방송통신대학교 - 재배식물생리학 요점 정리 - 4 물의 특성과 수분퍼텐셜

4. 물의 특성과 수분퍼텐셜

<학습개요>

-물은 물분자 간 수소결합으로 독특한 물리화학적 특징을 나타낸다. 이로 말미암아 식물은 형태와 체온을 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 양수분 흡수와 이동, 그리고 대사 작용 등을 수행할 수 있다. 식물체 내에서 수분의 이동 방식은 확산, 삼투, 집단류로 설명할 수 있다. 수분퍼텐셜은 일정 공간 내에서 물의 화학에너지의 기울기로 표현되며, 물은 수분퍼텐셜이 높은 데서 낮은 쪽으로 이동한다. 따라서 특정 공간에서 수분퍼텐셜에 대한 정확한 관측은 그 공간 속의 수분에 대한 이동방향 등에 대한 유용한 정보를 제공할 수 있다. 수분퍼텐셜은 삼투, 압력, 매트릭, 중력의 4가지 성분퍼텐셜로 구성되며, 각 성분 퍼텐셜은 조건에 따라 수분퍼텐셜에서 차지하는 중요도가 다르다.

 

<주요용어정리>

1. 극성 공유결합 : 전기 음성도가 다른 두 원자가 전자쌍을 공유하며 형성하는 결합. 전기 음성도가 다른 두 원자가 공유 결합을 하게 되면 전자가 한 원자 쪽으로 치우치게 된다.
2. 전기음성도(電氣陰性度, electron negativity) : 대전 원자들 사이에서 한 원자가 다른 원자의 전자를 끌어당기는 힘의 상대적인 크기. 원자는 전기적으로 중성이지만 공유결합 시 최외각전자의 일부가 전기음성도가 큰 쪽으로 치우치게 되면 대상 원자는 부분적으로 양전하(+) 또는 음전하(-)를 띠게 된다.
3. 쌍극성분자(쌍극자, 雙極子, bipole) : 전자가 한 방향으로 치우쳐 양극성과 음극성을 가지는 분자. 물분자가 대표적인 예이다.
4. 수소결합(水素結合, hydrogen bond) : 쌍극성 분자간 수소를 두고 형성된 분자 결합
5. 비열(比熱, specific heat) : 비열은 단위 질량의 어떤 물질의 온도를 단위 온도만큼 올리는 데 필요한 열량을 말한다. 물질마다 고유의 값이 있다. 일반적으로 쓰이는 비열의 단위인 cal/g·K 또는J/g·℃는 1g의 어떤 물체의 온도를 1℃(=K) 올리는 데 필요한 열량을 나타내는 단위다.
6. 잠열(潛熱, latent heat) : 온도가 변하지 않은 상태에서 물질의 상태가 변화될 때 흡수 및 방출 되는 열 ex) 증발잠열, 융해열
7. 수화각(水和殼, shell of hydration) : 전기적으로 하전된 이온이나 분자들을 용해시킬 때 극성을 띠는 물 분자가 그 주위를 둘러싼 모양. 이온 간의 결합을 막고, 고분자물질 간의 상호작용을 감소시키는 탁월한 용해성으로 물이 식물체내의 여러 대사작용을 가능케 한다.
8. 응집력(凝集力, cohesive force) : 같은 분자들 사이의 인력
9. 부착력(附着力, adhesive force) : 서로 다른 상태의 물질 사이에 작용하는 인력
10. 모세관현상(毛細管現象, capillary action) : 모세관을 액체 속에 넣었을 때, 관 속의 액면(液面)이 관 밖의 액면보다 높아지거나 낮아지는 현상. 분자 사이의 인력과 분자와 가느다란 관의 벽 사이에 작용하는, 서로 간의 부착력에 의해 가느다란 관을 채운 액체가 올라가거나 내려가는 현상을 말한다.

<목차>

01. 물의 물리화학적 특성
02. 물의 특성과 생리적 기능
03. 확산 , 삼투 및 집단류
04. 수분퍼텐셜의 이해

<학습목표>

1. 물의 물리화학적 특성과 식물체 내에서의 생리적 기능을 연관지어 이해한다
2. 수분의 이동 방식인 확산 , 삼투 , 집단류의 정의를 이해한다
3. 수분퍼텐셜의 개념을 이해하고 , 토양 식물 대기의 수분퍼텐셜의 차이를 설명할 수 있다
4. 수분퍼텐셜의 구성과 각 성분퍼텐셜의 상호관계에 대해 이해한다

1. 물의 물리화학

 

 

물의분자구조
물분자(H2O) : 극성공유결합 , 쌍극성분자 (쌍극자) 

 

 

 

 

 

수소결합 : 쌍극성 분자간 수소를 두고 형성된 분자 결합

 

물의 분자 간 결합 
수소 결합 형성 → 물의 물리화학적 특성을 지배

수소결합
: 쌍극성 분자간 수소를 두고 형성된 분자 결합

 

 

2. 물의 특성과 생리적 기능

* 물의 물리화학적 특성

① 물은 비등점이 높다
② 물은 비열과 잠열이 크다
③ 물은 탁월한 용해성을 갖는다
④ 물은 부착력과 응집력이 있다 

- 물은 비등점 (끓는점)이 높다
- 상온에서 액체 유지 , 부피의 불변성
- 식물의 생리적 기능 유지 가능
• 식물의 형태 유지
• 체내 물질의 이동과 대사작용
• 세포 팽창 , 팽압조절
• 세포 생장 , 식물운동조절

- 물은 비열과 잠열이 크다
비열 단위질량의 물질을 1 도 올리는데 필요한 열량 (J/g·잠열 물질의 상태가 변화될 때 흡수 및 방출 되는 열 ex) 증발잠열 , 융해열

* 생리적 효과
• 급격한 기온 상승 하강에 따른 체온변화 방지
• 식물체 체온 유지 증산작용

 

 

물은 탁월한 용해성을 갖는다
물의 쌍극성 → 이온 및 극성 화합물에 대해 수화각 형성
생리적 기능
• 무기양분과 광합성 산물의 분해 , 흡수 및 이동
• 체내의 각종 대사 작용을 원활케 한다

 

- 물은 부착력과 응집력이 있다
- 응집력 : 한 물질을 이루고 있는 분자들끼리 서로 잡아당기는 힘
- 부착력 : 서로 다른 상태의 물질 사이에 작용하는 인력
- 부착력과 응집력은 모세관현상의 원인

 

 

모세관현상

 

모세관현상 : 아주 가느다란 관을 물에 넣었을 때 물과 관 사이의 부착력과 물 분자 사이의 응집력이 작용하면서 물이 관 위로 이동하는 현상

 

 

 

- 식물 뿌리가 흡수한 대부분(97%) 물은 식물체 내로 수송되어 잎의 표면에서 증발된다 .
이러한 물의 증산은 CO2 흡수를 촉진하여 광합성을 용이하게 함 . 나머지는 식물에 잔류(2%) 되어 쓰이거나 대사에 이용 (1%)
- 증산은 수분상승의 구동력이 됨 . 또한 물의 응집력은 식물의 뿌리 끝에서 부터 줄기를 거쳐 잎의 엽육세포까지 하나의 물기둥을 유지 

 

 

3. 확산, 삼투 및 집단류

* 물의 3가지 이동방식
확산 (diffusion)
삼투 (osmosis)
집단류 (mass flow)

* 확산
- 분자들의 운동에너지에 의하여 임의의 방향으로 이동하는 현상
- 물의 확산 속도와 이동방향은 온도 , 압력 , 용질 , 흡착표면 등에 의해 결정
- 확산은 단거리 이동을 설명하는데 효과적

 

 

삼투

- 선택적 투과성막을 통한 물의 순이동 (확산) 
- 세포의 인지질 이중층에서의 물의 확산
• 용질의 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 이동

 

 

 

세포벽 (cellwall) 의 기능에 기여
• 식물체 지지 , 형태 유지 , 보호
• 세포 팽압에 대한 저항 벽압 작용
• 식물 운동 조절 팽압 변화 , 기공 개폐
• 벽공과 원형질연락사를 통한 물질 투과와 정보 교환

 

 

* 집단류 (mass flow) 
압력이 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 물분자의 집단 이동
예) 강물 , 수도관 , 증산작용

 

 

아쿠아포린은 세포막을 통한 물의 이동을 촉진
 단백질로 이루어진 구멍(pore)을 통한 물의 확산을 유도
 세포막과 액포막에서 관찰이 되며, 세포의 삼투적 특성을 조절

 

 

 

 

 

 

4. 수분퍼텐셜의 이해

수분퍼텐셜의 개념 물의 단위 부피 당 화학퍼텐셜 → 수분퍼텐셜

 

 

- 화학퍼텐셜(Gibbs free energy) : 계와 주위 사이의 경계를 넘어서 일에 사용될 수 있는 에너지의 척도

* 수분퍼텐셜의 이용
- 수분포텐셜은 물의 단위부피당 자유에너지의 척도 (압력의 단위와 동일 (pa)) 
- 두 지점의 수분퍼텐셜의 차로 수분의 이동 방향 등을 간편하게 설명 .
- 즉 , 수분은 퍼텐셜이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하고 , 평형상태에 도달하면 이동을 멈춤
- 이는 물의 형태가 변하는 것이 아니고, 에너지 상태가 변하는 것
- 수분의 함량 , 상태 및 이동방향에 대한 유용한 정보제공

 

수분퍼텐셜은 온도 , 압력 , 용질 등에 영향을 받는다 .

 

* 수분퍼텐셜의 구성
- 식물의 수분퍼텐셜에 영향을 미치는 주요 요소는 용질의 농도 , 압력 , 교질입자 , 중력임
- 수분퍼텐셜은 다음 식처럼 개별적인 성분의 합으로 구할 수 있음

수분퍼텐셜 (Ψ w ) = 삼투퍼텐셜 Ψ s +  압력퍼텐셜 Ψ p + 매트릭퍼텐셜Ψ m + 중력퍼텐셜 Ψ g

 

 

삼투 용질 퍼텐셜
용질의 농도에 영향을 받는 물의 퍼텐셜에너지이고 , Ψs 로 표기
용질의 농도는 물의 퍼텐셜에너지를 낮춰주고, 
순수한 물의 수분퍼텐셜은 0 이기에, 용질을 포함한 용액은 항상(-) 의 값을 가짐

 

* 삼투압 vs 삼투퍼텐셜 ?
삼투압은 반투막 계에서의 부피증가를 막는데 필요한 압력

- 삼투퍼텐셜은 물이 반투막에 유입 할 수 있게 하는 압력
- 삼투압은 물의 유입에 저항하는 압력
- 이 두 힘은 같은 값이지만 반대 방향성을 갖기 때문에 음수의 관계를 갖는다

 

 

* 압력퍼텐셜
정수압 (세포 안쪽에서 세포 바깥쪽으로 압력)에 의해 생기는 실제 압력
이를 세포의 팽압을 일으킴)
벽압과 팽압은 같은 값을 가지나 방향이 정반대 양수의 값만 갖고 (최저값은 0)

 

 

* 메트릭퍼텐셜
- 물분자와 이와 접촉하는 메트릭스 (토양입자 , 고형물질 , 세포벽 등 ) 간의 장력을제거하여 , 메트릭스에서 물분자를 떼어내는 데 들어가는 힘
- 메트릭스간의 장력이 작용하기 때문에(-) 의 값을 갖는다
- 식물, 종자발아시 수분흡수에 관여, 그 후는 식물세포에서의 수분퍼텐셜을 결정하는데 무시

* 중력퍼텐셜
- 수분이 갖는 위치에너지이며, 항상 존재
- 그러나 다른 3 개의 구성요소와 비교할 때 대개 작은 식물체에서는 중요하지 않지만 큰 나무에서는 중요할 수 있음
- 기준점 위는 양 , 아래는 음의 값을 가짐

* 성분퍼텐셜의 상호관계
수분퍼텐셜 = 중력 + 삼투 + 압력 + 매트릭퍼텐셜
식물체 → 삼투 , 압력퍼텐셜이 수분퍼텐셜을 지배
토양 → 압력 (포화토양), 매트릭퍼텐셜 (불포화토양)

 

 

토양수분함량과 매트릭퍼텐셜의 상호관계
토양수분이 5~10% 의 범위가 있을 때 수분퍼텐셜과 메트릭퍼텐셜이 지수적으로 높아짐

 

 

 

다양한 조건에서의 식물 수분퍼 텐셜 수준 변화

 

* 수분퍼텐셜의 측정
- 가압상법
- 조직무게변화 측정법
- 차르다코프 방법

 

 

* 가압상법
물관부의 삼투퍼텐셜은 0 으로 전제
물관부의 압력퍼텐셜은 수분퍼텐셜과 같음
절단했을 때 끌려 들어간 수분이 다시 빠져나올 때의 압력에 (-) 값이 식물체의 수분퍼텐셜임

 

 

 

* 조직무게변화측정법
조직의 무게와 부피에 변화가 없는 용액의 농도를 찾고 그 용액의 삼투퍼텐셜을 계산

 

* 조직무게변화측정법
: 조직무게의 변화가 0 인 지점의 만니톨 농도를 알아내어 용액의
삼투퍼텐셜 (Ψ s) 을 계산. 이때 Ψ p =0 이므로 Ψ s 기 Ψ w 이 됨

 

 

* 차르다코프방법 (chardakov method)
처리구에서 메틸렌블루 용액의 이동속도나 확산정도를 관찰하여 미세한 농도변화를 확인

* 차르다코프방법 (chardakov method): 결과
메틸렌 불루 용액방울이 제 위치에 머물러 있는 농도의 삼투퍼텐셜을 계산

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<확인문제>

1. 물의 물리화학적 특성을 지배하는 가장 중요한 물분자간 결합력은? (02, 05, 06년 기출문제)

① 중력 ② 공유결합 ③ 수소결합 ④ 반데르발스힘

③, 물분자 간에 중력, 판데르발스힘, 수소결합이 관여한다. 이 가운데 가장 크고 중요한 힘은 수소결합이다. 수소결합은 물분자의 극성공유결합으로 쌍극성을 띠기 때문에 일어나는 분자간의 약한 결합이다. 이 수소결합이 바로 물의 물리화학적 특성을 지배한다. 공유결합은 물분자 내에서 산소와 수소의 결합방식이다. (교과서 87-89쪽)

 

2. 물의 부착력과 응집력을 생기게 하는 가장 중요한 힘은? (07년 기출문제)

① 물 분자간 공유결합 ② 물 분자간 수소결합

③ 물 분자간 반데르발스힘 ④ 물 분자간 중력상호작용

②, 물 분자는 분자간에 수소결합을 하기 때문에 다른 물질과의 사이에 부착력이 생기고, 물분자 사이에는 응집력이 생긴다. (교과서 91-92쪽)

 

3. 다음 중에서 수분퍼텐셜을 나타내는 주 단위는? (00, 03, 04, 06년 기출문제)

① 칼로리(calorie) ② 지멘스(simens) ③ 파스칼(pascal) ④ 퍼텐셜(potential)

③, 보통 화학퍼텐셜은 에너지 단위인 J/mol로 표시되지만 수분퍼텐셜은 토양과 식물체의 수압이나 삼투압 등을 고려하여 압력단위인 바(bar) 또는 MPa을 이용한다. (교과서 96쪽)

 

4. 식물체 내에서 물의 이동을 가장 잘 설명하고 있는 것은? (02년 기출문제)

① 수분퍼텐셜이 높은 데서 낮은 데로 이동한다.

② 수분퍼텐셜이 낮은 데서 높은 데로 이동한다.

③ 수분퍼텐셜의 수준이 동일할 때 이동한다.

④ 물의 이동과 수분퍼텐셜과는 상관이 없다.

①, 수분은 집단류, 확산, 삼투현상 등으로 이동하는데, 이것은 결국 물이 갖는 화학퍼텐셜, 즉 수분퍼텐셜의 구배에 따라 일어나는 현상이다. 그 어떤 경우이든 물은 수분퍼텐셜이 높은 데서 낮은 쪽으로 이동한다. (교과서 94-97쪽)

 

5. 토양에서 식물체를 거쳐 대기 중으로 수분이 이동하고 있다. 수분퍼텐셜이 가장 낮은 것은? (01, 04, 05년 기출문제)

① 토양 수분 ② 뿌리 수분 ③ 줄기 수분 ④ 잎의 수분

④, 식물체에서 증산작용이 활발하다는 것은 수분이 토양에서 식물체를 거쳐 공기 중으로 계속해서 이동하고 있다는 것을 의미한다. 그리고 수분의 이동은 수분퍼텐셜이 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 이루어지기 때문에 수분퍼텐셜은 뿌리, 줄기, 잎의 순으로 낮아진다고 봐야 한다. (교과서 97쪽)

 

6. 식물의 수분퍼텐셜 측정과 관계가 없는 것은? (07년 기출문제)

① 가압상법 ② 조직무게변화측정법  ③ 차르다코프방법 ④ 아베나굴곡시험법

④, 식물체의 수분퍼텐셜을 정확히 측정하는 것은 식물의 수분생리 연구에 매우 중요하다. 측정방법으로 가압상법, 조직무게변화측정법, 차르다코프 방법이 있고 그 밖에도 증기압법, 빙점강하법, 노점식방법 등이 있다. 아베나굴곡시험법은 식물체에 들어 있는 옥신 농도의 생물검정법이다. (교과서 103쪽)

 

7. 식물의 수분생리연구에서 가압상법으로 측정할 수 있는 것은? (01, 05년 기출문제)

① 토양의 수분퍼텐셜 ② 뿌리의 수분흡수량  ③ 식물체의 수분퍼텐셜 ④ 식물체의 증산계수

③, 가압상법은 한마디로 식물체의 수분퍼텐셜을 측정하는 방법이다. 압력을 가할 수 있는 상자를 마련하고 그 안에 식물체를 넣되, 엽병 또는 잎줄기의 절단면만을 밖으로 노출시킨다. 그리고 압력을 가하면 식물체 안의 수분이 밖으로 밀려나오는데 이때의 압력을 측정하여 식물체 내의 수분퍼텐셜을 측정하는 것이다. (교과서 103쪽)

 

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