수목의 광합성에 관한 핵심 내용을 정리해 드립니다.
1. 광합성의 정의와 중요성
광합성은 녹색식물이 태양에너지를 이용하여 이산화탄소($\text{CO}_2$)와 물($\text{H}_2\text{O}$)을 원료로 탄수화물을 합성하는 과정입니다. 이는 지구 생태계 먹이연쇄의 기초가 되며, 육상 식물이 생산하는 물질의 약 2/3가 산림에서 만들어집니다.
2. 광합성 색소
- 엽록소(Chlorophyll): 엽록체 내의 그라눔에 존재하며, 가시광선 중 적색과 청색 부근의 빛을 흡수하고 녹색을 반사합니다. 엽록소 a와 b가 주종을 이룹니다.
- 카로티노이드(Carotenoid): 광합성 보조 색소 역할을 하며, 광도가 높을 때 엽록소가 광산화되어 파괴되는 것을 방지합니다.
3. 광합성 기작
광합성은 명반응과 암반응의 두 단계로 나뉩니다.
명반응(Light Reaction): 햇빛이 있을 때 엽록체의 그라눔에서 일어납니다. 물($\text{H}_2\text{O}$)을 분해하여 산소($\text{O}_2$)를 발생시키고, 태양에너지를 화학에너지인 ATP와 NADPH 형태로 저장합니다.
암반응(Dark Reaction): 엽록체의 스트로마에서 일어나며, 명반응에서 생성된 에너지를 이용하여 이산화탄소($\text{CO}_2$)를 환원시켜 탄수화물을 합성합니다.
4. 식물군의 분류
- C-3 식물: 대부분의 수목이 해당하며, 루비스코(Rubisco) 효소를 통해 $\text{CO}_2$를 고정하여 3탄당(3-PGA)을 먼저 만듭니다. 광호흡이 일어나 효율이 다소 낮습니다.
- C-4 식물: 열대성 초본류에 많으며, $\text{CO}_2$를 고정하여 4탄당(OAA)을 만듭니다. 광포화점이 높고 광호흡이 적어 고온·강광 조건에서 효율이 높습니다.
- CAM 식물: 사막의 다육식물이 해당하며, 밤에 기공을 열어 $\text{CO}_2$를 흡수해 말산 형태로 저장했다가 낮에 광합성을 합니다.
5. 광합성에 영향을 주는 요인
- 광도(Light Intensity):
- 광보상점: 광합성량과 호흡량이 일치하는 지점입니다. 음수가 양수보다 낮습니다.
- 광포화점: 광도가 증가해도 광합성량이 더 이상 늘어나지 않는 지점입니다.
- 양엽과 음엽: 한 나무 내에서도 햇빛을 많이 받는 양엽은 두껍고 광포화점이 높으며, 그늘진 곳의 음엽은 얇고 넓으며 낮은 광도에서 효율적입니다.
- 온도: 온대지방 수목의 최적 온도는 보통 $15\sim25^\circ\text{C}$입니다. 고온에서는 광호흡과 암호흡이 증가하여 순광합성량이 감소합니다.
- 이산화탄소($\text{CO}_2$): 대기 중 농도가 높아지면 광합성량이 증가하며, 수분이용 효율도 높아집니다.
- 수분: 수분이 부족하면 기공이 닫혀 $\text{CO}_2$ 흡수가 제한됩니다. 이는 식물호르몬인 아브시스산(ABA)과 관련이 있습니다.
- 무기영양: 질소(N)는 루비스코 효소와 엽록소의 구성 성분으로 광합성에 가장 큰 영향을 미칩니다. 인(P)과 칼륨(K)도 에너지 전달 및 기공 조절에 관여합니다.
6. 광호흡(Photorespiration)
C-3 식물에서 빛이 있을 때 광합성으로 고정된 탄수화물의 일부가 산소와 반응하여 다시 분해되는 과정입니다. 전체 광합성량의 $20\sim40\%$를 소모하여 효율을 떨어뜨리지만, 강한 햇빛으로부터 광합성 구조를 보호하는 역할을 하기도 합니다.