광합성 34개 언어

광합성(光合成)은 식물, 조류, 일부 세균이 빛에너지를 이용해 이산화 탄소와 물로부터 포도당 같은 유기물을 만들고, 그 과정에서 산소를 내보내는 생화학 반응이다. 지구상의 거의 모든 생태계는 광합성으로 고정된 에너지에 기대어 유지되며, 대기 중 산소의 대부분도 광합성을 통해 공급된다.^[1]

광합성 전체 반응은 흔히 다음과 같이 요약된다. 6CO₂ + 12H₂O + 빛에너지 → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O. 이 식은 여러 단계로 이루어진 실제 과정을 단순하게 나타낸 것으로, 반응은 크게 빛이 필요한 명반응과 빛이 직접 필요하지 않은 캘빈 회로로 나뉜다.^[2]

역사

17세기 중반 벨기에의 얀 밥티스타 판 헬몬트는 화분에 심은 버드나무를 5년 동안 키운 뒤, 나무의 무게는 크게 늘었지만 흙의 무게는 거의 줄지 않았다는 점을 근거로 식물이 주로 물에서 몸을 만든다고 결론지었다. 이후 18세기에 조지프 프리스틀리는 밀폐된 용기 안에서 식물이 촛불로 "나빠진" 공기를 되살린다는 사실을 관찰했고, 얀 잉엔하우스는 이 현상이 빛이 있을 때에만 일어나며 식물의 초록색 부분이 그 역할을 한다는 것을 밝혔다.^[3]

20세기에 들어 방사성 동위 원소를 이용한 연구가 이어지면서 반응의 세부 과정이 드러났다. 특히 멜빈 캘빈과 동료들은 탄소-14를 추적해 이산화 탄소가 당으로 바뀌는 순환 경로를 밝혀냈고, 이 공로로 1961년 노벨 화학상을 받았다.

엽록체와 색소

식물에서 광합성은 주로 잎의 엽육 세포 속 엽록체에서 일어난다. 엽록체는 두 겹의 막으로 둘러싸여 있으며, 내부에는 납작한 주머니 모양의 틸라코이드가 쌓인 그라나와 그 주변을 채운 기질인 스트로마가 있다. 빛을 흡수하는 색소는 틸라코이드 막에 모여 있다.

대표적인 광합성 색소인 엽록소는 주로 파란색과 빨간색 빛을 흡수하고 초록색 빛은 대부분 반사하기 때문에 잎이 초록색으로 보인다. 카로티노이드 같은 보조 색소는 엽록소가 잘 흡수하지 못하는 파장의 빛을 흡수해 에너지를 전달하고, 강한 빛으로부터 엽록체를 보호하는 역할도 한다.^[4]

반응 과정

명반응

명반응은 틸라코이드 막에서 일어난다. 광계 Ⅱ와 광계 Ⅰ의 색소가 빛에너지를 흡수하면 들뜬 전자가 전자 전달계를 따라 이동하고, 이 과정에서 틸라코이드 안쪽으로 수소 이온이 쌓인다. 수소 이온이 ATP 합성 효소를 통해 다시 빠져나오면서 ATP가 만들어지고, 전자는 최종적으로 NADP⁺에 전달되어 NADPH가 생성된다. 광계 Ⅱ에서 잃은 전자는 물이 분해되면서 채워지며, 이때 산소가 부산물로 발생한다.

캘빈 회로

캘빈 회로는 스트로마에서 일어나며, 명반응에서 만들어진 ATP와 NADPH를 사용한다. 먼저 효소 루비스코가 이산화 탄소를 5탄소 화합물인 RuBP에 붙이는 탄소 고정이 일어나고, 생성된 물질은 ATP와 NADPH에 의해 3탄소 당인 G3P로 환원된다. G3P의 일부는 포도당이나 녹말 합성에 쓰이고, 나머지는 다시 RuBP를 만드는 데 사용되어 회로가 계속 이어진다.^[2]

광합성에 영향을 주는 요인

광합성 속도는 여러 환경 조건의 영향을 받으며, 가장 부족한 요인이 전체 속도를 결정하는 경향이 있다. 이를 한정 요인이라고 한다.

• 빛의 세기 – 빛이 강해질수록 광합성 속도가 증가하지만, 일정 세기 이상에서는 더 이상 늘지 않는 광포화점에 이른다.
• 이산화 탄소 농도 – 농도가 높아지면 탄소 고정이 활발해져 속도가 증가하다가 일정 수준에서 멈춘다.
• 온도 – 광합성은 효소가 관여하는 반응이므로 적정 온도에서 가장 활발하며, 너무 높거나 낮으면 속도가 떨어진다.
• 물 – 물이 부족하면 기공이 닫혀 이산화 탄소 흡수가 줄어들고, 결과적으로 광합성이 감소한다.

C₃, C₄, CAM 식물

대부분의 식물은 이산화 탄소를 바로 캘빈 회로로 고정하는 C₃ 식물이다. 덥고 건조한 환경에서는 기공을 닫는 시간이 길어져 효율이 떨어지는데, 옥수수나 사탕수수 같은 C₄ 식물은 이산화 탄소를 먼저 4탄소 화합물로 고정해 다른 세포로 옮긴 뒤 농축하여 이 문제를 줄인다. 선인장이나 파인애플 같은 CAM 식물은 밤에 기공을 열어 이산화 탄소를 저장해 두었다가 낮에 기공을 닫은 채 광합성을 하여 수분 손실을 최소화한다.^[5]

생태적 의의

광합성은 태양 에너지를 생물이 이용할 수 있는 화학 에너지로 바꾸는 거의 유일한 대규모 경로로, 먹이 사슬의 출발점이 된다. 또한 대기 중의 이산화 탄소를 흡수하고 산소를 공급하여 지구의 탄소 순환과 기후 유지에 중요한 역할을 한다. 바다의 식물성 플랑크톤도 지구 전체 광합성의 상당 부분을 담당하는 것으로 알려져 있다.

같이 보기

• 세포 호흡
• 엽록소
• 탄소 순환
• 화학 합성

각주

1. 생명과학 교재 편찬 위원회, 《생명과학Ⅰ》, 광합성 단원.
2. 식물 생리학 입문서, 「명반응과 탄소 고정」 장.
3. 과학사 개론, 「기체 화학과 식물 연구」 장.
4. 식물 색소 연구 총설, 「엽록소와 보조 색소」.
5. 환경 적응과 식물 대사, 「C₄ 및 CAM 경로」.