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광합성: 무엇을, 어디서, 어떻게, 왜?

에 의해서 | 10월 17, 2023 | blogs, 조명 키우기 | 코멘트 0개

소개

광합성이란 무엇인가요? 많은 사람들이 이미 알고 있거나 들어본 내용이지만, 지난 몇 년 동안 자세한 내용은 잘 알지 못했습니다. 따라서 이 놀라운 프로세스의 핵심 사항과 용어를 검토하는 것이 도움이 될 것이라고 생각했습니다.

일부 생화학은 피할 수 없지만 간단하고 관리하기 쉽게 유지하겠습니다. 주제는 다음과 같습니다:

  • 광합성이란 무엇인가요?
  • 광합성은 어디에서 일어나나요?
  • 광합성은 어떻게 작동하나요?
  • 광합성이 중요한 이유는 무엇인가요?

이 글이 끝날 때쯤이면 광합성에 대해 전문가처럼 정리할 수 있기를 바랍니다.

 

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그림 1

광합성이란 무엇인가요?

아시다시피 광합성은 식물이 빛에너지를 사용하여 ‘당’을 생산하는 과정입니다.

식물은 결국 이러한 당분을 에너지로 사용하여 줄기 성장, 잎 생산, 개화 및 결실과 같은 다양한 신진대사 목적에 필요합니다.

 

실내 원예

그림 2

광합성은 어디에서 일어나나요?

녹색 식물의 경우 광합성은 식물의 “녹색” 부분, 즉 잎에서 일어납니다.

그림 4를 참조하세요.

 

  1. 잎은 외부 경계로 둘러싸인 식물 세포로 만들어집니다.
  2. 잎 세포 안에는 엽록체라고 하는 작은 콩과 같은 물체가 있습니다.
  3. 엽록체 안에는 틸라코이드라고 하는 팬케이크 모양의 물체가 쌓여 있습니다.
  4. 틸라코이드는 외부 막을 가지고 있으며, 이 막 안에서 광합성의 첫 번째 부분이 일어납니다.

그림 3 (언스플래쉬의 알버트 멜루)

그림 4 – 광합성이 일어나는 곳.

광합성은 어떻게 작동하나요?

광합성을 설탕을 만드는 작은 공장으로 생각하면 됩니다. 공장에는 에너지와 자재와 같은 투입물이 필요합니다.

광합성 공장에서 잎은 빛, H2O(물), C02(이산화탄소)로부터 에너지를 얻습니다.

그리고 출력은 설탕과 산소입니다. 당분은 신진대사를 위해 식물로 다시 들어갑니다. 산소는 우리가 숨 쉬는 공기가 되는 중요한 노폐물로 배출됩니다.

그림 5 – 광합성은 공장과 같습니다.

그림 6 – 광합성 입력 및 출력

두 공장 이야기

실제로 광합성을 구성하는 두 가지 공장, 즉 빛 반응과 캘빈 사이클이 있습니다.

먼저 틸라코이드 막의 빛 반응에 대해 알아보겠습니다. 이 공장의 목표는 빛 에너지를 보다 사용 가능한 형태로 활용하는 것입니다.

 

그림 7 – 광합성의 두 공장.

광 반응 팩토리 – 입력

그림 9에서 시스템에 들어오는 빛을 볼 수 있습니다. 시스템에 입력되는 물도 확인할 수 있습니다. 그리고 시스템에서 산소가 빠져나가는 것을 볼 수 있습니다.

그림 8 – 틸라코이드

그림 9 – 광 반응 입력

빛의 반응 – 에너지 축적

그림 11(빨간색 원)에서 빛의 에너지는 전자 이동이라는 프로세스를 통해 H+와 전자로 변환됩니다. 이는 처리 과정에서 축적되는 에너지 또는 전기입니다.

그림 11(파란색 원)에서도 프로세스의 출력은 ATP와 NADPH입니다. 광합성의 두 번째 단계에 사용되는 임시 에너지 저장소(배터리)입니다. 따라서 광합성의 첫 번째 부분은 두 번째 공장에서 사용할 에너지 저장소를 구축하는 것을 목표로 합니다.

그림 10 – 틸라코이드

그림 11 – 빛의 반응 – 에너지 축적

광합성의 두 번째 공장 – 캘빈 사이클

두 번째 공장 또는 단계는 당을 합성하는 곳으로, 유명한 생화학자 멜빈 캘빈의 이름을 딴 캘빈 사이클이라고 불립니다.

그림 13에서는 캘빈 사이클에 입력으로 사용된 광 반응 프로세스의 ATP와 NADPH를 볼 수 있습니다(문자 E 및 D).

또한 이산화탄소는 캘빈 사이클(문자 F). 최종 생성물은 설탕 3 포스 포 글리세레이트 (문자 G).

캘빈 주 기는 엽록체 기질 공간의 틸라코이드 바로 바깥에서 발생한다는 점에 유의하세요.

그림 12 – 멜빈 캘빈

그림 13 – 두 공장 이야기 – 캘빈 사이클. (2023년 9월 5일). 위키백과에서. https://en.wikipedia.org/wiki/Calvin_cycle

클로로필은 어떻게 되나요?

빛 에너지를 흡수하는 데 필수적인 분자인 엽록소에 대해 이야기할 필요가 있습니다.

엽록소는 색소 분자로, 나뭇잎을 녹색으로 보이게 하는 색을 반사하기 때문에 엽록소라고 불립니다. 다른 색상은 특히 파란색과 빨간색 영역에서 흡수됩니다.

그림 14 – 엽록소 분자

그림 15 – 성장 조명

틸라코이드 멤브레인의 광 반응 생산 라인으로 돌아가면 PSII와 PSI 모듈을 볼 수 있습니다. 엽록소가 있는 곳입니다.

PSII 모듈은 주로 청색광을 흡수하는 엽록소의 일종이며, PSI는 적색광을 더 많이 흡수하는 엽록소를 포함하고 있습니다.

성장 조명이 파란색과 붉은색을 띠는 것은 당연한 일입니다. 성장 조명이 PSII의 청색 흡수 엽록소와 PSI의 적색 흡수 엽록소를 표적으로 삼고 있기 때문입니다.

그림 16 – PSII 및 PSI의 엽록소

빛 에너지란 무엇인가요?

빛에는 모든 광합성 활동에 동력을 제공하는 에너지가 포함되어 있습니다. 빛 에너지에 대해 생각할 때 입자로서의 빛과 파동으로서의 빛이라는 두 가지 관점에서 볼 수 있는데, 이것이 바로 빛의 이중적 특성입니다.

 

그림 17 – 분광기의 스펙트럼

입자처럼 가벼운

빛을 입자라고 생각하면 나뭇잎에 떨어지는 빛방울을 상상할 수 있습니다. 이러한 물방울을 광자라고 합니다.

그림 20 – 입자로서의 빛

빛의 밝기나 강도를 높이면 광자 수가 증가하여 에너지가 증가합니다.

그림 18 – 밝기 또는 강도

파도처럼 가벼운

빛을 파동으로 생각할 때 색에 대해서도 생각해야 합니다. 그리고 색상은 파장으로 표현합니다.

주파수 파장이 높을수록 파란색 스펙트럼에 가까워지고 에너지가 더 많은 반면, 주파수 파장이 낮을수록 빨간색에 가까워지고 에너지가 더 적습니다.

그림 21 – 색상, 파장 및 에너지

광자에는 연관된 파장이 있습니다.

각 빛의 광자에는 관련 파장이 있습니다. 따라서 파란색 광자, 빨간색 광자, 녹색 광자, 노란색 광자 등을 갖게 됩니다. 파란색 광자는 빨간색 광자보다 더 많은 에너지를 갖습니다.

PSII는 청색 광자를 매우 높은 에너지원으로 흡수하여 에너지가 풍부한 NADPH와 ATP를 생성합니다. 캐노피 위의 대부분의 잎은 광합성을 위해 적절한 양의 청색광을 받습니다.

그러나 캐노피 아래의 잎은 여전히 일부 청색광과 적색광이 잎에 침투하고 있기 때문에 광합성에 참여할 수 있습니다. 실제로 엽록소-a는 엽록소-b보다 색 범위가 넓어 그늘에서 최대한 많은 빛을 흡수할 수 있습니다.

그림 22 – 광자 및 파장

스펙트럼 PAR 미터를 사용하여 빛 에너지를 측정합니다.

스펙트럼 PAR 미터를 사용하여 성장 조명이나 태양의 빛 에너지를 확인할 수 있습니다.

그림 23에서는 광자의 파장과 그 강도를 보여주는 스펙트럼 다이어그램을 볼 수 있습니다.

PSII가 사용할 수 있는 고에너지 청색 광자가 풍부하지만, 청색은 최적의 엽록소 흡수와 일치하지 않습니다. 스펙트럼의 모양으로 LED 성장 조명임을 알 수 있으며, “동적” LED 조명인 경우 색상을 조정해야 합니다.

 

LED 조명 색상 및 광합성 정렬

그림 23 – 광자 및 파장

요약

광합성은 식물이 여러 가지 대사 기능에 사용되는 필수 요소인 당을 만드는 데 사용하는 과정입니다. 이 과정은 식물의 세포 깊숙한 곳, 틸라코이드 막이라는 곳에 묻혀 있습니다. 입력(빛, 물, CO2)과 출력(산소 및 설탕)이 있는 공장 생산 라인과 같습니다.

광합성에는 광반응과 캘빈 사이클의 두 단계가 있는데, 광반응 단계에서는 빛으로부터 에너지를 얻어 더 사용 가능한 형태(ATP와 NADPH)로 변환합니다.

캘빈 주기는 식물의 성장, 개화, 결실과 같은 후기 대사 과정에 필요한 당을 합성하기 위해 ATP와 NADPH를 사용합니다.

광합성은 자연의 경이로움 중 하나이며, 기본 사항을 잘 이해하면 농부들은 매개변수를 조정하고 농업 생산성을 향상시킬 수 있다는 자신감을 얻을 수 있습니다.

다음 포스트에서는 식물이 빛을 이용해 어떻게 성장하고 꽃을 피우고 열매를 맺는지 보여드리겠습니다.

 

 

그림 24 – 광합성

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스펙트럼 PAR 측정을 통해 농부와 연구자들은 제품의 품질, 시기 및 양을 개선하기 위해 색상 매개변수를 조정할 때 전문가 조명의 이점을 활용할 수 있습니다.

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