단풍은 식물의 잎에서 생리적 변화가 일어나 녹색의 잎이 적색, 황색, 갈색 등으로 변하는 현상을 말합니다. 은행잎이 노랗게 변하거나, 단풍나무잎이 빨갛게 되는 것뿐 아니라 보통의 잎사귀가 황갈색으로 변하는 것도 단풍이라 할 수 있습니다.
이처럼 다양한 색깔이 나타나는 것은 잎 속에 존재하는 색소가 다르기 때문입니다. 가을이 돼 기온이 내려가면 나무는 낙엽으로 잎을 떨어뜨려 건조한 기후와 추위에 견디기 위해 잎자루에 떨켜를 만듭니다. 이 때문에 잎에서 광합성으로 만들어진 탄수화물이나 아미노산이 줄기로 이동하지 못하고 잎에 축적돼 색소로 변하면서 색깔이 나타납니다.
붉은 잎은 녹색을 띠는 색소인 클로로필이 분해돼 붉은색 색소인 안토시안이 형성되면서 생깁니다. 노란 잎은 카로티노이드 색소에 의해 나타납니다.
카로티노이드 색소는 봄에 클로로필과 함께 만들어져 잎 속에 들어 있지만, 그 양이 적어 녹색에 가려있다가 가을에 클로로필이 분해되면 노란색을 나타내게 됩니다. 갈색 잎은 타닌성 물질에 의해서 나타납니다. 또한 붉은 잎에도 타닌성 물질과 카로티노이드 색소가 어느 정도 들어있어 다양한 색깔을 만들어 냅니다.
단풍이 드는 나무들은 모두 가을에 잎이 떨어지는 낙엽수들인데, 이와는 달리 사철 내내 푸른잎을 자랑하는 상록수도 있습니다. 상록수 중에서도 색깔이 변하는 종류가 있으나 대개의 상록수들은 낙엽수에 비해 잎이 두껍고 질겨 춥고 건조한 겨울을 무사히 지낼 수 있기에 낙엽을 만들지 않습니다.
추가내용
단풍색깔을 나타내는 색소는 노랗고 오렌지색을 띠는 카로티노이드(carotenoids)와 붉은색을 띠는 안토시아닌(anthocyanins) 색소이다.
잎이 노랗게 변하는 현상은 카로티노이드 색소에 의한 것이다. 노란 카로티노이드와 오렌지 카로티노이드는 잎에 항상 존재한다. 이른 봄, 어린 잎이 날 때부터 카로티노이드 색소가 만들어지는데, 여름에는 엽록소의 녹색으로 덮어 가려지기 때문에 그 색깔이 보이지 않는다. 이것이 가을이 깊어지면서 엽록소가 분해됨에 따라 노란색이 표면에 나타나는 것이다.
즉 가을이 되어 잎이 노화되어감에 따라 어떤 나무 종들의 녹색 엽록소는 파괴되기 때문에 숨어있던 오렌지색이나 노란색을 볼 수 있게 되는 것이다.
또한 노화는 북반구의 낮 길이가 짧아지면서 촉발된다. 가을의 따뜻한 날 동안 엽록소를 가지고 있는 잎은 여전히 광합성을 통해서 당을 합성할 수 있다. 밤 기온이 떨어지면 잎에서 일어나는 당의 이동은 느려지고 남아있는 당이 붉은 안토시아닌으로 전환된다. 잎의 색이 붉은 색으로 변하는 이유는 다음과 같은 세 가지가 있다.
[1] 어린 잎이 일시적으로 빨갛게 되었다가 잎이 성장함에 따라 빨간색이 없어지는 경우
[2] 잎의 성장 기간 내내 빨간색인 경우
[3] 낙엽 직전에만 발갛게 되는 경우
이 모두가 잎 속에 적색 색소인 안시토니안이 형성됨으로써 일어나는 현상이다.우선 [1]의 이유는, 갓나온 어린 잎은 엽록소를 만드는 세포 내의 구조가 완성되지 않았기 때문이다. 줄기로부터 당이 계속 보내져 오고, 또한 이것은 재료로 안토시아닌을 만든다. 안토시아닌은 자외선을 잘 흡수하는 성질을 갖고 있고, 또한 안토시아닌을 많이 가진 조직은 표피뿐이다. 때문에 연약한 어린 잎이 빨갛게 됨으로써 자외선의 해를 피하는 것이다. 잎이 성숙함에 따라 안토시아닌은 분해되어 소실된다.
[2]와 같은 식물로서는 예외적으로 자주색 양배추, 붉은 차조기잎, 베고니아 등이 있다. 이들 식물은 정상적인 녹색 종으로부터 변종인 경우가 많은데, 안토시아닌과 공존하는 엽록소에 의해 정상적인 광합성을 해 나간다.
[3]의 경우가 일반적으로 말하는 단풍이다. 보통 녹색 잎은 봄부터 여름에 걸쳐 광합성으로 당이나 전분 등의 물질을 만드는데, 가을이 되면 이 물질들은 줄기나 뿌리의 저장 기관으로 보내지게 된다. 그리고 가을이 깊어감에 따라 잎에서의 물질 합성 작용은 쇠퇴하고, 엽록소와 단백질 등이 분해되어 차츰 줄기나 뿌리 쪽으로 이동해 간다.
이윽고 앞 꼭지 기저부에 분리층이 생겨 물질이 지나다니던 길이 끊어지게 되므로 언제라도 나무에서 떨어질 수 있게 된다. 그 때문에 나머지 당의 축적이 일어나고, 이것이 안토시아닌의 생성으로 전용된다. 또한 엽록소가 붕괴하여 세포 내에 아미노산이 모이고, 안토시아닌의 생성이 촉진되기도 한다. 이것이 단풍현상의 메커니즘이다.
이러한 단풍의 가장 선명한 색은 낮에는 따뜻한 햇볕이 들고 밤이면 추운 날씨가 계속될 때 나타난다. 추우면서 비가 오는 날씨에는 잎이 충분히 단풍이 들기 전에 떨어지고 만다. 비와 바람이 낙엽이 빨리 지게 만들기 때문이다. 만약 숲의 가장자리를 유의해서 보면 태양에 더 많이 노출된 나무가 그늘진 곳의 나무보다 더 선명하게 단풍이 든 것을 볼 수 있다.
여름에도 잎을 단풍처럼 붉게 물들게 하는 방법은 없을까?
8월쯤 포도원에 가서 아직은 푸른 빛인 커다란 포도나무 잎의 한 복판에 있는 중앙 잎맥과 그 바로 옆을 면도칼로 일부 자른다. 2일쯤 후 가보면 상처가 있는 곳을 중심으로 잎맥 위쪽은 확실히 붉게 물들어 있지만, 밑 부분은 푸른 빛을 여전히 띤다. 왜 그럴까. 식물의 잎에서는 낮 동안 광합성 작용으로 포도당이 만들어지고, 여러 포도당은 녹말이나 셀룰로오스와 같은 거대한 분자로 바뀐다.
밤에는 낮에 생성된 녹말이나 셀룰로오스는 다시 포도당으로 변해 줄기나 뿌리로 이동해간다. 그러나 잎 복판의 중앙 잎맥을 잘라 놓으면 포도당의 이동통로가 끊어진다. 따라서 잘라진 중앙잎맥을 중심으로 윗부분에 생성된 포도당은 이동하지 못하기 때문에 잎의 윗 부분에 쌓이게 된다. 안토시아닌의 경우 색소화합물 구조 내에 당분자(포도당이나 갈락토오스)를 포함할 수 있는데, 이동하지 못해 축적된 포도당이 안토시아닌 구조에 결합된다.
이 안토시아닌은 15개의 탄소로 이루어진 플라보노이드계 화합물의 일종으로 이 기본 구조에 여러 당류(포도당, 갈락토오스 등)나 수산기(-OH) 혹은 메틸기(-CH3)와 같은 원자단이 붙어서 다양한 안토시아닌이 만들어지고 그에 따라 각기 조금씩 다른 색깔을 나타나게 되는 것이다. 따라서 붉은 색소의 형성을 촉진해 잎의 윗 부분이 붉어지게 된 것이다.
