강력한 엽록소 분자: 원리, 기능 및 실제 응용 분야

에 의해서 marketing | 11월 29, 2023 | Blogs, 조명 키우기 | 코멘트 0개

엽록소란 무엇인가요? – 재배자는 과학자가 될 수 있습니다.

엽록소란 무엇인가요? 광합성은 빛을 식물 성장에 사용할 수 있는 에너지로 변환하는 식물의 필수 요소입니다. 그러나 우리 중 일부는 배후에 있는 모든 과학에 겁을 먹기도 합니다. 따라서 이 글에서는 재배자와 신진 과학자들이 큰 그림과 함께 세부 사항을 이해할 수 있도록 이 매혹적인 주제를 이해하기 쉽게 설명합니다.

엽록소의 기능은 무엇인가요?
엽록소의 공식은 무엇인가요?
엽록소 분자는 어디에 있나요?
분자란 무엇인가요? 약간의 과학.
엽록소 분자란 무엇인가요? 엽록소-a와 엽록소-b
엽록소는 색소 분자입니다.
엽록소가 빛과 상호작용하는 방식
엽록소와 생명의 주기
더 나은 빛 모니터링으로 광합성 촉진

그림 1 – 사진 제공: 픽사베이

엽록소의 기능은 무엇인가요?

생각해보면 우리가 먹는 거의 모든 음식은 직간접적으로 식물에서 비롯됩니다. 우리 식탁에 오르는 육류도 전적으로 식물에 의존해 영양을 얻는 초식동물에서 유래합니다. 이 전체 먹이 그물의 중심에는 엽록소라는 단일 분자가 있습니다.

엽록소는 식물이 햇빛, 이산화탄소, 물을 에너지가 풍부한 포도당으로 전환하는 과정인 광합성을 시작하는 식물 세포의 녹색 색소입니다. 이 에너지는 식물의 성장을 촉진하고, 이는 다시 지구상의 모든 생명체에게 식량, 산소, 서식지 등 다양한 형태로 지원됩니다.

엽록소가 없으면 광합성이 일어나지 않아 식물이 자라지 못하고 산소가 대기 중으로 방출되지 않아 우리가 알고 있는 먹이사슬이 붕괴될 것입니다. 미세한 조류부터 우뚝 솟은 나무까지, 엽록소는 생명체의 원동력이 되는 분자입니다. 그래서 많은 과학자들은 물과 함께 지구상의 생명체를 유지하는 데 가장 중요한 물질 중 하나로 간주합니다.

엽록소의 공식은 무엇인가요?

엽록소는 단일 분자가 아니라 관련 화합물의 집합체입니다. 식물에서 가장 흔하게 발견되는 두 가지 유형은 엽록소 a와 엽록소 b입니다:

클로로필 a: C₅₅H₇₂O₅N₄Mg
엽록소 b: C₅₅H₇₀O₆N₄Mg

이 분자들은 중앙의 마그네슘 이온(Mg²⁺)과 결합된 큰 포르피린 고리라는 공통된 구조를 공유합니다. 이러한 구조를 통해 빛 에너지를 효율적으로 흡수할 수 있습니다. 엽록소 a와 b는 곁사슬의 미세한 차이로 인해 서로 다른 파장의 빛을 흡수할 수 있어 식물이 광합성을 위해 더 넓은 범위의 태양 복사를 포착할 수 있습니다.

이러한 분자 구조 덕분에 엽록소는 태양 에너지를 화학 에너지로 변환하여 식물뿐만 아니라 지구상의 거의 모든 생명체에 연료를 공급하는 놀라운 능력을 발휘할 수 있습니다.

그림 2 – 모든 음식은 궁극적으로 식물에서 유래합니다 – 사진: Lina Kivaka(Pexels)

엽록소 분자는 어디에 있나요?

엽록소 분자는 식물의 광합성 과정의 일부로, 이전 기사에서 다룬 바 있습니다(여기). 거기에서 광합성은 식물 > 식물 세포 > 엽록체 > 틸라코이드 > 틸라코이드 막에서 일어난다고 언급했습니다.

그림 3 – 엽록소는 틸라코이드 막에서 일어나는 광합성의 일부입니다(이미지를 클릭하면 확대됩니다).

틸라코이드 막에는 빛을 받아 사용 가능한 식물 에너지(ADP 및 NADPH)로 전환하는 일종의 공장이 들어 있습니다. 이 공장에는 빛을 흡수하는 엽록소 분자를 함유한 PSII와 PSI 성분이 있습니다.

그림 4 – 틸라코이드 멤브레인의 빛 에너지 공장

분자란 무엇인가요? 약간의 과학.

물을 생각하면 분자가 무엇인지 쉽게 이해할 수 있습니다. ‘원자‘는 기본적이고 보편적인 요소입니다. 예를 들어 산소 원자와 수소 원자가 있습니다. 산소 원자 하나를 수소 원자 두 개와 연결하면 H2O 분자 또는 단순히 물이 됩니다. 이산화탄소(CO2)는 탄소 1개와 산소 2개 원자가 모두 연결된 상태입니다. 따라서 분자는 단순히 원자가 연결되어 독특한 물질을 만드는 것입니다.

하지만 H2O는 액체이고 CO2는 기체입니다. 하지만 그 속성이 다른 이유는 무엇일까요? 원자의 질량, 전하, 각 원자 내의 하위 입자 등 분자 구조의 특성이 본질적으로 다르기 때문입니다.

다시 말해, 엽록소 분자는 단순히 원자들이 연결된 집합체입니다. 분자 구조에 따라 빛을 흡수하고 광합성을 하는 고유한 특성이 결정됩니다.

그림 6 – 엽록소 분자

그림 5 – 원자와 분자

엽록소 분자란 무엇인가요? 엽록소-a와 엽록소-b

앞서 언급했듯이 엽록소의 분자 구조에 따라 빛을 흡수하는 능력이 결정됩니다. 하지만 빛의 색만 있는 것은 아닙니다. 식물은 엽록소, 엽록소-a와 엽록소-b의 두 가지 유형으로 진화했습니다.

클로로필-a와 클로로필-b는 모두 당사 공장의 PSII와 PSI에 존재합니다. 그러나 엽록소-b는 청색광을 더 잘 흡수하는 반면 엽록소-a는 적색광을 더 잘 흡수합니다. 분자 구조의 작은 부분을 제외하고는 근본적으로 유사합니다(그림 7). 하지만 이 작은 차이로 인해 두 가지 모두 빛을 흡수하는 능력이 달라집니다.

그림 7 – 엽록소-a와 엽록소-b는 분자 머리 부분의 작은 형성으로 구분됩니다.

엽록소는 색소 분자입니다.

앞서 언급했듯이 엽록소 분자는 모두 빛을 흡수할 수 있습니다. 엽록소는 주로 스펙트럼의 녹색 영역에서 빛을 반사하기 때문에 식물이 녹색으로 보이는 것입니다.

빛과 상호작용하는 분자의 능력은 이를‘색소 분자‘라고 부릅니다. 색을 나타낼 수 있는 대부분의 물체에는 페인트나 염료와 같은 색소 분자가 있지만, 머리카락의 색과 같이 천연 색소 분자도 존재합니다.

하지만 투명한 유리나 물과 같은 일부 물체에는 색소 분자가 없습니다.

흡수 차트 또는 감도 곡선(그림 8)은 클로로필 색소 분자가 작동하는 모습을 보여줍니다.

클로로필 a: 430nm(파란색) 및 662nm(빨간색) 부근에서 주요 피크가 나타납니다.
엽록소 b: 453nm(파란색)와 642nm(주황색) 부근에서 주요 피크가 나타납니다.

또한 녹색-노란색 영역에 큰 딥이 있는데, 이는 녹색을 흡수하는 대신 반사하거나 잎을 통해 투과하기 때문입니다.

그림 8(엽록소 감도 곡선) – 이미지 : Daniele Pugliesi CCA Share Alike 3.0 제공

그림 9 – 엽록소는 광합성을 위해 청색광과 적색광을 사용합니다. 캐노피 아래에는 원적색광이 더 풍부하며, 바로 이 지점에서 피토크롬이 작용합니다.

엽록소가 빛과 상호작용하는 방식: 청색과 적색 파장의 역할

이 질문에 대한 답은 진화의 흥미로운 결과입니다.

블루라이트

청색광은 시각 스펙트럼의 다른 색상보다 파장이 짧고, 파장이 짧다는 것은 더 많은 에너지를 포함하고 있다는 것을 의미하며, 다시 말해 청색광은 비용 대비 효과가 더 높습니다. 식물은 이 고에너지 부스트를 활용하도록 진화해 왔습니다.

태양을 직접 바라보는 나뭇잎은 표면에 다양한 색(그림 10)이 떨어지게 됩니다. 그러나 태양을 향하지 않고 광활한 푸른 하늘을 바라보는 나뭇잎은 그 푸른 빛을 활용합니다(그림 11). 이를 간접 햇빛이라고 하는데, 많은 관엽식물은 간접 햇빛으로도 잘 자랍니다.

빨간불

빨간불은 어떻게 되나요? From Figure 8, you can see that Chlorophyll-a widens the range of available spectra available for photosynthesis.

원적색광

위에서 언급한 전략은 식물이 빛 에너지 수확을 최적화하기 위해 사용하는 진화적 방법입니다. 빽빽한 캐노피 아래에서도 일부 청색광과 적색광이 투과하기 때문에 일부 광합성이 이루어질 수 있습니다. 그러나 나뭇잎 아래에서 가장 풍부한 빛의 스펙트럼은 700nm 이상의 원적색입니다(그림 12 참조). 여기서 피토크롬이 개입하여 원적색 에너지를 흡수하여 엽록소 생성을 증가시키고 줄기의 성장을 촉진합니다. ( 피토크롬 및 광형성 참조).

그림 10 – 직사광선 아래의 전체 색상 스펙트럼 – 식물은 엽록소-a와 엽록소-b를 모두 사용합니다.

그림 11 – 태양을 향해 있는 잎의 푸른 하늘 스펙트럼(간접 태양광) – 클로로필-b는 여전히 푸른 빛을 사용할 수 있습니다.

그림 12 – 광합성에 문제가 있는 캐노피 아래의 스펙트럼은 700nm 이상은 피토크롬이 구조에 나서는 원적색입니다.

엽록소와 생명의 주기

엽록소는 광합성을 시작하여 식물이 성장하고 모든 생명을 유지하는 식량 또는 파생 식품이 될 수 있도록 도와줍니다. 이 생명체에서 질소가 풍부한 비료(배설물)가 나오면 농지에서 이 과정이 다시 시작됩니다. 광합성은 또한 숨 막히는 이산화탄소를 재활용하여 우리가 숨 쉬는 소중한 산소를 생산합니다.

이는 지속 가능한 생태계의 전형적인 모델이며, 이 모든 것이 엽록소에서 시작됩니다.

이 글에서는 신진 과학자가 되고자 하는 재배자를 위해 엽록소에 대해 무엇을, 어디서, 어떻게 사용하는지 살펴봤습니다. 이 강력한 분자에 대한 이해를 돕고, 과학이 결국 그렇게 나쁘지 않다는 확신을 심어드렸기를 바랍니다.

그림 13 – Unsplash의 Joshua J. Cotten 사진

결론 더 나은 조명 모니터링으로 광합성 촉진하기

엽록소가 빛, 특히 청색과 적색 파장과 어떻게 상호작용하는지 이해하면 식물이 건강하게 성장하는 데 진정으로 필요한 것이 무엇인지 파악하는 데 도움이 됩니다. 하지만 이론만으로는 충분하지 않습니다. 실제로 재배용 조명은 스펙트럼 품질이 매우 다양하기 때문에 정확한 측정 없이는 식물이 광합성을 위한 최적의 빛 스펙트럼을 받고 있는지 확인하기가 어렵습니다.

바로 여기에서 UPRtek PG200N 스펙트럼 PAR 미터가 차이를 만들어냅니다. 원예 조명 평가를 위해 특별히 설계된 PG200N은 PAR 범위(400-700nm)에서 정밀한 스펙트럼 분석을 제공하며 엽록소 비교 모드가 특징입니다. 이 고유한 기능은 엽록소 a와 b의 스펙트럼 감도 곡선을 실시간으로 측정된 성장 조명의 스펙트럼에 오버레이하여 이를 통해 다음과 같은 작업을 수행할 수 있습니다: