlorophyll) — 엽록체 틸라코이드 막의 빛수확 복합체(LHC II) 구성 성분. 광표백으로 계속 분해되며 여름에는 재합성으로 균형 유지
• 카로티노이드 — 잔토필(노랑)·베타카로틴(주황). 여름부터 잎에 존재하며 엽록소의 초록에 가려짐. 약 15~30퍼센트 수종에서 우세 색소
• 안토시아닌 — 가을에 능동적으로 새로 합성. 엽록소 분해산물은 무색 테트라피롤(비형광 엽록소 분해산물)
• 광보호설 — 저온·강광의 광산화·광저해를 막아 질소 등 영양분 회수 효율을 높인다는 설명
• 공진화설 — 빨간색이 화학적 방어 물질량과 연관된 곤충 회피 신호라는 설명. 광보호설보다 지지가 약함
• 낙엽 원인 — 겨울 광량 부족만이 아니라 곤충 섭식, 수분 손실, 강풍·적설 손상 등 복합 요인
• 이층(abscission layer) — 잎자루 밑동의 코르크 세포층이 수분·무기질 통로를 막고 잎을 분리
• 본 글은 공개된 식물생리학 설명을 정리한 것이며, 안토시아닌 기능에는 여전히 진행 중인 논쟁이 있습니다.