트리콤 날개 세포에 매개한 틸란드시아의 물 수송 특성 연구와 이를 모사한 물 수확 기술 개발

Abstract

물 부족 문제는 향후 50년간 인류가 맞이할 10가지 문제들 중 한가지일 만큼 중요한 이슈로 지속 가능한 방법으로 식수를 확보하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이에 따라, 본 연구에서는 자연에서 생명체들이 물을 얻는 원리를 규명하고 이를 모사한 water harvesting 및 management 기술을 개발하여 지속 가능한 방법으로 식수를 확보하고자 하는 것을 motivation으로 삼았다. 이러한 motivation을 토대로 극한 환경에 서식하는 식물인 틸란드시아 (Tillandsia)가 제한된 물 자원을 효과적으로 얻을 수 있는 전략을 다양한 가시화기법을 적용하여 유체역학적인 관점에서 규명하고, 이를 모사한 물 수송 장치의 기계적 특성 및 유동 특성을 분석하였다. 열대 지역에 서식하는 틸란드시아는 물을 흡수할 수 있는 뿌리가 없어 털과 같은 트리콤(trichome)이라는 표면 구조를 통해 대기로부터 물을 얻는다. 최근 트리콤의 높은 흡습성과 내부 삼투막(osmotic membrane)구조 덕분에 물을 빠르게 흡수할 수 있고 증발에 의한 물 손실을 최소화할 수 있다고 밝혀졌지만, 트리콤이 물 수송에 미치는 영향에 대해서는 논의된 바가 거의 없었다. 더욱이, 틸란드시아 관다발 시스템은 수 마이크론 규모의 헛물관(tracheid)으로 구성돼 이론적으로 0.1–10 μm/s의 느린 유속을 가질 것으로 예측됐고, 이에 따라 내부 관다발 계를 통한 물 수송의 효율성에 대해 의문을 품게 되었다. 이러한 이유로, 본 연구에서는 내부 관다발 유동이 아닌 표면 모세관 유동이 틸란드시아의 주된 물 수송 전략일 것이라고 가정하였다. 생체 의학 X선 이미징 및 형광 이미징 기법을 활용하여 틸란드시아 표면에서 물막(water film)이 퍼져나갈 때 탄성모세관력(elastocapillarity)에 의해 트리콤 날개 세포의 재배치(reconfiguration of wing cells)가 연속적으로 발생하는 도미노 효과와 같은 유동 현상을 확인하였다. 이러한 정성적 분석을 토대로, 날개 세포의 형태학적 및 기계적 특성을 분석하고 날개 세포 재배치가 물 수송에 미치는 영향에 대해 정량적으로 분석하였다. 또한, 틸란드시아 종들과 수염 틸란드시아 간 구조적 연관성을 분석하여, 본 연구에서 밝혀낸 유동 특성의 보편성에 대해 논의하였다. 끝으로, 셀룰로오스 재료를 이용해 인공 트리콤 날개 세포 배열을 설계하여 도미노 유동을 모사하고, 기계적 특성 및 유동 특성에 있어서 실제 날개 세포와의 유사성 및 차이점을 분석하였다. 본 연구는 극한 환경에 서식하는 동식물의 물 관리 전략을 탐구하고 지속 가능한 물 관리 기술을 개발하는데 도움이 될 것으로 기대된다.

Tillandsia usneoides in epiphytic bromeliads takes up water through the absorptive trichomes on the shoot surface under extreme environmental conditions. Although previous studies revealed the way by which T. usneoides absorbs water and prevents water loss, T. usneoides’ water transport is still unclear. We characterized structures of trichome wings of T. usneoides. Wing length-to-thickness ratio with 136 and the trichome interval (d)-to-wing length (l) ratio (d/l) smaller than 1 caused the water film to flatten the wings sequentially, resulting the domino-like water transport. A hinge-like linkage between wing and outer ring cells and the wing size longer than the elastocapillary length (LEC) brought about this unique reconfiguration, which is the flattening and recovery of wings. T. usneoides transported water rapidly on the surface as the water film propagated on the exterior trichomes with flexible wings and the transport distance at the macroscopic scale grew as tx with x = 0.68 ± 0.04, unlike the conventional scaling of t0.5. Empirical and theoretical investigations proved our assumption that external water transport with the domino-like effect predominated over internal vascular transport. Biomimetic trichome wings simulated the domino-like water transport, highlighting the important role of flexibility wing arrays.