빛을 이용한 식량 생산

 

지구 상에 있는 생물의 거의 대부분은 태양에 의존해 살고 있다 즉 거의 모든 생ㅁ물이 빛에너지를 이용하여 이산화탄소와 물로부터 당과 유용한 분자를 만들어내는 광합성에 의존해 살고 있다.

식물을 포함한 모든 광합성 생물은 빛에너지와 공기 중의 이산화탄소, 그리고 땅속의 물만 가지고 포도당을 만들 수 있다.

포도당 외에 생기는 광합성 부산물인 산소는 공기로 방출된다.

광합성에 의해 광합성 생물뿐 아니라 광합성생물을 먹고 사는 생물들이 살아갈 수 있는 양분이 만들어지기 때문에 광합성은 지구 상에서 일어나는 가장 중요한 화학과정이라고 할 수 있다.

빛은 식물에게 매우 중요하여 빛의 역할은 광합성에서 끝나지 않는다 식물이 빛을 감지하는 것은 동물이 시력을 갖는 것과 같이 중요하다. 우리 눈에 있는 수용체가 빛을 신경신호로 전환하여 영상을 만들어내는 것과 같이 식물세포의 빛 수용체는 빛을 화학적 신호로 전환하여 씨앗이 발아하는 것이나 꽃을 피워내는 것과 같은 식물의 주요한 생활사를 진행하는 신호로 사용한다. 예를 들어 어떤 식물은 본이나 여름처럼 낮의 길이가 더 길어질 때만 꽃을 피운다.

대게 낮이 기렁지면 날씨가 더워지고 식물의 성장이 더 좋아지기는 하지만 꽃이 피도록 자극하는 것은 온도가 아니라 빛이다.

 

 

자가영양생물은 생물권의 생산자이다.

 

식물은 자신에게 필요한 식량을 스스로 생산하고 다른개체나 유기물질을 먹지 않고도 살아갈 수 있기 때문에 독립영양생물 (그리스어로 '자가양육'의 뜻)이라고 한다.

식물세포에 있는 엽록체는 태양으로부터 1억 5,000만km나 날아온 빛에너지를 이용하여 이산화탄소와 물을 재료로 하여 포도당이나 다른 유기화합물 등의 화학에너지를 만든다.

매우 단순한 원료를 사용하여 유기물질의 식량을 만들어내므로 식물은 생물권(지구에서 생물체가 차지하는 부분)에서 생산자의 역할을 한다.

즉 식물은 생물권의 식량공급원이다. 그러나 정확하게 말하면 식물이 유일한 생산자는 아니다. 몇몇 종류의 박테리아나 원생생물 역시 무기물질로부터 유기물질인 식량을 만들 수 있기 때문이다. 이렇게 빛에너지를 이용하여 유기식량을 만들 수 있는 모든 생명체를 통틀어 광합성 독립영양생물이라고 부른다.

광합성 독립영양생물은 매우 다양하다. 육지에서는 나무나 풀 같은 식물이 주된 생산자이지만 물속에서는 조류(광합성을 하는 원생생물)나 광합성 박테리아가 주요 식량 생산자이다.

식물, 조류, 광합성 박테리아는 모두 이산화탄소와 물을 재료로 하고 빛에너지를 이용하여 유기물질을 합성한다.

식물과 조류의 경우에는 엽록체라고 하는 세포 내 소기관에서 이 과정이 일어난다.

광합성은 엽록체에서 일어난다.

녹색으로 보이는 모든 식물 부위에는 엽록체가 있으며 여기에서 광합성이 일어난다.

대부분의 식물은 잎에 엽록체가 가장 많기 때문에 광합성은 주로 잎에서 일어난다. 식물이 녹색으로 보이는 이유는 엽록체에 엽록소가 들어 있기 때문이다. 엽록소는 빛에너지를 흡수하며 엽록소가 흡수한 이 빛에너지를 이용하여 엽록체는 식량을 만든다.

엽록체는 잎의 표피 바로 밑층인 녹색의 잎살조직에 많이 분포되어 있다. 기공은 광합성에 필요한 이산화탄소를 잎 안으로 들여보내고 광합성 결과 만들어진 산소를 잎 밖으로 내보내는 곳이다. 잎살세포를 현미경으로 자세히 들여다보면 한 세포내에 수많은 엽록체가 있는 것을 알 수 있다.

엽록체 막은 광합성반응이 일어날 수 있는 골격 구조를 형성하는데 이는 마치 에너지 수확기관인 미토콘드리아에서 미토콘드리아막이 담당하는 역할과 같다.

미토콘드리아처럼 엽록체에도 외막과 내막이 있고 그 사이에 막사이공간이 있다. 엽록체의 내막 안에는 스트로마라는 진한 액체가 들어 있는데, 이산화탄소를 이용하여 포도당이 만들어지는 곳이 바로 스트로마이다. 스트로마에는 얇은 원판 모양의 막으로 된 주머니들이 정교하게 배열되어 있는데 이를 틸라코이드라고 한다. 틸라코이드가 집중적으로 쌓여 있는 부분을 그라나라고 한다 틸라코이드의 막에는 빛에너지를 포획하는 엽록소와 빛에너지를 화학에너지로 전환하는데 필요한 수많은 분자들이 자리 잡고 있다.

 

식물은 물을 분해해서 산소를 생성한다.

호수나 연못에 사는 식물의 잎을 관찰해 보면 종종 기포로 덮여 있는것을 볼 수 있는데 이 기포가 바로 광합성 부산물인 산소이다. 1700년대에 네덜란드 사람인 잉겐하우스는 식물이 생성하는 산소가 이산화탄소로부터 나온 것이라고 주장하였다. 그러나 그로부터 약 200년 후인 1950년대에 이르러서야 이 가설을 시험해 볼 수 있었다.

광합성 반응식에서 물분자가 반응물이면서 동시에 생성물로 표시된 것에 주목하라. 이 실험은 광합성 과정에서 발생되는 산소가 잉겐하우스가 예상했던 이산화탄소에서 유래한 것이 아니라 물분자에서 온 것이라는 것을 증명해준다. 따라서 한 분자의 산소를 만들기 위해서는 두 분자의 물이 필요하다.

산소가 어디에서 왔는지 알게 되면서부터 광합성에서 어떤 과정이 일어나는지를 추측할 수 있게 되었고 그 후에 수행된 실험 결과로부터 이산화탄소에 있던 산소원자와 반응물이 물에 있던 수소 원자가 포도당 분자와 새로 만들어진 물분자의 주성분이 된다는 것을 알 수 있었다.