광합성은 녹색식물이 태양 에너지를 이용하여 이산화탄소($\text{CO}_2$)와 물($\text{H}_2\text{O}$)로부터 탄수화물을 합성하는 과정입니다. 이는 수목이 필요한 에너지를 스스로 만드는 독립영양의 핵심 대사입니다.
1. 광합성 색소
엽록소(Chlorophyll): 가시광선 중 적색과 청색 부근의 빛을 흡수하고 녹색을 반사하여 녹색으로 보입니다. 엽록소 a와 b가 주종을 이룹니다.
카로티노이드(Carotenoid): 보조 색소로서 엽록소가 흡수하지 못하는 빛을 흡수해 전달하며, 강한 빛으로부터 엽록소가 파괴되는 광산화 작용을 방지합니다.
2. 광합성 과정
명반응(Light Reaction): 엽록체의 그라눔(Granum)에서 일어나며, 빛 에너지를 이용하여 물($\text{H}_2\text{O}$)을 분해해 산소($\text{O}_2$)를 방출하고 ATP와 NADPH를 생산합니다.
암반응(Dark Reaction): 엽록체의 스트로마(Stroma)에서 일어나며, 명반응에서 생산된 에너지를 이용해 $\text{CO}_2$를 환원시켜 탄수화물을 합성합니다. 루비스코(Rubisco) 효소가 이 과정에 관여합니다.
3. 수목의 탄소고정 방식에 따른 분류
C-3 식물: 대부분의 목본식물이 해당하며, $\text{CO}_2$ 고정 결과 처음 만들어지는 화합물의 탄소 수가 3개(3-PGA)입니다. 광호흡이 일어나 에너지가 일부 손실됩니다.
C-4 식물: 열대성 초본류에 많으며, 목본 중에는 드뭅니다. 고온과 강한 빛에서 효율이 높고 광호흡이 거의 없습니다.
CAM 식물: 사막의 다육식물처럼 밤에 기공을 열어 $\text{CO}_2$를 고정하고 낮에 당을 합성하여 수분 손실을 최소화합니다.
4. 광합성에 영향을 주는 주요 요인
광도(Light Intensity):
광보상점: 광합성량과 호흡량이 일치하여 순광합성량이 0이 되는 지점입니다. 음수가 양수보다 광보상점이 낮아 그늘에서 잘 견딥니다.
광포화점: 광도가 높아져도 더 이상 광합성량이 증가하지 않는 시점입니다. 양엽이 음엽보다 광포화점이 높습니다.
온도: 온대지방 수목의 광합성 최적 온도는 보통 $15 \sim 25^\circ\text{C}$입니다. 고온에서는 암흑 호흡과 광호흡이 증가하여 순광합성량이 감소합니다.
이산화탄소($\text{CO}_2$): 대기 중 $\text{CO}_2$ 농도가 높아지면 광합성량이 증가하는 경향이 있으며, 수분이용 효율이 개선됩니다.
수분: 수분 부족 시 기공이 닫혀 $\text{CO}_2$ 흡수가 제한되고 광합성이 급격히 감소합니다.
무기양분: 질소(N)는 엽록소와 루비스코 효소의 구성 성분으로, 결핍 시 광합성이 크게 저하됩니다. 마그네슘(Mg), 철(Fe) 등도 영향을 미칩니다.
5. 광호흡(Photorespiration)
C-3 식물의 잎에서 빛이 있을 때만 일어나는 소모적인 호흡으로, 루비스코 효소가 $\text{CO}_2$ 대신 산소($\text{O}_2$)와 결합하여 고정한 탄수화물의 일부를 다시 분해하는 과정입니다. 고온과 강한 빛에서 증가하여 광합성 효율을 떨어뜨립니다.