광합성(Photosynthesis)은 식물, 조류 및 일부 세균이 빛 에너지를 이용하여 이산화탄소($CO_2$)와 물($H_2O$)로부터 유기물(포도당)을 합성하고 산소($O_2$)를 배출하는 과정입니다. 이는 지구 생태계의 에너지 근원이 되는 매우 중요한 화학 반응입니다.

광합성의 과정을 구체적으로 정리해 드립니다.

1. 광합성의 전체 화학식

$$6CO_2 + 12H_2O + \text{빛 에너지} \rightarrow C_6H_{12}O_6(\text{포도당}) + 6O_2 + 6H_2O$$ (간략하게는 $6CO_2 + 6H_2O \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2$로 나타냅니다.)

2. 광합성이 일어나는 장소: 엽록체(Chloroplast)

  • 엽록소(Chlorophyll): 엽록체 안의 틸라코이드 막에 있으며, 빛 에너지를 흡수하는 색소입니다.
  • 틸라코이드(Thylakoid): 납작한 주머니 모양의 구조물로, 명반응이 일어나는 곳입니다.
  • 스트로마(Stroma): 엽록체 내부의 액체 성분으로, 암반응(캘빈 회로)이 일어나는 곳입니다.

3. 광합성의 2단계 과정

(1) 명반응 (Light-Dependent Reactions)

빛이 반드시 필요한 단계로, 엽록체의 틸라코이드 막에서 일어납니다. 과정: 1. 엽록소가 빛 에너지를 흡수합니다. 2. 흡수된 에너지로 물($H_2O$)을 분해하여 산소($O_2$), 전자($e^-$), 수소 이온($H^+$)을 만듭니다. (이때 산소가 밖으로 배출됩니다.) 3. 이 과정에서 화학 에너지인 ATP와 환원제인 NADPH가 생성됩니다. 결과물: 산소($O_2$), ATP, NADPH

(2) 암반응 = 캘빈 회로 (Light-Independent Reactions / Calvin Cycle)

빛이 직접 필요하지는 않으며(명반응 산물이 필요함), 엽록체의 스트로마에서 일어납니다. 과정: 1. 공기 중에서 흡수한 이산화탄소($CO_2$)를 고정합니다. 2. 명반응에서 만들어진 ATP와 NADPH를 에너지원으로 사용하여 이산화탄소를 환원시킵니다. 3. 최종적으로 고에너지 화합물인 포도당($C_6H_{12}O_6$)을 합성합니다. 결과물: 포도당($C_6H_{12}O_6$), ADP, NADP+

4. 광합성에 영향을 주는 요인

  1. 빛의 세기: 빛이 강해질수록 광합성량도 증가하지만, 일정 세기(광포화점) 이상이 되면 더 이상 증가하지 않습니다.
  2. 이산화탄소($CO_2$) 농도: 농도가 높을수록 광합성량이 증가하다가 일정 수준에서 정체됩니다.
  3. 온도: 광합성은 효소가 관여하는 반응이므로 35~40℃에서 가장 활발합니다. 하지만 온도가 너무 높으면 효소가 변성되어 광합성량이 급격히 감소합니다.

5. 광합성의 산물 이동 및 저장

  • 산소: 식물 자신의 호흡에 일부 사용되고, 나머지는 기공을 통해 대기 중으로 배출됩니다.
  • 포도당:
    • 저장: 생성 직후 녹말로 변하여 엽록체에 임시 저장됩니다.
    • 이동: 밤이 되면 물에 잘 녹는 설탕 형태로 변하여 체관을 통해 식물 전체(뿌리, 열매 등)로 이동합니다.
    • 사용: 에너지원(호흡), 식물 몸체 구성(셀룰로스), 저장(녹말, 지방, 단백질 등)으로 사용됩니다.

6. 광합성의 의의

  1. 에너지 공급: 태양의 빛 에너지를 화학 에너지로 전환하여 지구상의 모든 생물에게 먹이(유기물)를 제공합니다.
  2. 대기 정화: 이산화탄소를 흡수하고 산소를 방출하여 동물의 호흡과 대기 성분의 균형을 유지합니다.
  3. 화석 연료의 근원: 우리가 사용하는 석탄, 석유 등도 과거 생물들이 광합성을 통해 축적한 에너지의 결과물입니다.