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쉽게 설명하면 나뭇잎에 단풍이 드는 이유는 겨울을 대비하기 위한 준비를 하기 위해서다. 원래 봄, 여름에는 나뭇잎에 엽록소가 많아 녹색을 띠지만 가을이 되면 나뭇잎에서 엽록소가 분해되면서 남아 있는 붉은 색, 노란색 색소가 도드라지게 되는 것이다.
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단풍은 왜 생기는 걸까? 단풍의 과학
날이 추워지기 시작하면,
바깥의 나무들은 각자 색을 바꾸기 시작합니다.
그런 현상을 ‘단풍’이라고 합니다.
이 영상에서는 왜 단풍이 생기는지, 단풍에 관해 이야기를 해보려합니다.
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색소 : 식물 광합성, 단풍이 드는 이유 – SeeHint
단풍이 드는 현상은 다음 세가지 요인이 관련되어 있다. 첫째, 엽록소가 파괴되면서 카로티노이드의 노란색이 드러나기 시작한다. 카로티노이드가 훨씬 더 느린 속도로 …
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울긋불긋 가을 ‘단풍’이 물드는 이유, 원리 알아보기 – 별통닷컴
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주제에 대한 기사 평가 단풍이드는이유
- Author: 태뿌리
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- Date Published: 2020. 10. 22.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=mOKeEv2o8t4
나뭇잎에 단풍 들고 낙엽이 지는 이유 – Sciencetimes
마지막 단풍을 보기 위해 몰려드는 등산객들로 전국의 산하가 몸살을 앓고 있다.
겨울이 되고 눈이 내리면 산행이 어렵기도 하지만 가을철 단풍 든 산은 봄, 여름, 가을, 겨울 사계절 가운데 가장 아름다워 너도나도 할 것 없이 산으로 몰리는 까닭이다.
그럼 늦가을이 되면 왜 나무들은 단풍이 드는 것일까?
쉽게 설명하면 나뭇잎에 단풍이 드는 이유는 겨울을 대비하기 위한 준비를 하기 위해서다. 원래 봄, 여름에는 나뭇잎에 엽록소가 많아 녹색을 띠지만 가을이 되면 나뭇잎에서 엽록소가 분해되면서 남아 있는 붉은 색, 노란색 색소가 도드라지게 되는 것이다.
그럼 단풍이 드는 이유에 대해 살펴보자.
가을이 되면 기온이 떨어지고 공기가 건조해진다. 이때 나뭇잎은 일차적으로 수분 부족을 겪게 된다.
나뭇잎은 태양 에너지를 이용해 공기 중에 있는 이산화탄소와 뿌리에서 빨아올린 물로 생물의 주 에너지원이 되는 탄수화물을 만들어야 한다. 바로 우리가 알고 있는 광합성 작용이다.
그리고 식물은 광합성 작용을 할 때 사람들이 상상할 수 없을 만큼 많은 양의 물을 대기 속으로 뿜어내야 한다. 실제 과학자들의 실험에 따르면 옥수수는 낱알 1kg을 만들어내기 위해서 잎에서 600kg의 물을 증발시키는 것으로 알려졌다.
하지만 가을이 돼서 기온이 내려가고 건조해지면 뿌리를 통해 더 이상 물을 빨아올릴 수 없게 된다. 옥수수와 마찬가지로 잎을 가진 나무들도 수분이 부족한 상황에서 살아남기 위해 하는 수 없이 광합성 활동을 멈추게 된다. 한해살이 식물인 옥수수뿐만 아니라 다른 여러해살이 식물들도 마찬가지다.
그런데 나뭇잎에는 녹색의 엽록소 외에도 빛을 흡수하는 색소로 70여 종의 카로티노이드가 있다고 한다. 이들 색소 가운데 흔히 볼 수 있는 게 붉은색 단풍을 만드는 카로틴이고 노란색을 띠는 색소는 크산토필이다.
여름철에 이들 색소는 왕성하게 일을 하는 엽록소가 많아 다른 색소는 사람들의 눈에 보이지 않는다. 하지만 가을철 차고 건조한 날씨가 되면 잎에서 엽록소가 분해돼 사라지게 된다. 그러면 양이 작은 다른 색소들이 비로소 나타나게 된다. 이들 색소의 많고 적음에 따라 나뭇잎은 노란색이나 붉은색으로 보이게 되는 것이다.
그리고 단풍은 일교차가 심한 계절에 단풍이 아름답다고 한다.
흔히 단풍의 색이 낮밤의 기온차, 즉 일교차(日較差)에도 영향을 받기 때문이다. 낮에 햇볕이 들어 온도가 높아지면 광합성이 일어나 잎에 당분이 쌓인다. 반면 기온이 뚝 떨어지는 밤에는 나무의 활동량이 줄어 당분을 많이 소비하지 않는다. 그런데 붉은 단풍을 만드는 색소인 안토시아닌은 당분이 있어야 만들어진다.
일교차가 심할수록 잎에 쌓이는 당분이 더 많아지고, 이렇게 남은 당분이 안토시아닌으로 변하면서 잎이 더 붉어지게 되는 것이다.
그런데 단풍은 주로 온대지방의 활엽수에서 발견된다. 열대지방과 같이 계절의 변화가 거의 없이 지역에서는 일년 내내 따뜻하기 때문에 낙엽을 만들어 잎을 떨어뜨릴 이유가 없기 때문이다.
타이가 산림지대처럼 추운 지방에서는 주로 침엽수가 자라기 때문에 단풍이 잘 생기지 않는다. 침엽수는 추운 겨울에도 잎이 그대로 붙어서 겨울을 나는 나무를 상록수라고 하는데 이런 나무들은 매우 두꺼운 잎이나 바늘 모양의 잎 때문에 낙엽이 지지 않고서도 춥고 건조한 겨울을 이겨낼 수 있다.
또 온대지방에서 자라는 식물은 단풍이 들고 나뭇잎을 떨어뜨리는 것 이외에도 겨울을 나기 위해 다양한 준비를 한다.
나무는 겨울철 내부를 보호하기 위해 단단한 껍질을 만든다. 또 실제 겉으로는 식물이 말라죽은 것처럼 보이지만 겨울눈을 달고 있다. 겨울눈은 잎이 떨어진 가지 끝에 달려 있는데 이 겨울눈은 햇빛이 길어지고 온도가 올라가는 봄이 되면 잎, 줄기, 꽃으로 피게 된다.
밤이나 도토리와 같은 열매는 가지고 있던 효소를 이용해 저장된 녹말을 포도당으로 분해한다. 이렇게 하면 삼투압을 높일 수 있어 다음해 봄 싹을 틔울 수 있다고 한다.
그래서 겨울이 깊어지면 열매 속의 포도당의 양이 많아져 겨울을 지낸 밤이나 도토리의 맛이 더 달다고 한다.
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색소 : 식물 광합성, 단풍이 드는 이유
영양 ≫ 색소 ≫ 식물
색소 : 식물 광합성, 단풍이 드는 이유
일단 식물의 잎은 기본적으로 광합성을 담당하는 기관이므로 녹색을 띈다. 잎 안에 세포속에 있는 엽록체들이 빛의 파장중 녹색파장의 빛만을 반사시키기 때문에 우리 눈에는 녹색으로 보인다. 엽록체안에는 다양한 종류의 엽록소들이 들어있다. 잎이 광합성을 왕성하게 하는 시기에는 엽록소들이 활발하게 작용하기 때문에 대부분의 잎들은 녹색을 가진다. 광합성은 기본적으로 뿌리에서 물과 무기양분을 흡수하고 잎의 기공에서 이산화탄소를 흡수해서 빛에너지를 이용하여 포도당을 만드는 것이다. 이 과정에서 물은 기공을 통해 다시 공기중으로 나간다. 이 과정을 증산작용이라고 한다. 온도가 충분한 여름에는 잎에서 광합성 작용이 활발하게 일어나지만 가을이 되어서 기온이 내려가기 시작하면 사정은 달라진다.
1. 온도가 내려가면 효소들의 작용이 저하되어 광합성 작용이 천천히 일어나게 된다. 그러면서 엽록소의 활성이 떨어지면서 다른 색소들이 들어나기 시작한다. 대표적인 색소는 카르티노이드계 계열의 색소들인데 카로틴과 크산토필이 있다. 카로틴은 주황색을 나타내고 크산토필은 노란색으로 나타난다. 느티나무와 같은 나무의 잎에는 이러한 카르티노이드계 계열의 색소들이 있어서 노란색과 주황색의 조합으로 단풍이 나타난다. 은행나무는 크산토필 종류만 존재한다. 그래서 은행나무는 노란색의 단풍(?)만 든다.
2. 붉은색의 단풍은 완전히 다른 기작에 의해서 나타난다. 식물세포에는 액포라는 세포소기관이 있는데 이 속에 안토시아닌이 있다. 이 안토시아닌은 포도당이 햇빛을 받으면 만들어진다. 따라서 햇빛을 많이 받는 잎들은 안토시아닌이 많이 만들어질 수 있어서 햇빛에 많이 노출될수록 붉은색을 많이 띈다. 물론 기온은 낮아야 한다. 게다가 같은 잎이라도 잎속에 있는 포도당의 양은 다르기 때문에 붉은색의 정도는 잎마다 다 다르다.
3. 갈색의 단풍도 다른 기작에 의해서 나타난다. 갈색은 식물 세포의 세포막에 타닌 성분이 축적됨으로써 나타나는 현상이다. 타닌의 기본적인 원료도 포도당이다. 따라서 식물의 잎 속에 있는 안토시안과 타닌의 조합으로 다채로운 단풍색깔을 나타낸다.
정리하면 카로티노이드와 안토시안, 타닌의 다양한 조합으로 단풍의 색깔이 결정된다. 이와 같은 색소의 양은 광합성 산물인 포도당의 양과 햇빛, 기온등에 의해서 복합적으로 결정된다. 또한 나무의 건강상태(곤충의 습격 여부 등), 수분상태, 영양결핍 등에 의해서도 단풍의 색깔은 변할 수 있다.
단풍이 드는 현상은 다음 세가지 요인이 관련되어 있다.
첫째, 엽록소가 파괴되면서 카로티노이드의 노란색이 드러나기 시작한다. 카로티노이드가 훨씬 더 느린 속도로 파괴되기 때문이다.
둘째, 가을이 되면 많은 식물의 잎이 안토시안을 대량으로 합성해 낸다. 안토시안은 물질의 산도에따라서 빨간색에서부터 보라색까지 변하는 색소로서 식물 세포에서 가장 넓은 부분을 차지하고 있는 액포 속에 들어 있다.
셋째, 많은 식물에서 볼 수 있는 복잡한 분자인 타닌때문이다. 떡갈나무를 비롯한 여러 식물의 잎에 들어 있는 타닌은 잎이 노란 갈색을 띠도록 하는데, 그 색은 대개 변하지 않고 안정된 성질을 띤다.
식물의 잎에는 엽록소 이외에 카로티노이드와 안토시안 등의 보조색소도 있다. 카로티노이드는 엽록소가 잘 흡수하지 못하는 다른 파장의 빛을 흡수하여 그 에너지를 엽록소에 전해준다. 노란색이나 황색을 띠는 이 보조색소는 나무가 왕성하게 자랄 때는 녹색의 엽록소에 가려 눈에 잘 띄지 않는다. 한편 엽록소와 함께 봄부터 잎 속에 합성되는 카로티노이드와는 달리 붉은 색소인 안토시안은 그 성분이 세포액에 녹아 있다가 늦여름부터 새롭게 생성되어 잎에 축적된다. 식물은 해가 짧아지고 기온이 낮아지면 잎자루에 코르크처럼 단단한 세포층(떨켜)을 만들어 월동 준비를 한다. 떨켜가 만들어지면 잎으로 드나들던 영양분과 수분이 더 이상 공급되지 않고, 그 결과 엽록소의 합성도 멈춘다. 잎 속에 남아 있던 엽록소는 햇빛에 분해되어 점차 그 양이 줄어들어 녹색은 서서히 사라진다. 그에 반비례해서 분해 속도가 상대적으로 느린 카로티노이드와 안토시안은 일시적으로 제 색인 노란색과 붉은색을 내기 시작한다. 결국 우리 눈에 보이는 단풍은 나뭇잎 속에 함유된 이들 색소가 각기 다른 분해 순서에 따라 일시적으로 나타나는 발현 현상인 셈이다. 노랗고 붉은 단풍이 들게 만든 카로티노이드와 안토시안마저 분해되면 쉬 분해되지 않는 탄닌 색소로 인해 나뭇잎은 갈색으로 변한다. 잎이 붉게 물든다고 알려져 있는 단풍나무의 잎도 나뭇가지에 따라서, 또 시기에 따라서 제각각 다른 색의 잎을 달고 있는 이유도 이들 색소의 분해 속도가 가지마다 달리 진행되기 때문이다.
식물의 진화 흔적
식물은 왜 녹색일까? 이 질문에 대한 답변을 진화론적 관점에서 이야기 해보자.
녹색식물은 광학성을 통해 태양 광선의 스펙트럼 중에서 빨간색과 보라색 영역의 빛을 이용해서 물 분자를 분해하고 탄수화물을 축적하며, 그 외의 다른 식물 활동을 수행한다. 그런데 태양은 사실 빨간색과 보라색 보다는 노란색과 녹색 영역의 빛을 더 많이 방사한다. 광합성 색소로 오직 엽록소만 가지고 있는 식물은 가장 풍부한 빛들을 이용하지 못하고 버리는 셈인 것이다. 많은 식물들은 뒤늦게 나마 이 점을 깨닫고 이에 적합한 적응을 이루어 낸 것으로 보인다. 카로티노이드나 피코빌린과 같이 붉은색 빛을 반사하고 노란색과 녹색의 빛을 흡수하는 다른 색소들의 진화가 이루어 진 것이다. 이제 식물들은 태양 광선의 가장 많은 부분을 방사하는 영역을 이용하는 새로운 광합성 색소를 만들어 냈다. 그렇다면 식물들은 이제 기존에 가지고 있던 큰 효용성을 잃어버린 엽록소를 그냥 내던져 버렸을까? 물론 그렇지 않다.
단적인 예로, 깊은 수심에서 볼 수 있는 홍조류들을 보면 쉽게 알 수 있다. 이들은 조류들 중에서 가장 깊은 곳에 서식하고 있다. 그래서 이들은 광합성 색소로 가시광선 중 가장 단파장인 붉은색 영역의 빛을 주로 이용하는 피코빌린이 들어 있는데, 한 가지 재미있는 것은 그래도 이들은 여전히 이용률이 낮은 염록소를 그대로 가지고 있다는 점이다. 홍조류에서의 염록소는 이제 더 이상 빛을 흡수하지는 않지만, 광합성 과정에서 빛과 화학 반응을 연결해 주는 중요한 다리구실을 하고 있다. 여기서 알 수 있는 하나의 사실은 자연은 식물로부터 염록소를 때어내고 그 자리를 대신하도록 만들지는 못했다는 점이다. 이는 비록 비효율적인 특성을 지녔지만, 염록소가 생명 조직에 너무나 깊게 뿌리를 내리고 있었기 때문인 것으로 보이며, 여전히 광합성 반응의 중심에 자리잡고 있다.
단풍이 드는 이유
가을철이 되면 나무는 월동준비를 위해 나뭇잎을 떨어뜨리는데 나뭇잎이 떨어지는 원인은 나뭇잎과 가지 사이에 떨켜층이 형성되기 때문이다。떨켜층이 형성되기 시작하면 나뭇잎은 뿌리에서 충분한 물을 공급받지 못하나 잎에서는 계속 햇빛을 받아 광합성이 진행된다。이때 생성된 양분은 떨켜층 때문에 줄기로 이동하지 못하고 잎내에 남게 되고 이로 인해 잎내 산성도가 증가한다。이에 엽록소는 파괴되고 대신 엽록소 때문에 보이지 않던 카로틴(Carotene)이나 크산토필(Xanthophyll)과 같은 색소가 나타나고 안토시아닌(Anthocyanin)이 생성되어 나뭇잎의 색이 붉게 혹은 노랗게 보이는 것이다。어린 잎이나 줄기가 새롭게 발생하면서 일시적으로 붉은색을 보이다 잎이나 줄기가 성장하면서 붉은색이 없어지는 경우가 있다。이것은 단풍이 아니고 어린 잎이나 줄기의 엽록소를 만드는 세포 내의 구조가 완성되지 않은 게 나타나는 것이다。안토시안은 자외선을 잘 흡수하는 성질이 있고 안토시안을 많이 갖고 있는 조직은 나뭇잎의 표피뿐이다。때문에 연약한 어린 잎이나 줄기가 빨갛게 됨으로써 자외선의 해를 피하는 것이다。잎이 성숙함에 따라 안토시안은 분해돼 없어지며 엽록소에 의해 녹색으로 변하게된다. ‘단풍은 가을철 잎이 떨어지기 전에 엽록소가 파괴되어 엽록소 때문에 보이지 않던 카로틴(Carotene)이나 크산토필(Xanthophyll)과 같은 색소가 나타나거나, 잎이 시들면서 잎 속에 있던 물질들이 그때까지 잎 속에 없던 색소로 바뀌기 때문에 나타나는 현상’일 뿐이다.
단풍이 드는 이유 : 타감(他感)작용 ?
그런데 단풍 현상을 ‘타감(他感)작용’이라고 설명하는 주장이 나왔다. ‘경쟁식물을 제거하려는 독성 물질들의 화학전쟁’론이 그것이다. 뉴욕 콜게이트대의 프랭크 프레이 등 연구진이 단풍나무처럼 가을이면 빨간 색을 띠는 나무들을 대상으로 연구했더니, 빨간 단풍잎이 다른 잎들보다 상추씨의 발아를 현저히 감소시키더라는 것. 즉, 가을에 빨간 단풍잎이 땅에 떨어지면 안토시아닌(Anthocyanin) 성분이 땅 속으로 스며들어 다른 식물의 생장을 막음으로써 이듬해 봄에 어린 단풍 묘목들만 자랄 수 있게 한다는 뜻이다. 타감작용이란, 근 한 세기 전에 독일의 식물학자 한스 몰리슈(Hans Molisch？？856~1937)가 주창한 ‘알렐로파시(allelopathy)’라는 용어를 북한에서 우리말로 옮긴 것이다. 한 식물이 독성물질을 분비하여 다른 식물에 해로운 영향을 미치는 현상을 말한다.
단풍이 지는 까닭은 식물 세포의 작은 주머니, 액포에 그 비밀이 있다. 단풍이 지는 원리는 먼저 ‘액포(液胞,vacuole)’에서 찾는다. 식물도 물질대사를 하기에 노폐물이 생긴다. 식물은 사람의 콩팥 같은 배설기가 없어서 세포 속에 액포라는 ‘작은 주머니’에 배설물을 담아뒀다가 갈잎에 넣어 내다버린다. 하여, 낙엽은 일종의 배설이다. 여기에 액포 이야기를 조금 더 보탠다. 이 현미경적인 세포소기관은 늙은 세포에서는 세포의 80% 이상을 차지하며, 필요에 따라 번번이 모양을 바꾼다. 모든 식물과 균류(菌類,fungi)에 있으며 일부 원생동물과 세균에도 들었다. 말 그대로 막으로 둘러싸인 터질듯 한 작은 주머니는 물과 함께 안토시아닌(anthocyanin) 색소, 당류, 유기산, 단백질, 효소와 숱한 무기물질이 들었다. 세포에 해를 주는 물질도 저장하고, 세포를 팽팽하게 부풀게 하는 팽압(膨壓, turgor pressure)과 pH를 일정하게 유지하며, 세포에 처 들어온 세균을 무찌르니 동물세포는 리소좀(lysosome)에서 독성물질이나 쓰다 버린 것을 분해되는데 식물세포에서는 주로 이것이 담당한다. 또 엽록체를 세포 바깥쪽으로 밀어내어 햇빛에 노출하도록 한다. 흔히 액포는 버려진 것이나 저장하는 ‘똥통(桶)’ 정도로 여기기 쉬우나 그렇지 않다.
그런데 앞서 말한 액포 속에 저 아름다운 단풍색이 들었다!? 터질 듯 부푼 액포에는 카로티노이드계인 화청소(花靑素,안토시아닌)에다 카로틴(carotene), 크산토필(xanthophyll)․ 타닌(tannin) 같은 색소는 물론이고 달콤한 당분도 녹아 들어있어 사탕수수나 사탕단풍에서 설탕을 뽑는다. 안토시아닌은 식물의 꽃과 열매, 잎들에 많이 들어 있으며, 산성에서는 빨강, 알칼리성(염기성)에선 파란색을 내는 색소화합물이며, 그것은 생체에서 강력한 항산화물(抗酸化物,antioxidants)로 암이나 노화 등 여러 질환에 좋다한다.
연두색인 엽록체와 엽록소 이야기가 잠시 여기에 끼어든다. 엽록체(葉綠體,chloroplast)가 들어있으면 왜 잎이 녹색이란 말인가. 잎의 세포에는 평균 50∼200여개의 아주 작은, 현미경으로 봐야 겨우 보이는 엽록체 알갱이가 들어있다. 모양을 굳이 따진다면 원반(圓盤)꼴에 가깝고, 하등한 식물은 세포 하나에 엽록체 하나만 갖는 수도 있다. 녹색식물의 잎이 녹색인 것은 “엽록체가 녹색을 띠기 때문이다”라고 답할 것이다. 자연은 결코 갑작스런 비약을 하지 않는다고 한다. 더위가 물러나고 날씨가 썰렁해지면서 세포 속 엽록체에 켜켜이 틀어박혀있던 광합성의 본체인 녹색엽록소가 파괴되고 그것에 가려있던 카로틴, 크산토필, 타닌 같은 색소들(모두 광합성보조색소임)이 겉으로 드러나면서 잎에 물이 든다. 거듭 말하지만 이런 색소는 가을에 느닷없이 생겨난 것이 아니라, 봄여름 내내 짙은 엽록소 그늘에 묻혀 있다가 온도에 약한 엽록소가 파괴되면서 겉으로 드러난 것이다. 하여 가을단풍은 먼저 추워지는 산꼭대기에서부터 시작한다. 단풍이 지는 가장 큰 까닭은 낮은 온도에 있다는 뜻.
힘 빠진 잎사귀(액포)에 든 화청소는 가랑잎을 빨갛게 물들이고 카로틴이 많은 것은 당근 같은 황적색을, 크산토필이 풍부하면 은행잎사귀처럼 샛노랗게, 타닌이 그득하면 거무죽죽한 회갈색들을 띠게 되니 온 산이 북새통이다. 헌데, 액포에 당분이 많으면 많을수록(화청소와 당이 결합하여) 단풍색이 훨씬 더 맑고 밝다. 가을에 청명한 날이 길고, 낮과 밤의 일교차가 큰(광합성산물을 밤에는 호흡으로 소비하는데, 온도가 낮으면 호흡량이 줌) 해에는 단풍이 전에 없이 더 예쁘다고 하는데, 그것은 당이 풍성한 탓이다. 그리고 가을이 되면 잎자루 아래(기부)에 떨켜(이층,離層)가 생겨 잎에서 만들어진 당이 줄기로 내려가지 못하고 잎에 쌓이게 되는 것도 단풍이 드는 중요한 요인으로 생각한다. 그렇듯 당분이 가장 많이 든 단풍은 사탕단풍(캐나다에선 이런 나무에서 ‘maple syrup’을 뽑음)이며, 그래서 그것이 총중(叢中)에 가장 붉다. 익은 고추가 붉은 것은 안토시아닌 때문이 아니고, 주로 캡산틴(capsanthin)이라는 색소 탓이라는 것. 그리고 고추가 매운 맛(실은 맛이 아니고 통각임)을 내는 것은 캅사이신(capsaicine, 고추의 학명 Capsicum annuum의 Capsicum에서 따옴)이란 물질 때문이다. 호호 맵다. 얼마나 맵기에 옛날 어른들이 고초(苦草), 먹기에 고통스런 풀이라고 이름 붙였을까. 고추는 끝자락보다는 줄기 쪽이 더 맵다. 그 매운 맛은 애초부터 고추가 다른 미생물(세균, 곰팡이 바이러스)이나 곤충에 먹히지 않기 위해 만들어 놓은 자기방어물질인 것.
차차 쇠하여 보잘것없이 되어버리는 조락(凋落)의 시간은 끝내 누구에게나 찾아온다. 옥신(auxin)이라는 생장호르몬이 저온에 사그라지면서 나무줄기와 잎자루 아래틈새에 떨켜가 생겨나 뚝뚝 낙엽이 모두 진다. 여자들은 저 낙엽 구르는 소리에 덩달아 깔깔 웃는다고 하지! 낙엽귀근(落葉歸根)이라, 잎은 뿌리에서 생긴 것이니 전수(全數) 다시 제자리로 돌아가야 한다. 진잎은 나무의 발(뿌리)을 감싸줘서 얾을 막아주고 썩어문드러져 거름되어 선뜻 자양분이 되어준다. 만약에 가을나무들이 이파릴 떨어뜨리지 않는다면? 한겨울 추운 날씨에 아래 발치의 물이 얼어버려 물관을 타고 금세 못 올라가는데 끄트머리 잎에서는 증산이 퍼뜩퍼뜩 일어난다면 나무는 결국 말라죽는다.
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가을이 되면 왜 단풍이 드는 걸까? 단풍이 물드는 이유와 원리를 알아보아요!
2018년도 8월도 말경에 접어들면서, 이제 해도 조금은 짧아지고 뜨거운 불볕더위의 기세도 한풀 꺾인 듯한 느낌이 들어요. 이제 조금만 더 지나면 선선한 가을 바람이 불어올 것 같은데요~! 가을 하면 생각나는 가장 대표적인 이미지를 꼽아보자면 바로 온 산을 붉게 물들이는 ‘단풍’이 아닐까 싶어요. 그렇다면 나뭇잎들은 왜 가을에 이렇게 색을 갈아입는 걸까요? 오늘은 재미있는 과학 상식으로 단풍이 물드는 이유와 그 원리를 살펴보도록 할게요.
단풍(丹楓)이란 가을에 나뭇잎의 빛깔이 변화하는 현상을 의미해요. 가을이 되어 기온이 0℃ 부근으로 떨어지면 나무는 엽록소의 생산을 중지하고 잎 안에 안토시아닌을 형성하는데요, 이 안토시아닌 때문에 나뭇잎이 붉은색으로 변하는 거예요.
안토시아닌 색소를 만들지 못하는 나무들은 비교적 안정성이 있는 노란색의 카로틴 및 크산토필 색소를 나타내게 되어 투명한 노랑의 잎으로 변해요. 또한, 붉은색의 안토시아닌과 노란색의 카로틴이 혼합되면 화려한 주홍색이 되는데 이것은 흔히 단풍나무류에서 관찰할 수 있는 색이에요.
어떤 수종에 있어서는 엽록소와 카로티노이드가 동시에 파괴되고 새로운 카로티노이드가 합성되기도 하는데요. 그래서 녹색의 색소가 없어지고 노랑의 색소가 나타나며, 또 적색의 색소가 형성되고 이것들이 서로 어울려 여러 가지 빛깔의 단풍을 만들게 되는 경우도 있어요. 참나무류와 너도밤나무에 있어서는 탄닌 때문에 황갈색을 나타낸답니다. 단풍의 빛깔은 동일 수종이라도 가용성 탄수화물의 양에 차이가 있어서 개체변이가 심하게 나타나요.
앞서 가을이 되면 나뭇잎은 잎 안에 안토시아닌이나 카로틴, 크산토필 등을 형성하게 된다고 말씀을 드렸는데요. 이는 나무도 겨울을 날 준비를 하기 때문이에요. 봄과 여름 내내 무럭무럭 자라던 나무는 낮이 짧아지면 성장을 잠시 멈춘답니다. 또, 수분과 영양분이 몸에서 빠져나가는 것을 막기 위해 나뭇잎을 떨어뜨릴 준비를 해요. 이때 나뭇가지와 나뭇잎 사이에는 코르크처럼 단단한 ‘떨켜(잎, 꽃, 과일 등이 줄기에서 떨어질 때 그 자리에 형성되는 분열조직 또는 유조직 세포층)’가 만들어져요.
떨켜가 만들어지면 나뭇잎은 뿌리에서 수분을 공급받지 못하고, 잎에서 만들어진 영양소도 줄기로 이동하지 못해 잎에 남게 되는데요, 이처럼 영양분을 더 만들 수 없게 된 나뭇잎의 엽록소는 점점 줄어들고 그 동안 엽록소에 가려져 보이지 않던 노란색과 붉은색 색소들이 모습을 드러내기 시작해 나뭇잎에 단풍이 드는 것이랍니다.
한편, 단풍과 관련한 특이한 연구 결과도 있어요. 뉴욕의 콜게이트 대학의 연구팀은 단풍의 붉은 색은 ‘자신의 종족을 보호하기 위한 일종의 독이자 방어막’이라는 해석을 내놓기도 했는데요. 단풍나무처럼 붉게 물든 나무들은 주변에 다른 종의 나무가 자라지 못하도록 독을 분비한다는 것이에요. 이러한 현상은 붉은색의 단풍에서만 나타난 것인데 연구진은 이를 증명하기 위해 단풍나무의 붉은 잎과 파란 잎, 너도밤나무의 노란 잎과 녹색 잎을 채취해 각각 상추 씨앗 위에 뿌려 발아 정도를 측정하는 실험을 진행했어요. 그 결과 단풍나무의 붉은 잎이 다른 색의 잎에 비해 상추 씨의 발아율을 크게 감소시켰다는 결과를 밝혀냈답니다.
이 연구에 따르면 단풍의 붉은 색소는 엽록소가 감소하거나 파괴된 후 다른 색소가 드러난 것을 넘어서서 나무가 변화하는 환경에 적응하기 위해 생성하는 일종의 독이자 방어막이라는 것이에요. 연구진은 붉은 단풍잎이 땅에 떨어지면 그 속의 안토시아닌 성분이 땅 속으로 스며들어 다른 수종의 생장을 막는 것으로 보인다고 추측했어요. 안토시아닌이 어떠한 방법으로 다른 수종의 생장을 막는가에 대해서는 앞으로 더 많은 연구가 필요할 것으로 보이지만, 주목할 점은 단풍의 화려함 속에는 생존과 종족 보존을 위해 숨겨진 이면이 있다는 점이 아닐까 싶어요.
이렇게 다가오는 가을을 맞아 단풍이 물드는 이유와 원리에 대해 살펴보았는데요~! 참고로 단풍이 아름답게 물들기 위해서는 날씨가 건조하면서, 0℃ 이하로 내려가지 않는 범위 내에서 기온이 차야 한다고 해요. 우리나라에는 아름다운 단풍을 만드는 나무의 종류가 많아 가을이 되면 온 산이 타는 듯한 붉은색으로 물드는데요. 전국 어디에서나 아름다운 단풍나무 군락을 만나보기 쉬운 만큼 집에서 멀지 않은 곳으로 미리미리 가을 산행을 계획해보시면 어떨까 싶어요. 산행을 즐기면서 아이들에게 이와 같은 단풍나무 이야기를 들려준다면 나들이도 즐기고, 현장학습도 할 수 있어 일거양득이겠죠?!
<대교 공식 SNS 채널이 더 궁금하다면?>
[소년중앙] 노랗게 빨갛게 단풍이 드는 세 가지 이유
제법 찬바람이 붑니다. 길거리에 다니는 사람들의 길어진 옷소매에서도 가을이 깊어지는 것을 느끼죠. 10월 1일 추석(秋夕)도 지났고, 그 뒤로 한로(寒露)·상강(霜降) 등 차가운 단어들이 들어있는 절기가 이어집니다. 한 달 뒤면 훨씬 더 추워지고 곧 겨울이 닥칠 것입니다. 숲속 동물들도 먹이를 저장하거나 겨울잠 잘 준비를 하고, 식물들도 겨울을 준비하죠.
우리 주변 식물들의 비밀 이야기 7 단풍
가을이 되면 제일 먼저 눈에 띄는 것이 울긋불긋 형형색색으로 물들어가는 나뭇잎입니다. 단풍이라고 하죠. 코로나19가 없던 시절, 가을이 깊어지며 단풍이 들기 시작하면 공원이나 산에 단풍을 즐기려는 사람들이 많아지고 주말이면 단풍 구경에 도로가 막힐 정도였지요. 푸르게만 인식했던 숲이 노랗게 빨갛게 물들어가는 모습은 오래전 인류에게도 신비한 장면이었을 겁니다. 세상이 왜 붉게 물들어가는지 의문도 품으며 자연에 관심이 더 커지고 자연에 더 가까워졌겠죠. 다양한 물감으로 색칠한 그림 같은 가을 풍경은 우리 인간들이 색깔의 다양성을 이해하고 예술적 감성을 갖는 데 큰 도움이 됐을 거예요. 많은 예술가들은 오랜 세월 자연이 만든 멋진 그림을 보면서 영감을 얻고 흉내 내고자 노력해왔죠. 우리 주변에 어떤 종류의 나무가 어떤 색으로 물드는지 둘러보면서 ‘나는 무슨 색이지?’ 하고 나만의 팔레트를 가꿔보는 것도 좋겠습니다.
단풍은 왜 생기는 걸까
식물에게도 양분이 필요하고 그 양분을 만들어낼 장소가 필요하죠. 그게 바로 잎입니다. 잎은 광합성을 해요. 물과 이산화탄소 그리고 햇빛을 이용해 양분을 만들어내는 거죠. 동물은 절대 흉내 낼 수 없는 멋진 일인데요. 가을이 되면 대부분의 나무는 잎을 떨어뜨리고, 풀들은 아예 몸체가 모두 말라서 죽게 됩니다. 가을이 되면 햇빛의 세기가 약해지고 낮의 길이도 짧아져요. 그렇게 되면 광합성으로 만들어내는 당분보다 호흡활동으로 사용하는 당분이 많아져서 균형이 맞지 않습니다. 단풍이 드는 첫 번째 이유는 바로 에너지의 효율이 떨어진다는 점입니다. 두 번째 이유는 물에서 답을 찾을 수 있습니다. 나무들은 뿌리로 물을 빨아들이고 광합성하면서 다시 잎으로 물을 내뿜죠. 물 덩어리이기도 한 잎은 온도가 낮아지면 얼어서 조직이 파괴돼 죽겠죠. 어차피 죽을 잎이라면 미리 죽이는 쪽을 선택합니다.
잎이 줄기와 붙어있는 부분에 ‘떨켜(이층·離層)’라는 조직이 있는데 가을이 되면 떨켜가 물과 양분이 오가는 길을 막아 더 이상 못 가게 합니다. 이동이 어려워지면 잎은 서서히 죽게 되는데요. 죽어가면서 광합성을 더 이상 하지 못하니 엽록소가 파괴되면서 초록빛을 잃고 잎이 가진 카로티노이드·안토시아닌·탄닌 등의 색소 종류와 양에 따라 그 빛깔이 겉으로 드러나는 겁니다. 세 번째 역시 물과 연관이 있어요. 겨울이 되면 여름보다는 강수량이 적어지고 땅도 얼어서 땅속 뿌리가 물을 빨아들이는 것이 어려워집니다. 광합성을 해서 증산작용으로 잎에서 물을 뿜어내고, 뿌리는 물을 흡수하지 못하면 결국 말라죽겠죠. 이러한 이유로 나무는 잠시 광합성을 멈추는 것입니다. 무조건 앞만 보고 달리기보다 한 박자 쉬며 다음을 준비하는 거예요.
소나무는 왜 단풍이 안 들까
가을이 되어도 잎을 그대로 단 채 초록으로 유지하는 나무들도 있습니다. 흔히 늘푸른나무(상록수)라고 하죠. 늘푸른나무에는 두 종류가 있습니다. 잎이 바늘처럼 가느다란 소나무·잣나무·전나무 같은 바늘잎나무(침엽수)와 동백나무·사철나무처럼 넓은잎나무(활엽수)이면서도 잎을 떨어뜨리지 않는 늘푸른넓은잎나무(상록활엽수)가 있습니다. 둘 다 수분 증발을 줄이고, 얼지 않는 부동액 같은 성분을 잎 내부에 갖고 있죠. 겨울에 잎을 떨어뜨리고 봄이 올 때까지 쉬기보다 빛이 적어도 조금씩이라도 광합성을 하면서 에너지를 적게 사용하는 방식을 선택한 것입니다. 이 역시 에너지의 효율을 위한 거죠. 그렇다면 소나무는 아무리 시간이 지나도 잎이 그대로일까요? 그렇지 않습니다. 잎은 수명이 있습니다. 흔히 보는 잎떨어지는나무(낙엽수)들은 잎의 수명이 6~7개월입니다. 그에 비해 늘푸른나무들은 2~7년 등 그 수명이 상대적으로 길죠. 아직 잎이 떨어지지 않았음에도 이듬해 새잎이 나오기 때문에 나중에 첫 잎이 떨어져도 푸른빛을 이어가게 됩니다. 우리에겐 늘푸른나무들이 잎을 안 떨어뜨리는 것처럼 보이지만, 모든 나무는 잎을 떨어뜨립니다. 그 수명의 차이가 있을 뿐이죠.
옛날 사람들은 늘푸른나무를 숭상하는 문화를 갖고 있었습니다. 모두가 변하는 때 홀로 변치 않고 그대로의 모습을 간직하는 늘푸른나무에게서 신성함·강인함·특이함·개성·고집과 같은 인상이 느껴집니다. 그래서 스스로 균형 잡고 절개를 지키고자 하는 마음에서 소나무를 숭상했겠죠. 시대가 빨리 변하면서 주변 친구들부터 지식인, 언론, SNS 등 다양한 매체에서 다양한 의견들이 쏟아지고 있습니다. 이런 때일수록 균형감과 나다움이 필요한 때가 아닐까 싶습니다.
글·그림=황경택 작가
※외부 필진 칼럼은 본지 편집 방향과 다를 수 있습니다.
가을에 단풍이 드는 과학적인 이유
날씨는 이미 만연한 가을입니다.
낮에는 그래도 온도가 올라가긴 하지만 아침, 저녁으로 쌀쌀함이 예사롭지가 않습니다. 사람들은 이러다 인지도 못하는 사이에 겨울이 오는 것 아니냐는 말들을 합니다.
아마 그전에 산과 들은 단풍으로 붉게 물들게 되는 것을 보게 될 것입니다.
불과 몇주전만 하더라도 길거리며 산이며 들이며 초목들이 짙은 푸른색을 뿜어내고 있었지만 우리는 경험적으로 곧 대다수의 나무들이 단풍이 들어 잎이 붉은빛이나 누런빛으로 변하게 될 것입니다.
이렇게 날씨가 추워지면 단풍이 들게 됩니다.
그런데 어떤 과학적인 원리로 나뭇잎들은 붉게 변하게 되는 것일까요. 이번 글에서는 나무들이 단풍이 드는 이유에 대해 알아보도록 하겠습니다.
광합성과 엽록체
지구상에 존재하는 많은 식물들은 대부분 광합성 작용을 합니다. 광합성은 빛 에너지를 이용하여 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)로부터 탄수화물과 산소를 생산하는 과정을 말합니다.
식물에는 엽록체가 있는데 엽록체에는 엽록소 및 다양한 색소들이 포함되어 있습니다.
[광합성 반응식]6 CO2 + 6 H2O -–-(+ 빛 에너지)—> C6H12O6 + 6 O2
광합성은 식물에서 일어나는 반응입니다. 이 광합성을 가능하게 해주는 장치가 여러분들이 많이 들어보셨을 엽록소입니다. 엽록소는 빛을 흡수하는 색소입니다.
식물 세포 속 엽록체
이 엽록소 때문에 식물의 잎은 녹색을 띄게 되는 것입니다.
그런데 엽록소에는 녹색 색소만 있는 것은 아닙니다. 카로틴(carotene), 크산토필(xanthophyll), 타닌 같은 색소도 함께 있습니다. 카로틴은 당근이나 계란 노른자에도 포함되어 있으며 주황색을 내는 색소이고 크산토필 또한 노란색을 띠는 색소입니다.
가을날 색소의 변화
가을이 되면 일조량이 줄어듭니다. 가을 겨울이 되면 나무는 건조한 공기와 햇빛 부족으로 잎이 광합성을 계속할 수 없게 됩니다.
광합성을 할 수 없게된 엽록소는 파괴되면서 엽록소에 가려져 있던 카로틴, 크산토필, 타닌 같은 색소가 드러나 보이게 되는 과정이 단풍인 것입니다.
녹색이 주황, 붉은색으로 변하는 것이 아닌 녹색이 사라지면서 녹색에 그동안 가려져 있던 다른 색들이 비로소 보이게 되는 것이라고 할 수 있습니다.
또한, 안토시아닌 이라는 물질이 생성되는데 안토시아닌에 대한 다양한 의견이 있지만 대체적으로 엽록소가 사라진 상태에서 햇빛으로부터 잎을 보호하고 나무가 마지막 남은 영양분을 축적할 수 있도록 도와준다고 알려져 있습니다.
안토시아닌으로 인해 보라빛으로 보이는 채소
이 안토시아닌은 ph에 따라 빨강, 파랑, 보라색을 띠게 하는 역할을 하죠.
이렇게 가을철 햇빛의 부족은 엽록소를 물러나게 하고 안토시아닌을 생성하며 엽록체 내 색소의 변화가 이루어져 가을철 우리 산천은 그렇게 울긋불긋 화려함을 뽐내게 되는 것입니다.
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단풍이 든 나무
용인 하갈동 청명호수마을 단풍 모습
단풍(丹楓)은 기후의 변화로 식물의 녹색 잎이 붉은 색이나 노란 색, 갈색 등으로 물드는 현상을 말한다.[1] 통상 하루 최저기온이 5도 이하로 떨어지면 단풍이 물들기 시작한다.[2]
원인 [ 편집 ]
단풍이 드는 원인
단풍은 나무의 잎이 더 이상 활동하지 않게 되어 나타나는 현상이다. 잎이 활동을 멈추면 엽록소가 파괴되고 자가분해가 진행된다. 엽록소의 자가분해과정에서 안토시안이 생성되는 종은 붉은 색 또는 갈색 계열의 단풍이 들게 된다. 안토시안이 생성되지 않는 종은 엽록소의 녹색에 가려 보이지 않던 잎 자체에 들어 있는 노란 색 색소들이 나타나게 되어 노란 단풍이 든다. 이것은 안토사인이라는 화학물질에서 시작된다.[3] 가을에 비가 적게 와 가뭄이 이어지고 기온이 갑자기 떨어지면 엽록소의 파괴 속도가 빨라지기 때문에 색깔이 선명해진다.[4]
문화 [ 편집 ]
한국에서 가을에 나무 잎이 붉게 물드는 나무는 단풍나무 외에도 당단풍, 복자기, 옻나무과의 붉나무, 장미과의 마가목, 벚나무, 팥배나무 등이다. 하지만 노랗게 물드는 나무는 상수리나무와 굴참나무 그리고 은행나무이다. 콩과 나무와 뽕나무과 나무, 목련과 나무들도 노란색으로 물든다.[5]
단풍놀이: 중국, 일본, 한국 등 동아시아에서는 단풍이 드는 시기가 되면 산이나 공원 등으로 단풍놀이를 간다.
예술: 단풍은 미술, 시 등의 소재로 자주 등장한다.
같이 보기 [ 편집 ]
울긋불긋 가을 ‘단풍’이 물드는 이유, 원리 알아보기
가을을 떠올리면 생각나는 것은 아주 많습니다. 천고마비와 독서의 계절, 들판을 수놓는 가을꽃, 황금빛으로 익어 고개를 숙이는 곡식들 등. 가을은 쓸쓸하지만 한편으로 세상을 아름답게 바꿔놓습니다. 그중에서도 빠질 수 없는 것은 온 산을 울긋불긋 물들이는 가을 단풍이 아닐까 싶습니다. 늘 푸르기만 할 것 같던 녹색의 나뭇잎들이 빨갛게, 노랗게 저마다의 색깔로 물들어 세상을 형형색색으로 옷을 갈아입기 시작하죠. 오늘은 가을이 되면 단풍이 물드는 이유와 원리에 대해 간단하게 알아보는 시간을 가져볼까 합니다.
단풍(丹楓)
단풍은 기후, 계절, 날씨가 변화하면서 나뭇잎에 생리적, 생화학적 변화가 일어나 잎이 붉게 물드는 현상을 말합니다.
단풍이 물드는 이유
뜨거운 햇살이 내리쬐는 더운 여름이 지나가면 가을이 찾아옵니다. 울긋불긋 단풍이 물들게 되는 이유는 바로 여기에서 찾을 수 있다는군요.
더운 여름에서 가을로 넘어가면 날씨가 크게 바뀝니다. 태양이 하늘에 떠있는 시간이 줄어들어 낮이 짧아지고, 밤이 길어지게 되죠. 이 때문에 낮과 밤의 일교차가 커지게 되고, 평균기온 또한 감소하게 됩니다. 낮이 짧아진다는 것은 태양의 고도가 낮아지고, 일조량이 감소하는 것을 의미합니다. 계절이 넘어가면서 나타나는 기후의 변화가 바로 단풍이 물드는 원인이라고 할 수 있습니다.
식물은 광합성을 통하여 생장에 필요한 영양소를 얻습니다. 하지만 낮이 짧아지면 필요한 영양소를 충분히 얻을 수 없고, 건조해지는 날씨에 대비에 수분손실을 최소화하기 위한 준비가 필요하죠. 식물이 수분과 영양소를 보존하기 위한 방법이 바로 낙엽입니다. 식물이 낙엽을 떨어뜨리기 위해 준비하는 과정이 바로 단풍인 것이죠.
단풍이 드는 원리
계절의 변화로 기후가 바뀌면 단풍이 물드는 것처럼 인체 내에서도 변화가 생기게 됩니다. 일조량과 기온은 인체 내의 다양한 호르몬 분비에도 영향을 미칩니다. 계절이 바뀌는 환절기에는 인체 내에서도 갑작스러운 변화가 생기기 때문에 몸이 나른해지거나, 쉽게 피로함을 느끼거나, 면역력이 감소해 감기에 잘 걸리거나, 계절성 우울증이 발생할 가능성이 증가하는 등 인체가 날씨변화에 잘 적응하지 못하면 여러가지 증상이 나타나곤 하는 것입니다.
마찬가지로 단풍이 드는 원리도 날씨가 바뀌는데 대한 인체변화와 비슷하다고 할 수 있습니다. 봄과 여름에는 무럭무럭 자라며 성장에 집중하던 식물이 낮이 짧아지고, 기온이 감소하는 날씨에 따라 성장을 멈춥니다. 그리고 나뭇잎에는 생리적 변화가 일어나게 되는데 이것이 바로 단풍입니다.
원래 나뭇잎은 녹색을 가지고 있지만, 나뭇잎에는 다양한 종류의 색소들이 존재합니다. 다만, 엽록소가 가장 많고, 활발하기 때문에 우리 눈에는 녹색으로 보이는 것이죠.
가을이 찾아오면 일조량의 감소와 기온의 변화에 따라 엽록소의 기능이 저해되고, 그 수가 점점 감소하게 된다고 합니다.
단풍나무의 경우에는 엽록소가 소실되고 그와 함께 광합성의 산물인 포도당의 이동도 느려진다고 합니다. 이 포도당과 붉은빛을 가지는 안토시아닌 색소가 결합하여 더 밝은 붉은색을 가지게 됩니다. 단풍이 붉게 물드는 원리인 것이죠.
은행나무의 경우, 엽록소와 카로티노이드계 색소가 함께 존재하는데, 가을이 되면서 엽록소가 점점 소실됨에 따라 카로티노이드 색소가 노출되어 노란색으로 물드는 것입니다.
결론적으로 단풍이 드는 원리는 계절의 변화로 엽록소가 감소함에 따라 기존에 보이지 않던 다른 색소들이 부각되면서 빨강, 노랑 등 여러가지 색깔이 나타나는 것입니다.
단풍은 일교차가 클수록 더욱 색이 진해지고, 아름답게 물든다 고 합니다. 낮과 밤의 온도차가 클수록 안토시아닌과 카로티노이드계 색소들의 화학작용이 활발해지기 때문이라고 하네요.
지금까지 단풍이 드는 이유와 원리에 대해 알아보는 시간을 가져보았습니다. 단풍이 물들고, 절정에 다다를 시기가 얼마남지 않았는데요. 단풍놀이를 즐기기 위해 많은 분들이 단풍이 물들기 시작하기만을 기다리고 계실 듯 한데요. 아무쪼록 유익하셨길 바라며 올해 예쁜 단풍을 즐기며 행복한 가을 보내시길 바랍니다.
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