기후변화, 탄소 포집하는 목재 발견하다.

 

야기엘로니안 대학교와 케임브리지 대학교의 과학자들은 세계에서 가장 상징적인 나무와 관목의 미세 구조에 대한 진화적 조사를 수행하는 동안 완전히 새로운 유형의 목재를 발견했다. 그들은 100피트 이상 자랄 수 있는 목련의 친척인 튤립나무가 경재나 침엽수 어느 범주에도 속하지 않는 독특한 유형의 목재를 가지고 있다는 것을 발견했다.

이 획기적인 발견은 장식용 정원에서 흔히 볼 수 있는 빠르게 자라는 나무를 심어 농장 숲에서 탄소 격리를 개선할 수 있는 새로운 기회를 열어줄 수 있다.

크라이오-SEM으로 관찰한 리리오덴드론 튜플리페라(Liriodendron tulipifera) 목재 초미세 구조는 확대된 거대섬유 구조를 보여준다. 출처: Jan J Lyczakowski 및 Raymond Wightman

 

목재 구조의 새로운 발견

최근 New Phytologist에 게재된 연구에서 과학자들은 저온 주사 전자 현미경(cryo-SEM)을 사용하여 본래 수화된 상태의 2차 세포벽(목재)의 나노스케일 구조를 이미지화했다.

그들은 고대 리리오덴드론(Liriodendron) 속의 두 살아남은 종, 흔히 튤립나무(Liriodendron tulipifera)와 중국 튤립나무(Liriodendron chinense)가 단단한 나무 친척보다 훨씬 큰 거대섬유를 가지고 있다는 것을 발견했다(거대섬유는 2차 세포벽에 층으로 정렬된 긴 섬유이다).

 

튤립나무(Liriodendron tulipifera), 암보렐라(Amborella trichopoda), 관절 전나무(Gnetum edule)의 목재 미세구조를 크라이오-SEM에서 x1000 및 x50,000 배율로 관찰한 모습. 목재 세포와 세포벽은 낮은 배율에서 볼 수 있다. 거대섬유는 높은 배율에서 볼 수 있다. 출처: Jan J Lyczakowski 및 Raymond Wightman

 

탄소 포집에 대한 의미

이 논문의 주저자인 야기에우로니아 대학교의 얀 리차코프스키 박사는 "우리는 리리오덴드론이 침엽수나 경엽수와 상당히 다른 중간 거대섬유 구조를 가지고 있음을 보여준다. 리리오덴드론은 약 3천만~5천만 년 전에 목련나무에서 갈라져 나왔으며, 이는 대기 CO2의 급격한 감소와 일치했다. 이는 튤립나무가 탄소 저장에 매우 효과적인 이유를 설명하는 데 도움이 될 수 있다."고 말했다.

연구팀은 이 "중간나무" 또는 "축적나무"의 더 큰 미세섬유가 튤립나무의 빠른 성장의 원인이라고 의심한다.

 

리차코프스키는 "두 튤립나무 종 모두 탄소를 고정하는 데 매우 효율적인 것으로 알려져 있으며, 확대된 거대섬유 구조는 대기 탄소의 가용성이 감소할 때 더 많은 양의 탄소를 더 쉽게 포집하고 저장하는 데 도움이 되는 적응일 수 있다. 튤립나무는 결국 탄소 포집 농장에 유용할 수 있다. 일부 동아시아 국가들은 이미 탄소를 효율적으로 가두기 위해 리리오덴드론 농장을 사용하고 있으며, 우리는 이것이 새로운 목재 구조와 관련이 있을 수 있다고 생각한다."

리리오덴드론 튜플리페라는 북아메리카가 원산지이고, 리리오덴드론 치넨스는 중국 중부와 남부, 베트남이 원산지이다.

케임브리지 대학교 식물원의 유리온실에서 자라는 그네툼 그네몬(왼쪽)과 2차 세포벽 미세구조와 거대섬유를 보여주는 cryo-SEM에서 본 모습(오른쪽). 출처: Jan J Lyczakowski와 Raymond Wightman

 

케임브리지 대학교 식물원의 진화적 통찰력

이 발견은 케임브리지 대학교 식물원의 살아있는 컬렉션에서 33종의 나무 종을 조사하여 침엽수(소나무와 침엽수와 같은 겉씨식물)와 경엽수(참나무, 물푸레나무, 자작나무, 유칼립투스를 포함한 속씨식물)에서 목재 미세 구조가 어떻게 진화했는지 탐구한 것의 일부였다.

 

리차코프스키는 "중요성에도 불구하고 목재 구조가 어떻게 진화하고 외부 환경에 적응하는지에 대해서는 거의 알지 못한다. 이 조사에서 몇 가지 중요한 새로운 발견을 했다. 이전에는 전혀 관찰되지 않았던 완전히 새로운 형태의 목재 미세 구조와 전형적인 속씨식물 침엽수 대신 속씨식물과 유사한 경엽수를 가진 속씨식물 계열이다.

 

"나무의 주요 구성 요소는 2차 세포벽이며, 이러한 세포벽의 구조가 나무의 밀도와 강도를 부여하여 건축에 의존한다. 2차 세포벽은 또한 생물권에서 가장 큰 탄소 저장소이므로 기후 변화를 완화하는 데 도움이 되는 탄소 포집 프로그램을 발전시키기 위해 다양성을 이해하는 것이 더욱 중요하다."

 

목재 미세구조

목재 미세구조는 목재의 세부적인 미세 구조를 말하며, 목재의 재료 구성 요소의 배열과 조직을 포함한다. 크라이오 주사 전자 현미경을 사용한 이 목재 조사는 다음에 초점을 맞추었다.

●2차 세포벽: 주로 셀룰로스 및 기타 복합 당으로 구성되며 리그닌으로 함침되어 전체 구조를 단단하게 만든다. 이러한 구성 요소는 마크로피브릴을 구성하여 2차 세포벽 내에서 뚜렷한 층으로 배열된 긴 정렬된 섬유를 형성한다.

●마크로피브릴: 현재 크라이오SEM을 사용하여 측정할 수 있는 가장 작은 구조이며 두께는 10~40나노미터이다. 셀룰로스 미세섬유(3~4나노미터)와 기타 구성 요소로 구성된다.

목재 미세 구조를 연구하는 것은 목재 가공, 재료 과학, 나무의 생태적 및 진화적 측면을 이해하는 것을 포함한 다양한 응용 분야에 필수적이다. 나무 성장과 목재 퇴적의 배후에 있는 생물학을 이해하는 것도 탄소 포집량을 계산할 때 귀중한 정보이다.

 

목재 샘플은 케임브리지 대학교 식물원의 나무에서 수집되었으며, 식물원 수집 코디네이터인 Margeaux Apple과 협력했다. 이전 봄 성장기에 퇴적된 목재의 신선한 샘플은 겉씨식물과 속씨식물 개체군이 갈라지고 진화하면서 진화한 진화적 역사를 반영하기 위해 일부 나무에서 수집되었다.

 

케임브리지 대학교 세인즈버리 연구소의 현미경 핵심 시설 관리자인 레이먼드 와이트먼 박사는 "우리는 거대한 세쿼이아, 울레미 소나무, 그리고 암보렐라 트리코포다와 같은 세계에서 가장 상징적인 나무를 분석했다. 암보렐라 트리코포다는 다른 모든 꽃식물과 별도로 진화한 가장 오래된 식물군 중 유일하게 살아남은 종이다.

 

"우리의 조사 데이터는 나무 나노 구조와 세포벽 구성 사이의 진화적 관계에 대한 새로운 통찰력을 제공했다. 세포벽 구성은 속씨식물과 겉씨식물 계통에 따라 다르다. 속씨식물 세포벽은 겉씨식물에 비해 거대섬유라고 하는 특징적인 좁은 기본 단위를 가지고 있으며, 이 작은 거대섬유는 암보렐라 트리코포다 조상에서 분기된 후에 나타났다."고 말했다.

케임브리지 대학교 식물원의 튤립나무(Liriodendron tulipifera). 땅에서 캐노피를 올려다보는 풍경. 출처: Kathy Grube

 

리차코프스키와 와이트먼 또한 마류식물 계통의 두 속씨식물인 그네툼 그네몬과 그네툼 에둘레의 세포벽 거대섬유를 분석하여 둘 다 속씨식물의 경재 세포벽 구조와 동일한 2차 세포벽 미세구조를 가지고 있음을 확인했다.

이것은 속씨식물에서만 일반적으로 볼 수 있는 경재 유형의 구조를 마류식물가이독립적으로 진화시킨 수렴 진화의 예이다.

이 조사는 영국이 2022년 영국에서 기록된 역대 4번째로 더운 여름에 무더위를 겪고 있을 때 수행되었다.

 

와이트먼은 "이번 조사는 냉동 전자 현미경을 사용하여 수행된 역대 최대 규모의 목본 식물 조사가 될 수 있다고 생각한다."라고 말했다. "세인즈버리 랩이 케임브리지 대학교 식물원 부지 내에 있기 때문에 이렇게 많은 양의 신선한 수화된 목재를 조사할 수 있었다. 우리는 2022년 여름에 모든 샘플을 수집했다. 이른 아침에 수집하여 샘플을 초저온 슬러시 질소에 동결한 다음 자정까지 샘플을 이미지화했다.

 

"이 연구는 식물원이 현대 연구에 기여하는 데 있어 지속적인 가치와 영향을 보여준다. 이 연구는 케임브리지 대학교 식물원 컬렉션에서 진화적 시간을 통해 표현된 다양한 식물이 모두 같은 장소에서 함께 자라지 않았다면 불가능했을 것이다."