2.5 생물을 위한 물 환경의 적합성

물은 극성 분자이며 물 분자 사이에는 방향성 있는 수소결합이 형성되고 끊어지기를 반복한다. 수소결합으로 연결된 물의 거시적인 성질에는 비교적 큰 비열과 기화열, 응집력, 얼음의 낮은 밀도 등이 있다. 이러한 성질은 대부분의 생물이 온도 변화를 견디고 용질을 이동시키며 세포 구조를 유지하도록 돕는다. 물은 특정한 순간에 고정된 결합망이 아니라 끊임없이 재구성되는 액체다.

물이 생명에 알맞다는 말은 모든 상태의 물이 생명에 유리하다는 뜻이 아니다. 너무 높은 온도에서는 단백질의 구조가 변할 수 있고, 너무 낮은 온도에서는 얼음 결정이 세포를 손상시킬 수 있다. 높은 염분은 삼투 스트레스를 주며, 낮은 용존산소 농도는 호기성 생물에게 불리하다. 생물은 환경이 주는 물리적 제약 안에서 조절·적응해야 한다.

1. 비열과 온도 변화

비열 c는 단위 질량의 물질 온도를 1 K 높이는 데 필요한 열량이다. 상온 부근 물의 비열은 약 4.18 J/(g·K)이다. 일정한 온도 구간에서 상변화가 없고 열 손실을 무시할 때 다음 식을 사용할 수 있다.

같은 질량의 물과 모래에 같은 열량을 공급하면 일반적으로 물의 온도 상승이 더 작다. 이는 생물체의 체액과 호수·해양의 수온이 외부 열 공급 변화에 비교적 완만하게 반응하는 데 기여한다. 그러나 실제 생태계의 온도는 복사, 증발, 흐름, 바람, 수심과 혼합 등의 영향을 함께 받는다.

계산 예제 1 | 물 250 g에 열량 10.0 kJ를 공급하면?

초기 온도가 20.0°C였다면 최종 온도는 약 29.6°C다. 같은 조건에서 비열을 0.83 J/(g·K)로 가정한 건조 모래의 이론적 상승량은 약 48.2 K다. 이 계산은 열손실·수분 함량·용기 열용량을 무시한 비교이다.

2. 증발 냉각과 잠열

물이 증발하려면 액체의 분자들이 주변에 존재하는 다른 분자와의 인력을 벗어나 기체 상태로 이동해야 한다. 그 과정에는 에너지가 필요하다. 물은 피부 표면이나 잎 표면에서 증발할 때 열을 가져가 냉각 효과를 낼 수 있다. 25~35°C 부근에서 물의 기화 잠열은 대략 2.4 kJ/g이며 온도에 따라 달라진다.

계산 예제 2 | 땀 80 g이 모두 증발하면?

이는 잠열에 해당하는 이론적 열량이다. 실제 체온 감소로 그대로 환산할 수는 없다. 체내 대사열, 혈류, 주변 기온, 습도, 땀이 흘러내리는 양이 영향을 준다.

대부분의 물질은 온도가 내려가면 밀도가 커진다. 반면 담수는 보통 압력에서 약 4°C 부근의 밀도가 가장 크며 그보다 더 차가워지면 밀도가 조금 감소한다. 얼음에서는 수소결합으로 열린 배열의 결정 구조가 형성되어 같은 질량의 액체 물보다 부피가 커진다. 이 때문에 얼음이 물 위에 뜬다.

겨울철 충분히 깊은 담수호는 표면의 수온이 0°C에 가까워져 얼음이 형성되면서 더 아래에는 액체 물이 남을 수 있다. 계절·수심·호수의 혼합 조건에 따라 수직 온도 분포는 달라진다. 얼음과 눈은 수면에서의 열 교환과 빛 투과를 변화시킨다.

열적 안정성과 산소 공급은 서로 긴장 관계에 있을 수 있다. 얼음이 얼면 액체 물의 보존에는 도움이 되지만, 두꺼운 얼음과 눈은 기체 교환과 광합성을 제한할 수 있다. 부패하는 유기물이 많으면 미생물의 산소 소비로 겨울철 저산소 상태가 발생할 수 있다.

물의 응집력은 물 분자 사이의 인력이고 접착력은 물 분자와 다른 물질 표면 사이의 인력이다. 이들은 표면장력과 젖음성, 모세관 현상에 관여한다. 식물의 물관에서는 잎에서의 증산으로 생기는 장력과 연결된 물기둥의 응집력이 뿌리로부터 잎으로의 물 수송에 중요한 역할을 한다.

높은 나무에서 물이 상승하는 현상을 단순히 “모세관 현상 때문에 올라간다”고 설명하는 것은 충분하지 않다. 증산에 따른 낮은 잎의 수분 퍼텐셜과 물관 내 장력이 핵심이며, 기포 발생(공동화)과 물관의 구조적 특성 역시 수송을 제한한다.

물의 수분 퍼텐셜

수분 퍼텐셜(Ψ)은 기준 상태의 물에 대한 단위 부피당 화학 퍼텐셜 차이를 압력 단위로 나타낸다. 수분은 일반적으로 더 높은 수분 퍼텐셜에서 더 낮은 수분 퍼텐셜 쪽으로 이동한다. 식물의 물 수송에서는 용질·압력·중력·매트릭 성분을 구분해 사용할 수 있다.

세포나 작은 조직을 다루는 단순화 문제에서는 Ψg와 Ψm을 무시하고 Ψ ≈ Ψs + Ψp로 계산할 수 있다. 하지만 큰 나무나 마른 토양에서는 중력·매트릭 성분을 생략하면 안 된다.

세포는 지질 이중층으로 둘러싸여 있으므로 바깥 용액의 농도와 막의 선택적 투과성이 물의 유입·유출을 결정한다. 용질이 세포막을 통과하지 못하는 경우, 막을 사이에 둔 유효 삼투 차이로 물의 순이동이 일어난다. 저장액에서는 동물세포가 팽창할 수 있고, 고장액에서는 수축할 수 있다. 식물세포는 세포벽에 의한 팽압이 더해져 반응이 다르다.

삼투농도가 같아도 막을 쉽게 통과하는 용질이 포함되어 있으면 등장액이 아닐 수 있다. 따라서 “등삼투”와 “등장성”은 구분해야 한다. 아쿠아포린(aquaporin)은 세포막을 통과하는 물의 이동을 촉진하는 막단백질로, 적혈구·신장 세포 등을 포함한 여러 조직에서 기능한다.

수분 퍼텐셜 계산 예제

묽은 이상용액의 용질 퍼텐셜은 Ψs ≈ −iCRT이다. C는 mol/L, R = 0.008314 L·MPa/(mol·K), T는 K이며, 비전해질에서는 i ≈ 1이다. 이상 기체 상수 0.008314 L·MPa/(mol·K)는 단위 변환을 적용한 값이다.

용액 A의 Ψ가 −0.2 MPa이고 B의 Ψ가 −0.7 MPa라면 외부 압력차 등 추가 조건이 없을 때 물은 A에서 B 쪽으로 순이동한다.

생물이 이용할 수 있는 물의 양은 전체 수분 함량만으로 결정되지 않는다. 수분활성(water activity, aw)은 같은 온도에서 시료 위의 평형 수증기압을 순수한 물 위의 수증기압으로 나눈 비이며, 0~1의 범위에서 나타낸다. 용질이 많거나 물이 표면에 강하게 결합되어 있을 때 aw는 낮아질 수 있다.

세포질의 단백질과 막은 주변 수화 환경의 영향을 받는다. 그러나 “모든 물을 많이 포함한 물질은 물 활성이 높다”라고 결론 내릴 수는 없다. 수분활성은 물이 화학·생물학적 과정에 참여할 수 있는 열역학적 조건과 관련된다. 고염·고당 환경에서 미생물 성장이 억제되는 현상은 삼투 스트레스와 낮아진 수분활성이 함께 영향을 미친다.

고염 환경에 사는 일부 미생물은 세포 안에 적합용질(compatible solute)을 축적하거나 이온 항상성을 조절한다. 물이 생명에 필수적이라는 사실은 생물이 물의 화학 퍼텐셜을 일정하게 유지해야 한다는 뜻이 아니라, 주어진 수분 조건에서 효소와 막의 기능을 유지하는 능력이 중요하다는 뜻이다.

수생 동물이 이용하는 산소는 물 분자에 결합된 산소 원자가 아니라 물에 용해된 산소 분자(O₂)다. 담수에서 산소의 포화농도는 일반적으로 수온이 높을수록 감소하며, 염분이 높거나 기압이 낮아져도 달라진다. 실제 용존산소(DO)는 대기와의 교환, 광합성·호흡, 유기물 분해, 물의 혼합에 좌우되므로 온도만으로 결정되지 않는다.

따뜻하고 정체된 호수에 유기물 유입이 증가하면 미생물 분해 과정에서 산소 소비가 늘고 성층이 강할 경우 저층으로 산소가 공급되기 어려워질 수 있다. 따라서 생태계 상태를 판단하려면 온도·용존산소·탁도·영양염·pH·전기전도도 등을 함께 측정하는 편이 타당하다.

해수에는 여러 이온이 녹아 있어 담수보다 어는점이 낮다. 염분이 약 35 PSU인 일반 해수의 어는점은 대략 −1.9°C다. 해수의 밀도는 수온과 염분, 압력에 함께 의존한다. 따라서 담수의 “4°C 최대 밀도” 규칙을 바닷물에 그대로 적용해서는 안 된다.

해양 생물은 외부와 체액의 삼투 차이를 조절해야 한다. 해수어와 담수어의 물·염류 이동 문제는 다르며, 생물마다 아가미·신장·염류 분비 세포 등의 기능이 다르다. 극지 바다에서 일부 물고기는 결빙을 방지하는 단백질 등을 이용한다. 물의 상변화 특성은 서식지를 제공하지만 얼음 결정 형성은 세포 손상의 요인이기도 하다.

지구의 모든 알려진 생명체는 생활사 중 어떤 단계에서 액체 상태의 물을 필요로 한다. 그러나 액체 물이 존재한다고 해서 생명체가 반드시 존재하는 것은 아니다. 에너지원, 구성 원소, 반응 가능한 화학종, 적절한 온도와 압력, 유지 가능한 환경 등이 함께 갖추어져야 한다. 생명의 기원을 논할 때는 물이 친수성 반응을 돕는다는 장점과, 일부 유기 분자가 물 속에서 가수분해되거나 희석된다는 제약도 함께 검토해야 한다.