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광합성의 세계

식물을 푸르게 만드는 대표적 기관은 잎이다. 초록색은 광합성에 거의 쓰이지 않는 가시광선 영역이기 때문에 잎에서 반사돼 나오고 덕분에 우리는 식물이 반사하는 푸른색을 보면서 편안함을 느낀다. 광합성이란, 말 그대로 빛을 이용해 일어나는 합성반응이다. 좀 더 구체적으로 말하면 태양에너지를 이용해 포도당을 만드는 과정이다. 포도당을 만들기 위해서는 이산화탄소와 물이 필요하고 이 과정에서 부산물로 산소가 만들어진다. 덕분에 대부분의 생물이 영양분도 얻고 영양분을 태울 수 있는 물질도 얻는 일석이조의 효과를 누릴 수 있게 된 것이다. 식물을 포함한 모든 살아있는 생물은 포도당으로부터 에너지를 얻는다. 포도당은 세포 속 미토콘드리아로 들어가서 산소에 의해 태워진다(산화). 이때 생물이 사용할 수 있는 에너지인 ATP(Adenosine Triphosphate)를 얻는다. 광합성은 식물에서만 일어나는 것이 아니다. 바다에 풍부한 조류나 많은 종류의 세균도 광합성을 할 수 있다.
 
광합성은 크게 두 과정으로 나뉜다. 빛에너지를 사용하는 명반응(Light dependant reaction)과 빛에너지를 사용하지 않지만 이산화탄소를 이용해 포도당을 만드는 암반응(Light independent reaction)이다. 명반응은 엽록체 안의 틸라코이드 막에서 일어난다. 여기서 잠깐 엽록체를 살펴보자. 엽록체는 광합성을 하는 생물의 세포에 있는 세포소기관이다. 막으로 둘러싸인 주머니 속에 또 다른 주머니들이 가득 차 있는 이중막 구조다. 우리 주변의 물체에 비유하자면 동전이 들어있는 동전 주머니, 동그란 초콜릿을 가득 담고 있는 포장봉투를 떠올리면 되겠다. 단, 동전 사이의 공간, 초콜릿 사이의 공간은 공기가 아닌 액체가 가득 차 있어야 한다. 엽록체 내부가 그러하니까. 틸라코이드 막에는 엽록소라는 화합물을 가진 광계라는 단백질이 있다. 이곳에서 빛을 이용해 물을 분해하는 대단한 반응이 일어난다. 광학현미경으로도 볼 수 없는 이 조그마한 부분이 빛을 이용해 물을 분해한다니 놀라운 자연의 힘이다. 이렇게 분해된 물은 수소이온과 전자를 생산하고 남은 찌꺼기(?)로 산소를 만들어낸다. 즉, 산소는 광합성의 목적이 아니다. 광합성에서 더 중요한 것은 수소이온과 전자다. 하지만 그 덕분에 지구상 대부분의 생물이 산소를 이용해 살아간다. 이렇게 만들어진 수소이온과 전자는 각각 또 다른 화합물을 생산하고 이 화합물들은 다음에 일어날 암반응을 진행시킨다.

암반응은 이름처럼 빛이 없는 환경에서 일어나는 어두운 반응이다. 어두컴컴한 환경에서 제대로 활동할 수 없는 사람과 달리 식물은 전 지구의 생명체가 먹고 살아갈 포도당을 만든다. 암반응은 이 과정을 발견한 과학자의 이름을 따서 캘빈회로(캘빈-밴슨-버샴 회로)라고도 한다. 이산화탄소로부터 탄소를 얻어, 탄소를 여섯 개 가진 포도당을 만들고 이 포도당은 식물의 각 기관으로 운반돼 녹말로 저장되기도 하고 에너지를 내는 데 쓰인다. 눈에 보이지 않는 기체로부터 우리가 매일 먹는 맛있는 밥을 만들어 주니 이만하면 최고의 자연 요리사라고 할 수 있겠다.
 
광합성 연구의 역사

 

식물이 포도당을 생산한다는 생각은 언제부터 갖게 됐을까? 현재 우리가 알고 있는 사실들은 대부분 19세기 수많은 과학자들의 발견을 통해 알려졌지만 광합성은 아직 그 과정이 완벽하게 밝혀지지는 않았다.

처음으로 광합성에 대해 연구한 과학자는 반 헬몬트(Jan van Helmont)다. 17세기 중엽 그는 식물이 자랐던 토양의 질량과 식물의 질량을 측정했다. 그는 식물이 성장하면서 질량이 증가하는 것은 뿌리로부터 흡수되는 물과 매우 밀접한 관련을 맺고 있을 것이라는 가설을 세운다. 현재 그의 가설은 부분적으로는 받아들여질 수 있지만 대부분의 영양분은 물이 아닌 기체상태의 이산화탄소로부터 만들어진다는 것이 정설이다. 식물의 성장과 광합성의 밀접한 관련성에 대한 생각의 토대가 된 최초의 실험이었다.

그 후 영국의 화학자이자 신학자였던 프리스틀리(Joseph Priestley)가 위가 막힌 종 모양의 병에 공기를 가둬 두고 그 속에서 양초를 태우는 실험을 한다. 그 결과 병 속에 들어있는 양초는 다른 양초에 비해 빨리 꺼졌다. 그는 다시 쥐가 병 속에서 언제까지 살 수 있는지를 실험하고 마지막으로 양초, 쥐 그리고 식물을 함께 병에 넣고 얼마나 살 수 있는지 관찰한다.

1778년 오스트리아의 의사였던 잉겐하우스(Jan Ingenhousz)가 프리스틀리의 실험을 다시 재현해 식물에 햇빛을 비춰주면 쥐가 오래 살 수 있다는 것을 발견한다.

1796년 세네비에르(Jean Senebier)는 녹색 식물이 이산화탄소를 소비하고 산소를 방출한다는 것을, 소슐(Nicolas-The′ odore de Saussure)은 이산화탄소와 함께 물을 흡수해야만 식물의 질량이 증가한다는 것을 밝혀낸다. 그리하여 광합성의 기본적인 반응식이 알
려진다.

그 후 에머슨(Robert Emerson)은 광합성에는 서로 다른 파장의 빛이 사용되는 두 개의 명반응이 있다는 것을 밝혀낸다. 빨간색 빛만 비추면 광합성 반응이 잘 진행되지 않지만 파란색과 빨간색을 함께 비춰주면 광합성이 훨씬 잘 이루어진다는 것을 알게 됐다. 그 결과, 광합성에는 두 가지 광계이 있다는 것, 이 두 가지 광계는 600nm(나노미터, 1nm는 백만 분의 1m, 광계II), 700nm(광계I) 영역대의 빛을 흡수한다는 것을 알게 된다. 이러한 실험결과를 시작으로 광계에 대한 연구가 활발하게 진행됐으며 광계II에는 엽록소 a 말고도 엽록소 b를 포함한 다양한 색소가 있다는 것을 알아낸다.

로버트 힐 은 이러한 복잡한 광합성 반응이 다양한 화합물에 진행되는 단계별 반응의 총체라는 것을 알아낸다. 또한 광합성으로 인해 만들어진 산소는 물로부터 온 것이라는 것도 밝혀낸다. 그는 세포로부터 엽록체를 분리해 직접 빛을 비추고 산소가 만들어지는 것을 실험
으로 보였다.

한편 캘빈(Melvin Calvin), 벤슨(Andrew Benson), 버샴(James Bassham)은 암반응 과정을 밝힌다. 암반응, 즉 탄소가 합성되는 과정은 앞에서 살펴본 것처럼 빛이 필요 없는 반응이다.




광합성과 지구온난화

최근 계속되는 이산화탄소로 인한 지구온난화의 영향으로 지구 전체 생태계가 크게 위협받고 있다. 특히 전체적으로 기후가 따뜻해지면서 냉대, 한대 지역에 살고 있는 식물들이 멸종위기에 처해 있다.

수 십 년간 미국 과학자들이 미항공우주국(NASA)의 위성자료를 분석한 결과 1980년부터 1990년까지 기온이 급격하게 상승했다. 기온의 상승은 광합성률을 증가시키고 식물의 생장을 촉진시켰다. 그 이후에도 기온은 계속해서 상승했고 지구온난화의 영향으로 따뜻한 겨울, 엘니뇨, 라니냐와 같은 이상기후 현상이 나타나기 시작했다. 식물생태계는 오히려 나빠졌다. 2000년부터 2009년 사이 이상 기후로 인한 가뭄이 급격히 증가했다. 이로 인해 식물의 생장은 나빠졌다. 결국 기온의 상승은 지구 전체적인 피해를 준 것이다. 더욱 심각한 문제는 지구 온난화의 원인인 이산화탄소를 잡는 능력을 가진 식물이 가장 먼저 기후변화의 피해를 입는다는 것이다.

식물이 줄면 사막화가 빨라져 토양의 유실이 증가된다. 살아갈 터전을 잃은 다른 생태계의 생물들도 함께 멸종될 수밖에 없다. 이제 점점 황폐해져만 가는 지구를 그냥 지켜보고 있어서는 안 된다. 화장실에서 손을 닦기 위해 무심코 사용한 휴지, 무분별하게 낭비하는 종이를 줄이고 사용한 종이들을 다시 재활용하는 지혜를 발휘하자. 또한 나무를 심고 정성껏 가꾸며 우리와 함께 살고 있는 다른 생명체들을 생각하는 넓은 마음을 가져야 할 때다.