6장. 광합성

광합성은 380nm에서 750nm사이의 태양빛이 가지고 있는 에너지에서 일어난다. 이 파장 범위 내의 빛이 가시광선이며 광합성을 일으키는 빛이 된다. 빛은 광자들의 구성이며, 이 광자들의 파장이 짧으면 짧을수록 에너지는 더 커지게 된다. 그래서 위에서 언급했던 범위의 파장이 아닌 너무 길거나 짧은 파장에서는 광합성이 이루어질 수 없다는 이야기이다.

 

광합성이란 무엇이며 어디에서 일어나는가? 이에 대한 해답은 다음과 같다. 광합성 반응은 진핵세포를 가진 생명체의 물질대사로 이는 일부 박테리아, 원생생물 그리고 식물 사이에서 다르게 일어난다. 우리는 이번 장에서 식물에서 일어나는 광합성에 대해 다룰 예정이다. 광합성은 식물과 조류에 존재하는 광합성 세포 소기관인 엽록체에서 일어난다. 광합성은 물과 이산화탄소라는 재료를 사용해 포도당이라는 유기물과 산소를 생산해내는 반응이다. 광합성은 총 두 반응 단계를 거쳐서 이뤄진다. 첫 번째 단계는 광 의존 반응(명반응)이라고 불린다. 광 의존 반응은 빛 에너지를 ATP 분자 내의 화학결합 에너지로 전환시킨다. 이 과정에서 물 분자가 분해되며 조효소 NADP+는 이때 방출되어 나온 전자와 수소를 취해 NADPH로 환원된다. 이때 물 분자에서 산소 원자가 떨어져 나온다. 다음 두 번째 단계는 광독 립 반응(암반응)이라고 한다. 이 과정에서는 ATP가 포도당과 그 밖의 다른 탄수화물을 만든다. 좀 전에 말했듯이 첫 번째 단계에서 환원된 NADPH는 전자와 수소를 넘겨주면서 탄소원자와 산소 원자를 결합하여 포도당을 만든다. 식은 아래와 같다.

6CO2 + 12H2O --------빛 에너지--------------> C6 H12 O6 + 6O2 + 6 H2 O

 

위에서 언급한 명반응과 암반응을 세부적으로 설명해보자. 먼저 명반응은 틸라코이드 막에서 일어난다. 물 분자, 조효소 NADP, 그리고 ADP가 빛 에너지를 받아 반응하면, NADPH, ATP, 산소와 같은 생성물을 만들어낸다. 명반응에서 만들어진 산소(O2)는 반응물로 사용된 이산화탄소(CO2)에서 나온 게 아닌 물(H2O)의 분해 산물이다. 다음 암반응은 명반응에서 만들어진 조효소 NAPDH와 ATP의 도움을 받아 포도당과 같은 유기물을 합성하는 단계이다. 포도당은 캘빈-벤슨 회로 (Calvin-Benson Cycle)에서 만들어진다. 이 회로에서 NADPH는 수소원자와 전자를 제공하는 역할, ATP는 당 생성반응을 일으키는 주요 역할을 한다. 이렇게 광합성은 총 두 단계를 거쳐 지구 상에 존재하는 분자들과 빛 에너지를 이용해 자신에게 필요한 에너지원을 만들어낸다.

 

이번에는 C3식물, C4식물, CAM식물을 구분 지어 설명하려 한다. 우선 공통적으로 모든 식물들의 잎에는 물 손실을 억제하는 왁스 성분인 큐티클을 가지고 있다. 이 큐티클에는 기공이라는 작은 구멍이 존재하고, 이 기공을 통해 물과 기체가 내, 외부로 이동한다. 기공은 덥고 건조할 때는 닫혀 내부의 수분과 산소가 외부로 빠져나가는 것을 방지하며 외부로부터 이산화탄소의 유입도 차단한다. 외부로부터 이산화탄소의 유입이 차단되면, 내부의 엽록체에서 생성하는 당의 양은 줄어들고 식물의 생장에 제약이 걸린다. 콩과 같은 식물들이 덥고 건조한 기후에서 잘 자라지 못하는 게 바로 이 때문이다. 콩과 같은 식물을 C3식물이라고 부르는데, 외부로부터 유입된 이산화탄소의 부족으로 캘빈 회로 내에서는 탄소와 결합하여 포도당을 만들어내는 물질의 활성이 낮아지게 된다. 이 과정으로 광합성의 효율이 떨어지게 되는 것이다. 이렇게 외부 기후에 영향을 받아 멸종하는 것을 막기 위해 식물도 진화를 한다. 높은 기후에서도 살아남고자 식물은 외부로부터 흡수한 이산화탄소를 보관하는 공간과 생장에 필요한 당을 생성하는 곳을 분리하면서 기후가 높은 열대지역에서도 생존을 할 수 있게 적응하고 진화했다. 이렇게 진화한 식물을 C4식물이라고 부른다. C4식물은 C3식물에 비해 건조한 기후에서도 광합성 효율을 높여 많은 당을 생성할 수 있다. C3식물, C4식물과는 반대로 밤에 기공을 열어 이산화탄소를 보관하고 다음날 낮에 당을 만들어내는 CAM식물도 있다. CAM식물은 C3식물과 C4식물에 비해 두꺼운 표면층을 가지고 있어 건조한 기후에서 생존할 수 있게 진화하고 적응했다.