광합성: 무엇을, 어디서, 어떻게, 왜?

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

Photomorphogenesis in PlantsL Plant_Albert Melu on Unsplash

광합성 개요

광합성이란 무엇인가요? 많은 사람들에게 이는 우리가 배웠거나 들어본 적이 있는 내용이지만, 세월이 흐르면서 그 세부 사항은 잊혀져 버렸습니다. 그래서, 이 놀라운 과정의 핵심 내용과 용어들을 다시 한 번 정리해 드리는 것이 도움이 될 것 같았습니다.

생화학 내용을 어느 정도 다루는 것은 피할 수 없지만, 최대한 간단하고 이해하기 쉽게 다룰 것입니다. 주제는 다음과 같습니다:

광합성이란 무엇인가요?
광합성의 장소 – 어디에서 일어나는가?
광합성 공장은 어떻게 작동하나요?
광합성은 왜 중요한가요?

이 기사를 다 읽으시면, 여러분도 전문가처럼 광합성을 요약할 수 있게 되기를 바랍니다.

그림 1

광합성이란 무엇인가?

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

이 식물은 결국 이러한 당분을 에너지로 활용하여 줄기 성장, 잎 형성, 개화, 결실 등 다양한 대사 활동에 필요한 에너지를 얻습니다.

그림 2

광합성의 장소 – 어디에서 일어나는가?

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

그림 4를 살펴보시기 바랍니다.

잎은 바깥쪽 경계에 둘러싸인 식물 세포로 이루어져 있습니다.
잎 세포 안에는 엽록체라고 불리는 콩알 모양의 작은 구조물들이 있습니다.
엽록체 내부에는 틸라코이드라고 불리는 팬케이크 모양의 구조물들이 층층이 쌓여 있습니다.
틸라코이드에는 외막이 있으며, 이 막 안에서 광합성의 첫 단계가 이루어집니다.

그림 3 (Unsplash의 Albert Melu)

그림 4 – 광합성이 일어나는 곳.

How does the Photosynthesis factory work?

광합성은 설탕을 만드는 작은 공장으로 생각할 수 있습니다. 공장에는 에너지나 원자재와 같은 투입재가 필요합니다.

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

그리고 그 결과물은 설탕과 산소입니다. 설탕은 대사 과정을 위해 다시 식물로 흡수됩니다. 산소는 우리 몸에서 배출되는 필수적인 대사 산물로서, 우리가 숨 쉬는 공기가 됩니다.

그림 5 – 광합성은 공장과 같다

그림 6 – 광합성의 투입 및 산출

광합성은 왜 중요한가요?

두 광합성 공장의 이야기

사실, 광합성은 ‘광반응’과 ‘캘빈 회로’라는 두 가지 과정으로 이루어져 있습니다 .

먼저 틸라코이드 막에서 일어나는 광반응에 대해 다루겠습니다. 이 공장의 목표는 빛 에너지를 더 활용하기 쉬운 형태로 변환하는 것입니다.

그림 7 – 광합성의 두 공장.

광반응 공장 – 투입물

그림 9에서는 우리 시스템으로 들어오는 빛을 볼 수 있습니다. 시스템으로 유입되는 물도 확인할 수 있습니다. 그리고 산소가 시스템 밖으로 빠져나가는 것을 볼 수 있습니다.

그림 8 – 틸라코이드

그림 9 – 광반응 입력값

빛에 의한 반응 – 에너지 축적

그림 11(빨간색 원)에서 빛 에너지는 전자 수송이라는 과정을 통해 H+ 와 e- 로 변환됩니다. 이는 가공 과정 전반에 걸쳐 축적되는 에너지 또는 전기를 말합니다.

또한 그림 11(파란색 원)에는 이 과정의 산물인 ATP 와 NADPH가 표시되어 있습니다. 이것들은 광합성의 두 번째 단계에 사용되는 일시적인 에너지 저장소(배터리)입니다. 따라서, 광합성의 이 첫 번째 단계는 두 번째 공장에서 사용될 에너지를 축적하는 것을 목표로 합니다.

그림 10 – 틸라코이드

그림 11 – 광반응 – 에너지 축적

광합성의 두 번째 공장 – 칼빈 회로

두 번째 단계에서는 당을 합성하는데, 이를 ‘캘빈 회로’라고 부르며, 이 이름은 저명한 생화학자 멜빈 캘빈의 이름을 따서 지어졌습니다.

그림 13에서는 광반응 과정에서 생성된 ATP와 NADPH가 캘빈 회로(E와 D)의 기질로 사용되는 것을 볼 수 있습니다.

또한 이산화탄소는 칼빈 회로(문자 F). 최종 생성물은 설탕-3-포스포글리세레이트(문자 G).

칼빈 순환 은 틸라코이드 바로 바깥쪽, 즉 엽록체 스트로마의 공간에서 일어난다는 점에 유의하십시오.

그림 12 – 멜빈 캘빈

Fig 13 – 두 광합성 공장의 이야기 – 캘빈 회로. (2023년 9월 5일). 위키백과에서. https://en.wikipedia.org/wiki/Calvin_cycle

엽록소는 어떨까요?

이제 빛 에너지를 흡수하는 데 필수적인 분자인 엽록소에 대해 이야기해 봐야 합니다.

엽록소는 색소 분자로, 잎을 초록색으로 보이게 하는 색을 띠기 때문에 이렇게 불립니다. 다른 색상들은, 특히 파란색과 빨간색 영역에서 흡수됩니다.

그림 14 – 엽록소 분자

그림 15 – 식물 재배용 조명

틸라코이드 막 내의 광반응 생산 라인으로 다시 돌아가 보면, PSII와 PSI 모듈이 하나씩 있는 것을 확인할 수 있습니다. 바로 이곳이 엽록소가 있는 곳입니다.

PSII와 PSI에는 a와 b, 두 종류의 엽록소가 포함되어 있습니다. 두 종류의 엽록소 모두 청색광과 적색광을 흡수하기 때문에, 식물 재배용 조명은 대개 청색과 적색으로 되어 있습니다.

그러나 식물은 적색광에 가장 민감합니다. PSII는 680nm의 적색광을 흡수하는 데 가장 효율적이며, PSI는 700nm의 옅은 적색광, 즉 원적색광을 흡수하는 데 가장 효율적이다. 주로 엽록소 a와 관련이 있습니다.

그림 16 – PSII와 PSI의 엽록소

빛 에너지란 무엇인가?

빛에는 모든 광합성 활동에 필요한 에너지가 담겨 있습니다. 빛 에너지를 생각할 때, 빛이 입자라는 관점과 빛이 파동이라는 관점, 이 두 가지 관점에서 살펴볼 수 있는데, 이것이 바로 빛의 이중성입니다.

그림 17 – 분광계에서 얻은 스펙트럼

입자로서의 빛

빛을 입자로 생각하면, 잎사귀 위에 빛의 물방울들이 떨어지는 모습을 상상할 수 있습니다. 이러한 입자들을 광자라고 합니다.

그림 20 – 입자로서의 빛

빛의 밝기나 강도를 높이면 광자의 수가 늘어나고, 에너지도 증가합니다.

그림 18 – 밝기 또는 강도

파도처럼 가볍게

빛을 파동으로 생각할 때는 색에 대해서도 함께 생각해야 합니다. 그리고 우리는 파장을 기준으로 색을 설명합니다.

주파수가 높은 파장은 파란색 스펙트럼 쪽으로 치우치며 에너지가 더 큰 반면, 주파수가 낮은 파장은 빨간색 쪽으로 치우치며 에너지가 더 적다.

그림 21 – 색, 파장 및 에너지

광자에는 파장이 연관되어 있다

빛의 각 광자에는 각각 파장이 대응됩니다. 그러니까 파란색 광자, 빨간색 광자, 초록색 광자, 노란색 광자 등이 있게 될 것입니다. 파란색 광자는 빨간색 광자보다 에너지가 더 클 것이다.

PSII는 매우 높은 에너지를 지닌 파란색 광자를 흡수하여 에너지가 풍부한 NADPH와 ATP를 생성합니다. 수관 위쪽의 대부분의 잎은 광합성에 필요한 충분한 양의 청색광을 받습니다.

그러나 수관 아래에 있는 잎들도 일부 청색광과 적색광이 여전히 잎 속으로 스며들기 때문에 광합성을 할 수 있습니다. 사실, 엽록소-a의 색상 범위는 엽록소-b보다 더 넓으며, 이는 그늘에서도 가능한 한 많은 빛을 흡수할 수 있도록 하기 위함입니다.

그림 22 – 광자와 파장

스펙트럼 PAR 측정기를 사용하여 광에너지를 측정하는 방법.

스펙트럼 PAR 측정기를 사용하면 재배용 조명이나 태양에서 나오는 빛 에너지를 확인할 수 있습니다.

그림 23에서는 광자의 파장과 그 강도를 나타내는 스펙트럼 도표를 볼 수 있습니다.

PSII가 이용할 수 있는 고에너지 청색 광자가 풍부하게 존재하지만, 이 청색광은 엽록소의 최적 흡수 파장과 일치하지 않습니다. 스펙트럼의 모양만 봐도 이것이 LED 재배용 조명이라는 것을 알 수 있습니다. 만약 “다이내믹” LED 조명이라면 색상을 조정해야 합니다.

그림 23 – 광자와 파장

광합성 요약

광합성은 식물이 당을 생성하는 과정으로, 당은 다양한 대사 기능에 필수적인 요소입니다. 이 과정은 식물 세포의 깊은 곳, 티라코이드 막이라고 불리는 곳에서 이루어집니다. 이는 투입물(빛, 물, 이산화탄소)과 산출물(산소와 당)이 있는 공장 생산 라인과 같습니다.

광합성은 ‘광반응’과 ‘캘빈 회로’라는 두 단계로 이루어져 있으며, 광반응 단계에서는 빛으로부터 에너지를 얻어 이를 더 활용하기 쉬운 형태(ATP와 NADPH)로 변환합니다.

캘빈 회로는 ATP와 NADPH를 이용하여 식물 성장, 개화, 결실과 같은 후속 대사 과정에 필요한 당을 합성합니다.

광합성은 자연이 선사한 경이로운 현상 중 하나이며, 그 기본 원리를 제대로 이해하면 농부들은 다양한 조건을 조절하여 농업 생산성을 높일 수 있는 자신감을 갖게 됩니다.

하지만 광합성은 재배용 조명의 전부가 아닙니다. 다음 글에서는 식물이 빛을 이용해 자라고, 꽃을 피우며, 열매를 맺는 과정을 살펴보겠습니다.