식물의 대사는 광합성을 통해 이루어진다. 복잡하고도 정교한 광합성의 과정은 수백년에 걸친 과학자들의 실험과 연구를 통해 조금씩 밝혀져 왔다. 식물의 광합성에 대한 모든 것을 알아본다.
광합성이 진행되는 과정은 매우 복잡하고 정교하여 간단하게 설명하기가 쉽지 않다. 여기에서는 광합성 과정이 밝혀지는 역사적 배경을 살펴보고, 광합성에 필요한 환경적 요인에 관해서 다루어 보도록 하겠다.
광합성 과정의 발견
●헬몬트의 실험(1648년) : 벨기에의 헬몬트는 광합성에 관한 실험을 시도하였다. 그는 건조한 흙을 질그릇에 넣고 2.75kg의 버드나무를 심은 뒤, 윗부분을 판자로 덮은 후 빗물과 증류수만으로 길렀다.
5년 후에 버드나무는 76.74kg으로 생장하여 약 74kg이나 자랐으나, 흙은 겨우 0.06kg만 줄어들었다는 사실을 발견하고 놀랐다.
헬몬트는 이 실험을 기초로 식물체는 흙 속에 있는 물질로부터 양분을 얻어 자라는 것이 아니며, 단지 물만으로도 자랄 수 있다고 확신하게 되었다.
헬몬트 시대에는 흙 물 공기 불의 4가지 원소만 존재한다고 생각하였으며, 공기와 불은 무게가 없다고 믿었다.
헬몬트는 버드나무의 무게가 증가된 요인으로 공기의 성분을 고려하지 않음으로써 잘못된 결론을 내리게 된 것이다.
● 프리스틀리의 실험(1772년) : 프리스틀리는 식물의 광합성할 때 발생하는 기체가 무엇인가를 알아보는 실험을 다음과 같이 하였다.
프리스틀리는 이 실험을 통하여 식물은 나쁜 공기를 신선한 공기로 만드는 능력을 가지고 있다고 설명하였다.
실험 (가)와 (나)에서 식물과 생쥐가 죽은 것은 식물과 생쥐 각각에게 필요한 어떤 성분이 고갈되었기 때문이다. 반면 (다)에서 식물과 생쥐가 모두 살 수 있는 것은 고갈된 어떤 성분이 채워졌기 때문일 것이다.
이것은 광합성 과정에 CO₂가 이용되고 O₂가 방출된다는 사실을 암시하여 주는 내용이다.
●잉겐하우즈의 실험 : 프리스틀리의 방법으로 여러 사람이 실험을 실시하였으나, 동일한 결과를 얻기가 힘들었다. 그래서 이를 보완하는 실험을 잉겐하우즈가 실시하였다.
이 실험에서 쥐가 살기 위해서는 반드시 빛이 비치는 곳에서, 녹색식물이 함께 있어야만 가능하다는 것을 밝혔다.
● 소쉬르의 실험(1864년) : 소쉬르는 콩을 재료로 하여 광합성 실험을 한 결과 식물이 자라면서 식물체의 탄소량이 증가한다는 사실을 알아냈다.
이것은 식물이 공기 중의 CO₂로부터 얻은 탄소 때문이라고 하였다. 그리고 광합성에서 흡수한 CO₂의 양과 방출한 O₂의 양이 같다는 것도 알아냈으며, 이것은 광선이 있을 때만 일어나며 광선이 없는 어둠 속에서는 O₂가 흡수되고 CO₂가 방출된다고 하였다.
또한 식물체의 무게가 증가한 양과 발생한 O₂양의 합이 소비한 CO₂의 양보다 크다는 것을 알아내고, 그 이유는 식물체가 흡수한 H₂O 때문이라고 하였다.
이상과 같은 여러가지 실험을 종합하여 광합성의 일반식이 이루어졌다.
6CO₂+12H₂O --→ ${C}_{6}$${H}_{12}$${O}_{6}$+6O₂+6H₂O
이 과정은 엽록체에서 일어나며 반드시 빛이 필요하다는 사실까지 밝혀진 것이다.
광합성에 영향을 주는 요인
● 지구에 도달하는 태양 에너지 : 지구에 도달하는 태양의 에너지는 태양에서 발사된 에너지량의 20억분의 1에 지나지 않는다.
태양 광선은 단색광처럼 보이지만 프리즘을 통과시키면 여러가지 색으로 분리된다. 햇빛이 여러가지 색으로 분산되는 까닭은 파장에 따라 굴절률이 다르기 때문이다.
태양이 발산하는 방사 에너지에는 거의 모든 에너지가 갖추어져 있으나, 지표에 이르는 에너지 파장은 0.3-0.8㎛로 식물의 모든 작용을 지배하고 있다. 0.3-0.8㎛의 파장이란 이른 바 가시광선(0.4-0.7㎛)에 가까운 것으로, 식물은 이 에너지를 주로 잎의 엽록소로 받아들여 광합성을 한다.
0.4㎛ 이하의 자외선 부분은 살균 작용이 있어 강하면 해가 되지만 식물체 내에서의 화학합성 과정에도 중요한 역할을 한다.
또, 0.7㎛ 이상의 적외선은 대기를 따뜻하게 하는 작용이 강하여 온도 요인으로서 식물에 작용하며, 식물의 형태 형성에도 크게 영향을 준다.
● 녹색식물에게 녹색광을 비추면 어떻게 될까? : 엽록소를 순수하게 분리하여 여러가지 파장의 빛을 비춰주면 파장에 따라 흡수하는 정도가 다른 흡수 스펙트럼을 얻을 수 있다.
엽록소 a와 엽록소 b의 흡수 스펙트럼은 약간의 차이는 있지만 청자색광과 적색광을 가장 잘 흡수하며, 녹색광이나 황색광은 거의 흡수하지 않고 반사하거나 투과시키는 것을 볼 수 있다. 이와 같은 현상은 엽록소 자신이 황록색으로 되어 있기 때문에 나타난다. 그러므로 녹색식물에 녹색광을 계속 비추면 광합성을 못하여 죽게 된다.
광합성 속도 측정 방법
광합성이 일어나고 있는 정도를 알고 싶을 때 생성되는 포도당의 양을 측정하면 되지만, 이 방법으로는 지속적으로 광합성 속도를 측정할 수 없다. 그래서 간접적으로 광합성 속도를 측정한다. 광합성의 일반식이 일정하므로 흡수되는 CO₂나 발생되는 O₂의 양을 측정하여 포도당의 양을 계산하는 방법이 이용되고 있다.
●이산화탄소 흡수량으로 광합성 속도를 구할 수 있다. : 광합성 속도를 측정할 때 가장 많이 쓰이는 방법으로 식물체의 전부나 일부(이를테면 잎1장)를 공기가 드나드는 투명한 용기에 넣어 빛을 비추고, 일정한 흐름의 공기를 유통시켜 들어가는 공기와 나오는 공기의 이산화탄소 농도를 측정한다. 두 농도의 차이에서 식물이 흡수하거나 방출한 이산화탄소의 양을 알 수 있다.
식물의 광합성량과 호흡량이 일치하면 외관상 이산화탄소의 흡수는 0이 된다. 이 때의 빛의 세기를 보상점이라 한다. 보상점보다 강한 빛이 되면 이산화탄소 흡수가 나타난다. 그리고 빛이 어느 일정한 세기에 도달하면 그 이상 아무리 강해져도 광합성 속도는 증가하지 않는다. 이 상태를 광포화라 한다.
온도 25℃에서 1g의 녹조류는 어두운 곳에서 1시간에 3.5mg의 CO₂를 방출하였고, 일정한 세기의 빛을 비추면 1시간에 62.5mg의 CO₂를 흡수했다.
이 녹조류가 1시간에 생산하는 포도당의 양은 얼마인가?
이산화탄소 양을 알면 다음 식에 의해 분자량을 계산한 후, 비례식으로 포도당의 양을 구할 수 있다(단, 원자량은 C는 12, H는 1, 0는 16이다).
6CO₂+12H₂O --→ ${C}_{6}$${H}_{12}$${O}_{6}$+6O₂+6H₂O
(264) (180)
264:180=(62.5+3.5) : x에서 x는 45mg가 된다(실제 광합성에 사용된 CO₂ 양은 외관상 광합성에 이용된 62.5mg에다 호흡에 사용된 3.5mg을 더해야 한다).
●수중식물에서는 발생되는 산소의 양으로 속도를 측정할 수 있다.
우선 온도와 광합성의 관계를 조사하는 실험을 살펴보자.
그림과 같이 하여 일정 시간당 나오는 기포수를 측정하면 광합성 속도의 차를 알 수 있다.
보통 온도보다 저온으로 만들 경우 얼음을 넣어 수온을 내리고, 고온일 때의 광합성 속도를 조사하고자 할 경우는 더운 물을 넣고 장치하여 실험한다.
또 빛의 세기와 광합성의 관계를 조사할 수도 있다.
전등을 가까이 할수록 일정 시간에 모이는 산소량이 많다. 즉 빛이 강할수록 광합성이 잘 된다.
이상과 같이 광합성 속도는 빛의 세기, 이산화탄소의 농도, 온도에 따라 영향을 받는다. 이러한 환경 조건의 독자적으로 광합성에 영향을 주는 것이 아니라 상호간에 연관되어 있다. 이 중 어느 하나라도 부족하면, 다른 조건이 충분하더라도 광합성은 제한을 받게 된다.
광합성에 영향을 주는 간접 요인은?
●바람 : 무풍 상태 - 광합성에 의해 이산화탄소가 흡수되므로 잎 표면에 접한 부분 공기의 이산화탄소 농도가 저하되어 광합성이 약해진다.
적당한 바람 - 잎의 표면에 새로운 공기를 끊임없이 보내, 이산화탄소의 농도를 적당하게 유지하므로 광합성 속도가 높다.
강한 바람 - 잎에서 증산이 너무 심해져서, 잎은 수분의 유실을 막기 위해 기공을 닫아버린다. 그러므로 광합성 속도도 저하된다.
●물 : 수분이 부족하면 물의 증산을 막기 위해 기공을 닫아버리므로 이산화탄소의 흡수가 불가능해져 광합성 속도가 저하된다.
● 대기오염 : 대기오염 물질의 작용으로 식물이 오염 물질을 받아들이지 않기 위해 기공을 닫아버리는 경우와, 엽록소가 파괴되어 광합성을 못하는 경우가 있다.
함께 생각해 봅시다
빛의 세기에 따른 광합성량과 호흡량의 관계를 조사하기 위하여 (그림)과 같이 장치하였다. 광원으로부터의 거리를 바꾸고 BTB용액의 색깔 변화를 조사했더니 (표)와 같았다.
이 실험 결과를 바르게 해석한 것은?
① 광원으로부터의 거리가 40cm일 때 광합성량과 호흡량은 같다.
② 빛의 세기가 강할수록 식물의 호흡량이 증가한다.
③ 빛의 세기가 강할수록 식물의 호흡량은 감소한다.
④ 빛의 세기가 강할수록 식물은 이산화탄소를 많이 필요로 한다.
⑤ 빛의 세기가 강할수록 식물이 있는 곳의 pH는 감소한다.
해설
기본개념 : BTB 용액의 색깔 변화로 광합성 속도를 측정하는 능력을 평가한다.
BTB용액은 산성에서 노란색, 중성에서는 초록색, 알칼리성에서는 푸른색이다.
풀이 : CO₂+H₂O→ H₂CO₃→${H}^{+}$+${HCO}_{3}^{-}$에서 광합성이 활발하게 진행되면 CO₂가 감소하게 된다. CO₂가 감소되면 pH가 증가하여 알칼리성이 되므로 BTB 색깔이 푸른색이 된다. 광원으로부터 거리가 멀어지면 광합성보다 호흡량이 늘어나므로 CO₂가 증가하여 산성화가된다.
정답 ④
