여름이 끝나고 가을이 시작되면 들판에 어김없이 국화꽃이 피어납니다.
대부분 식물들은 봄 또는 여름 전에 꽃을 피워 번식하는데, 국화는 왜 추워지기 시작하는 가을에 꽃을 피울까요?
국화과에 속하는 식물의 특징은 두상화를 가지고 있다는 것입니다. 머리 모양의 꽃이라는 뜻인데, 보통 꽃이 줄기나 가지 끝에 한 송이씩 달리기 때문입니다. 그리고 두상화는 혀꽃(설상화, 둘레에 길게 나 있는 꽃)과 통꽃(관상화, 가운데 모여 있는 작은 꽃) 두 가지 종류가 모여 큼직한 한 송이의 꽃처럼 보입니다. 그러니까 국화과의 꽃은 여러 개의 꽃들이 모여 머리 모양을 만드는 것이지요.
꽃은 번식(수분)의 매개동물을 유인하기 위해 꽃을 피웁니다. 국화과 식물은 여러 개의 관상화와 설상화가 모여 꽃을 피운다고 했지요. 여러 송이의 꽃이 모여 피면 꽃이 크고 화려해 더욱 쉽게 벌, 나비 등의 눈에 띌 수 있고, 관상화들의 꿀을 먹기 위해 한 번 방문한 매개곤충을 오래 머무르게 할 수 있어 더욱 효율적입니다. 국화과의 꽃들은 통꽃인데, 꽃의 형태가 갈래꽃이면 곤충이 쉽게 빠져나갈 수 있기 때문에 곤충을 오래 머무르게 하기 위해 통꽃 형태로 진화했다는 이론도 있습니다.
또한 국화는 동양에서 재배하는 관상식물 중 가장 역사가 오랜 꽃이며 또한 줄기가 목질화 되어있고 겨울이면 그 줄기가 말라 죽으면서 뿌리로 월동하는 식물입니다. 뿌리로 월동한다는 것은 종자(씨앗)의 형태로 월동하는 것보다 효과적이며 발달된 식물에게서 찾을 수 있는 현상이죠.
이런 과정으로 진화해온 국화가 어떻게 가을에 꽃을 피우게 되었는지, 이유를 살펴보았습니다.
1. 광주기와 개화
사람에게 생체시계가 있듯이 식물도 24시간을 주기로 돌아가는 생물시계를 가지고 있습니다. 식물들 스스로 기온과 낮의 길이 변화를 인지하면서 계절의 변화를 알 수 있는 것이지요.
식물은 일 년 중 낮(명)과 밤(암)의 상대적 길이를 측정하여 꽃을 피우는 시기를 결정합니다. 이 때 낮과 밤, 즉 하루 24시간 중 명암의 상대적인 길이를 광주기(光周期)라고 한다.
미국 농무성 연구소에서 일한 해리 가나와 와시트만 샐러드 박사는 자연적으로 발생한 메릴랜드 매머드 담배의 돌연변이를 이용해 담배가 낮이 짧아질 때만 꽃을 피우는 사실을 발견하였다. 이후 과학자들은 식물이 어떤 광주기일 때 꽃을 피우는지 실험하게 되었고 그 결과는 아래 표와 같다.
| 개화 시기 | 분류 | 계절 | 예시 |
| 낮이 길어질 때 개화 | 장일식물 | 봄 | 개나리, 진달래 등 |
| 낮이 짧아질 때 개화 | 단일식물 | 가을 | 코스모스, 국화 등 |
| 광주기와 상관없이 개화 | 중일식물 | 관련 없음 | 토마토, 오이 등 |
1938년에는 햄너와 보너라는 과학자가 암기(밤)의 길이가 꽃을 피우는데 결정적으로 작용한다는 가설을 세우고, 광중단을 가하는 실험을 해보았다고 합니다. '광중단'이란 암기 도중에 1분 정도의 짧은 시간 동안 약한 불빛을 쬐어주어 암기를 방해하고 명기 도중에는 반대로 잠시 불빛을 차단해 명기를 방해해주는 것입니다. 즉, 연속적인 암기가 장일식물의 경우 개화 억제를, 단일식물의 경우에는 개화 촉진을 일으킨다는 사실이 확인된 것입니다.
그렇다면 왜 식물에게 밤이 필요할까요? 식물의 엽록체에서 공기중의 CO2와 뿌리에서 빨아들인 물(H2O)이 태양 에너지를 이용하여 포도당으로 합성하고 남는 산소(O2)를 공기중에 배출하는 작용을 하는데 이것이 광합성 작용입니다. 엽록체 안에는 녹색의 엽록소라는 물질이 있어 태양 에너지를 광합성 작용에 필요한 화학 에너지로 변환하는 작용을 합니다. 이렇게 빛이 있는 동안에 만든 영양분(당분)을 저장했다가 빛이 없는 밤에는 반대로 이 당분을 분해하여 식물에 필요한 에너지를 얻는 호흡작용을 하게 됩니다.
▶국화과 식물은 여러 송이의 꽃을 피우고 유지하기 때문에 에너지가 많이 필요합니다. 그래서 밤에 호흡과 휴식을 하며 충분한 에너지를 얻기 위해 긴 밤을 필요로 하는 것이 아닐까요? 때문에 밤의 시간이 길어지는 가을에 꽃을 피우게끔 진화한 것이라 추측해봅니다.
2. 온도와 개화
광주기 외에도 개화 시기에 영향을 미치는 다른 환경요인은 온도입니다. 특히 밀, 보리처럼 겨울에 자라는 식물은 긴 겨울을 거치치 않으면 꽃이 피지 못합니다.
일부 2년생과 다년생 식물은 겨울에 일정 정도로 온도가 낮지 않으면 봄이 오더라도 줄기에서 꽃이 형성되지 않는데 이러한 식물의 특성을 이용한 것이 춘화처리입니다. 춘화처리란 개화를 위해 식물을 낮은 온도로 자극하는 것을 말합니다. 다만 춘화처리만으로는 꽃이 필 수 없고 이후에 꼭 장일 조건이 충족되어야 꽃이 핀다고 하네요. 춘화처리가 필요한 식물들은 개화 저해제 유전자를 가지고 있는데 일정 기간의 저온 처리를 거쳐야 이 유전자의 발현이 억제된다고 합니다.
- 관련 연구자료
밤과 낮이 뒤바뀌면 신체 내 생체시계가 교란되면서 실제로 세포 노화는 빨라진다는 연구결과들이 있습니다. 사람 뿐만 아니라 식물도 낮과 밤이 뒤집히면 빨리 늙는다는 사실을 국내 연구진이 밝혀냈어요.
기초과학연구원(IBS) 식물 노화·수명 연구단은 식물이 하루 24시간을 인지하도록 하는 일(日)주기 생체시계 유전자가 잎의 노화에 직접적인 영향을 미친다는 사실을 규명했다. 식물의 일주기 생체시계 시스템은 언제 잎을 펼칠지, 꽃을 피울지 등 식물의 삶에 있어서 중요한 시기를 결정한다. 일주기 생체시계 시스템에 문제가 발생할 경우 잎이나 꽃이 나오는 시기가 빨라지거나 느려지거나 해 열매를 채취하는데 문제가 발생하기도 한다.
가을에 심는 구근과 보리, 밀과 같은 작물은 뿌리만 내리고, 보리와 밀은 약간 생장 후에 겨울을 맞이하게 되는데 이 시기의 저온으로 화아가 분화하여 봄에 개화를 하게 됩니다. 이렇게 겨울에 저온처리가 되지않으면 꽃이 피지않습니다.
▶ 위의 사례처럼 국화과 식물도 꽃을 피우기 위해 일정 기간의 저온이 필요한 것이 아닐까 추측합니다. 땅 속은 땅 위보다 일정한 온도유지가 잘 이루어지므로, 뿌리 상태로 땅 속에서 월동하면서 일정한 저온에 지속적으로 노출되는 것이 개화에 영향을 주는 것 같습니다.
3. 식물호르몬(phytohormone)
식물호르몬은 언제 잎을 내밀어야 하고, 언제 꽃을 피워야 하며, 열매는 언제 어떤 색깔과 모양과 크기로 만들 것인가 하는 모든 조정을 담당합니다. 이 물질은 어떤 모양으로 어느 정도 크기까지 자라야 하는지를 조정하며, 식물의 생장을 담당하고 잎의 분화와 가지의 분화 및 식물의 생리적 현상에 영향을 끼치기 때문에 식물에게 아주 중요한 성분입니다.
이 식물호르몬은 유기물로서 일정한 곳에서 생산이 되어 필요한 곳으로 이동되어 그곳에서 식물의 생리적인 반응을 끌어내 우리가 보는 바로 그런 외형으로 나타내게 한다. 또한, 이 식물호르몬은 아주 소량으로 식물 체내에 존재하며, 그 소량으로 거대한 나무를 조정하는 놀라운 화합물이다. 간단히 말하면 식물호르몬은 외부 환경의 변화를 통해 자극을 감지하고 이 자극을 내적으로 각 부위에 연락하여 공통적인 대책을 마련하는 기능을 가진다고 할 수 있다. (숲해설가전문과정 1권 254~255쪽 발췌)
(1) FT단백질, 플로리겐
식물들이 꽃을 피우게 되는 것은 스스로 광주기와 온도를 인지할 수 있기 때문인 것입니다.1900년대 초기에 개화를 연구하던 식물생리학자들은 광주기와 온도에 맞춰 개화를 유도하는 호르몬이 있을 것으로 생각했습니다.
1930년, 러시아 과학자 차일리키얀은 온도와 광주기에 반응해 개화를 유도하는 호르몬의 이름을 ‘플로리겐’이라고 하였다. 플로리겐은 식물 체내에서 분화를 촉진하는데 '꽃눈형성호르몬'이라고도 하며 잎에서 만들어져 체관을 통해 이동하여 꽃눈 형성을 자극하므로 개화에 관련된 호르몬입니다. 식물에 관여하는 다양한 호르몬들은 각각 단독으로 작용하는 것이 아니라 여러 가지 호르몬들이 특정한 상황에서 함께 작용하여 식물 체내에 다양한 생리적 작용을 일으킵니다.
이와 관련된 연구결과를 살펴볼까요? 1995년 독일과 일본의 연구자가 FT(Flowering Locus T)유전자를 발견했습니다. 그들은 FT유전자가 FT단백질을 만들어 내고, 이 단백질의 일부가 개화 호르몬으로 작용할 것이라고 생각했지요. 이후 2003년 FT유전자가 관다발에서 발현된다는 것이 입증됐고, 2007년 FT단백질이 플로리겐임을 입증하는 연구 결과가 나왔습니다.
2012년에는 싱가포르국립대 유하오 교수팀은 식물의 잎에서 만들어진 FT단백질이 FTIP1이라는 이동단백질을 만나 생장점으로 전달돼야 꽃이 핀다 는 사실을 알아냈습니다. 또 2013년 개화 시기를 조절하기 위해 GI(Gigantia, 자이겐티아) 단백질이 낮에는 골고루 퍼지고, 밤에는 핵체에 밀집하는 형태로 변화한다는 연구 결과도 나왔습니다. 같은 해 대기의 온도 변화를 인지하는 FLM(Flowering Locus M)유전자가 발견됐다. 기온이 섭씨 20도 이하로 낮아지면 이 유전자가 대기의 온도 변화를 감지하는 SVP(Short Vegetative Phase)단백질과 결합해, 개화 촉진 유전자의 발현을 억제해 개화를 늦춘다는 것입니다.
(2) 색소단백질, 피토크롬
식물의 잎에는 광선을 흡수하는 피토크롬(phytochrome)이라는 색소단백질이 있습니다. 식물의 잎에서 낮의 길이를 감지해 FT 단백질이 만들어지고, 이것이 생장점으로 이동해 개화를 유도한다는 연구 결과가 발표됐습니다. 그리고 식물이 생체 리듬을 24시간 주기로 맞춰 광합성 시간이나 개화의 시기를 결정하는 유전자 피오나1(FIONA-1)이 발견됐습니다. 장일식물은 짧은 밤이 계속되면 꽃눈이 형성되는 식물이고, 반대로 단일식물은 긴 밤이 계속되면 꽃눈이 형성되는 식물이라고 할 수 있습니다.
4. 매개곤충
찌는 듯한 무더위를 피해 날개를 접고 쉬던 멧노랑나비, 각시멧노랑나비 등이 오랜 휴식에서 깨어나 풍성한 가을 바람을 따라 이 꽃 저 꽃으로 신나게 날아다닙니다. 네발나비, 산네발나비는 짙은 빛깔로 새롭게 단장하고 부지런히 가을산과 들을 누비지요. 가을의 나비는 날개나 몸의 빛깔이 가을에 알맞게 된 경우가 많다고 합니다. 주변 환경에 적응하게끔 여름보다 색깔이 더 짙어지거나 갈색으로 변한 것이지요.
한국환경생태학회지에 발표된 논문 <우리나라 국화과 식물의 화기구조와 방화 곤충 연구> (2012)에서는 우리나라에 생육하는 국화과 식물들의 화기구조와 화분매개충의 상호관련성을 밝히고자, 2010년 4월부터 2011년 10월까지 꽃을 찾는 곤충들을 조사였으며 꽃들의 화기구조를 관찰하였습니다. 나비목 곤충이 38, 꽃등에과를 비롯한 파리목 곤충의 방화빈도 등급의 합이 38, 벌목 곤충들이 36의 높은 방화빈도를 보였다. 꽃무지과를 비롯한 딱정벌레목의 방화빈도 등급의 합이 6으로 가장 낮았습니다.
국화과 식물의 매개충을 조사한 결과 나비, 벌, 파리목들이 가장 관여를 많이 하였으며 딱정벌레목이 제일 미비하였는데요. 곤충들이 봄에만 활동한다면 가을에 꽃을 피운 국화가 수분을 할 수 없겠지요. 늦여름과 가을에 활동하는 나비들을 살펴보았습니다.
(1) 여름, 가을 성충
여름에 성충이 되는 나비는 애벌레 시기에 풍부한 먹이를 섭취할 수 있습니다. 여름철이 나비에게 활동하기 가장 좋은 시기로 개체수가 가장 많다. 수노랑나비, 왕오색나비, 은판나비는 애벌레로 월동하여 여름에 활동합니다.
(2) 여름, 가을, 겨울 성충
멧노랑나비와 네발나비, 청띠신선나비는 성충으로 월동하고 여름에 휴면기를 가집니다. 성충으로 오랜기간 활동해야 하는 나비들에게는 더운 계절의 에너지 낭비가 큰 고통거리이기 때문입니다. 네발나비와 청띠신선나비는 여름형,가을형 성충이 있습니다.
멧노랑나비 성충은 연 1회 발생하고, 6-7월경에 우화한 개체는 한여름에는 휴면하고 9월경에 다시 활동하다가 추운 겨울이 되면 그대로 동면합니다. 엉겅퀴, 유채, 개망초 등 각종 꽃에 날아 꿀을 빨지요. 성충의 수명은 10개월 정도로 대단히 긴 편입니다. 4월경에 교미를 마친 암컷은 5월에 애벌레의 먹이식물인 갈매나무의 잎 앞면이나 줄기에 알을 한 개씩 낳습니다.
▶ 국화과 꽃은 나비가 앉기 좋은 꽃차례를 띄고 있으며 나비의 주먹이인 꿀을 가지고 있습니다. 국화과 꽃은 ‘여름에 비해 곤충의 활동이 적지만 특정 나비가 활동하며, 그만큼 꽃을 피우는 식물도 적은’ 틈새시장 가을을 이용해 번식하려는 생존전략이 아닐까싶습니다.
5. 틈새를 노린 국화
날씨가 점점 추워지고 해가 짧아지는 가을에는 활엽수 잎이 집니다. 따라서 초본층에는 가을에 햇볕이 더 많이 들어오는 것이 아닐까요? 또한, 가을에는 다른 초본류도 봄이나 여름만큼 크게 자라지 않은 상태이며, 동면을 준비하는 식물이 많으므로 경쟁이 좀 더 느슨하지 않을까요? 꽃을 피우는 것은 상당한 에너지를 소모하는 일인데, 가을이라는 틈새시장이 오히려 유리할 수 있다는 생각이 듭니다.
또한, 가을에 꽃을 피우고 씨앗이 생기면 추워지는 날씨를 씨앗이 견뎌야 하는데, 반대로 생각해보면 추운 겨울에는 씨앗이 희귀하기 때문에 동물들이 국화의 씨앗을 찾아서 먹고 잘 번식시켜주지 않을까요? 가을에 꽃을 피우는 식물이 많지 않기 때문에, 곤충들의 눈에도 더 쉽게 띄므로 진화과정에서 유리했을 것 같아요.
우리나라에서 발견된 구석기 시대 인골인 흥수아이 옆에서도 국화꽃이 놓여 있던 흔적이 있습니다. 지금도 그렇지만 예전부터 사람의 죽음을 애도하는 용도로 국화꽃이 쓰이곤 했는데, 가을에 홀로 피는 국화꽃처럼 저승길을 혼자서라도 잘 걸어가라는 의미가 아닐까요?
6. 상상으로 덧붙여보는 국화 이야기
(1) 가을에 꽃을 피우고, 씨앗을 퍼뜨릴 수 있도록 진화
"모든 식물이 봄에 꽃을 피우던 머나먼 옛날, 하늘에 구름이 많이 끼고 추운 날이 지속되는 일이 일어났어요. 다른 식물들은 추워서 몸을 웅크리고 있을 때, 씩씩하게 꽃을 피운 돌연변이가 있었어요. 그해에도, 그 다음해에도 추운 날씨는 이어졌고, 돌연변이는 추운 날 꽃을 피우는 데 익숙해졌답니다. 더 많은 곤충들이 머물다 갈 수 있도록 꽃의 갯수를 늘려서 설상화가 되기로 했어요. 이후에 다시 봄이 따뜻해졌지만, 돌연변이는 추워지는 가을을 기다렸다가 꽃을 피우게 되었답니다. "
(2) 다양성
"사람도 저마다 인생꽃을 피우는 전성기가 다르지요. 식물들도 각자 살아가는 방식을 터득하여 다양하게 살아가고 있답니다. 똑같은 시기에 꽃을 피우면 경쟁이 치열하고 위기상황에 대응하기 어렵잖아요. 혹시, 여러분 가운데 아직 꽃을 못 피워서 슬퍼하고 계신 분이 있나요? 다른 사람들이 일찍 꽃을 피우는 걸 보더라도 너무 걱정하지 마세요. 아직 때가 아닌가보다. 국화처럼 가을에 예쁜 꽃일 피울 수도 있으니까요."
(3) 긍정의 힘
"식물에게 "좋아해"라고 해주면 잘 살고 "싫어해"하면 시드는 실험 결과에 대해 들어보신 적이 있나요? 낙엽이 지는 가을에 국화가 알록달록한 색깔의 꽃을 피웠을 때 동물과 곤충들이 얼마나 반가웠을까요? 많은 생명들에게 사랑을 듬뿍 받은 국화가 가을에 꽃을 피우게 된 것은 아닐까요? 곁에 살아가는 생명들에게 사랑한다, 고맙다는 말 전해주며 어울려 살아요 우리."
(4) 신이 마지막에 만든 꽃
"여러분, 신이 이 세상을 만들 때 가장 마지막에 만든 꽃이 무엇인 줄 아시나요? 바로 국화입니다. 겨울을 나기 위해 다른 생명들이 꽁꽁 숨는 가을에도 이 세상에 꽃향기가 퍼지도록 하기 위해서래요. 힘들고 지치는 날에도 우리 주변에는 향기로운 존재들이 있을 거에요. 여러분도 언제 어디서나 작은 향기를 찾아 행복을 누리시길 바랍니다."
(5) 죽은 사람의 넋을 기리는 꽃
"예로부터 죽은 이들에게 꽃을 주어 가는 길을 위로했다고 해요. 따뜻할 때는 꽃이 많아서 괜찮지만, 만약 추운 계절에 꽃이 하나도 없다면 추운 날 죽은 이들이 쓸쓸했겠지요? 그런 이들을 위로하기 위하여 국화가 존재하는 것은 아닐까요."
참고 자료 『한국식물생태보감』, 김종원, 자연과생태
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