[기본서 내용]
광합성은 녹색식물이 태양에너지를 이용하여 이산화탄소($\text{CO}_2$)와 물을 원료로 탄수화물을 합성하는 과정입니다. 이는 유기물을 스스로 합성하는 독립영양자의 핵심 대사작용입니다.
1. 광합성 색소와 장소
- 엽록체: 광합성이 일어나는 세포 소기관으로, 명반응이 일어나는 그라눔과 암반응이 일어나는 스트로마로 구성됩니다.
- 엽록소: 주된 색소로 엽록소 a와 b가 있으며, 가시광선 중 적색과 청색 파장을 주로 흡수하고 녹색 파장을 반사하여 우리 눈에 녹색으로 보입니다.
- 카로티노이드: 보조 색소로서 광에너지를 흡수하여 엽록소에 전달하며, 강한 빛으로부터 엽록소가 파괴되는 광산화 작용을 방지합니다.
2. 광합성의 기작
광합성은 크게 두 단계로 나뉩니다.
명반응: 햇빛이 있을 때 엽록체의 그라눔에서 진행됩니다. 물($\text{H}_2\text{O}$)이 광분해되어 산소($\text{O}_2$)가 발생하며, 이 과정에서 화학에너지인 ATP와 NADPH가 생산됩니다.
암반응(캘빈 회로): 햇빛 여부와 관계없이 엽록체의 스트로마에서 진행됩니다. 명반응에서 생성된 에너지를 사용하여 이산화탄소($\text{CO}_2$)를 환원시켜 최종적으로 탄수화물을 합성합니다.
3. 암반응에 따른 식물 분류
- C3 식물: 대부분의 수목이 해당하며, 이산화탄소를 고정할 때 처음 만들어지는 물질의 탄소 수가 3개입니다. 루비스코(Rubisco) 효소가 관여합니다.
- C4 식물: 옥수수나 사탕수수 등 일부 식물에 해당하며, 고광도와 고온에서 광합성 효율이 높고 광호흡이 적습니다.
- CAM 식물: 사막의 다육식물처럼 밤에 기공을 열어 $\text{CO}_2$를 고정하고 낮에 광합성을 완료하여 수분 손실을 최소화합니다.
4. 광합성에 영향을 주는 요인
- 광도: 광도가 높아질수록 광합성량이 증가하다가 더 이상 증가하지 않는 광포화점에 도달합니다. 반대로 호흡으로 방출되는 $\text{CO}_2$와 광합성으로 흡수되는 $\text{CO}_2$ 양이 일치하는 지점을 광보상점이라고 합니다.
- 양수: 광보상점과 광포화점이 높아 강한 빛에서 잘 자랍니다.
- 음수: 광보상점과 광포화점이 낮아 그늘에서도 효율적으로 생존합니다.
- 온도: 온대지방 수목의 광합성 최적온도는 대개 $15\sim25^\circ\text{C}$ 사이입니다. 온도가 너무 높으면 광호흡이 증가하여 순광합성량이 감소합니다.
- 이산화탄소: 대기 중 $\text{CO}_2$ 농도가 증가하면 일반적으로 광합성 속도도 증가합니다.
- 수분: 수분이 부족하면 기공이 닫혀 $\text{CO}_2$ 흡수가 제한되므로 광합성이 급격히 감소합니다.
- 무기영양: 특히 질소(N)는 엽록소와 루비스코 효소의 구성 성분으로 광합성에 직접적인 영향을 미칩니다.
5. 광호흡
- C3 식물에서 주로 발생하며, 빛이 있을 때 루비스코 효소가 $\text{CO}_2$ 대신 산소($\text{O}_2$)와 결합하여 고정된 탄수화물의 일부를 다시 분해하는 소모적인 과정입니다. 이는 고온에서 더욱 활발해집니다.