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강력한 엽록소 분자

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

소개 – 재배자가 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.

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그림 1 – 사진 제공: 픽사베이

엽록소의 강력한 힘은 무엇일까요?

생각해보면 우리가 먹는 모든 음식은 직간접적으로 식물에서 비롯됩니다. 우리가 섭취하는 육류도 초식동물이나 식물을 먹는 동물에서 나온 것입니다. 그리고 엽록소는 광합성을 촉발하여 모든 음식의 구성 요소가 되는 식물의 성장으로 이어집니다. 따라서 엽록소는 물을 제외하고 지구상의 생명체에 가장 필수적인 분자일 수 있습니다.

 

실내 원예

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). 광합성은 식물 > 식물 세포 > 엽록체 > 틸라코이드 > 틸라코이드 막에서 일어난다고 언급했습니다.

실내 원예

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.

피토크롬, Pr 및 Pfr 분자

그림 6 – 엽록소 분자

피토크롬, Pr 및 Pfr 분자

그림 5 – 원자와 분자

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-b는 공장의 PSII에 존재하며 주로 청색광을 흡수합니다. 클로로필-a는 PSI에 존재하며 주로 적색광을 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 하락이 있는 것을 볼 수 있는데, 이는 녹색을 흡수하는 대신 반사하기 때문입니다.

피토크롬과 싹이 트는 씨앗

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

피토크롬과 싹이 트는 씨앗

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

왜 블루라이트와 레드라이트인가요?

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. 엽록소-b는 이러한 고에너지 부스트를 활용하도록 진화했습니다.

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). This is called indirect sunlight; many houseplants do just fine with that.

Red Light

What about red light? From Figure 8, you can see that Chlorophyll-a widens the range of available spectra available for photosynthesis. Chlorophyll-a also contributes to a pool of energy called the Reaction Center, where Chlorophyll-b benefits from.

Far-Red Light

The strategies mentioned above are evolutionary ways plants use to optimize light energy harvesting. Even under a dense canopy, some photosynthesis can still take place, as some Blue and Red light penetrates. However, the most abundant spectra of light under leaves are Far-Red, above 700nm (See Figure 12). This is where Phytochromes step in, absorbing Far-Red energy to increase Chlorophyll production and encourage stem growth. (See Phytochromes and Photomorphogenesis).

 

Fig 10 – Full spectrum of colors under direct sunlight – Plants employ both Chlorophyll-a and Chlorophyll-b.

Fig 11 – Spectrum of the blue sky for leaves facing away from the sun (indirect sunlight) – Chlorphyll-b can still employ blue light.

Fig 12 – Spectrum underneath a canopy where photosynthesis is challenged, but above 700nm is far-red where phytochromes come to the rescue.

Chlorophyll and the Cycle of Life

Chlorophyll kickstarts photosynthesis, which helps plants grow and become the food or derived food that sustains all life. From this life comes nitrogen-rich fertilizer (excrement) that begins the process all over again on farmlands. Photosynthesis also recycles the suffocating CO2 and produces the precious Oxygen we breathe.

It’s the quintessential model of a sustainable ecosystem – and it all starts with Chlorophyll.

In this article, we covered the what, where, and how about Chlorophyll for growers who want to be budding scientists. We hope we enlightened you or filled in some spaces about this mighty molecule and convinced you that science is not so bad after all.

Fig 13 – Photo by Joshua J. Cotten on Unsplash

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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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