나무를 포함한 대부분의 식물(C3 식물)에서 일어나는 광호흡에 대해 구체적으로 정리해 드립니다.
1. 광호흡의 발생 원인: RuBisCO 효소의 이중성
광합성의 핵심 효소인 루비스코(RuBisCO)는 이산화탄소와 산소 모두에 결합할 수 있는 특성이 있습니다. 광합성(카르복실화): $CO_2$ 농도가 높으면 루비스코가 $CO_2$와 결합해 유기물(당)을 만듭니다. 광호흡(산소화): $O_2$ 농도가 높거나 기온이 올라가면 루비스코가 $O_2$와 결합합니다. 이때는 당을 만들지 못하고 오히려 이미 고정된 탄소를 $CO_2$ 형태로 다시 내뱉게 됩니다.
2. 광호흡의 진행 과정 (3가지 세포 소기관 협력)
광호흡은 단순히 한 곳에서 일어나는 것이 아니라, 엽록체, 퍼옥시좀, 미토콘드리아를 거치며 복잡하게 진행됩니다.
- 엽록체 (Chloroplast):
- 루비스코가 RuBP(5탄당)에 $O_2$를 결합시킵니다.
- 그 결과 3-PGA(3탄소 화합물) 1분자와 글리콜산(2-phosphoglycolate, 2탄소 화합물) 1분자가 생성됩니다. 이 글리콜산이 광호흡의 시작 물질입니다.
- 퍼옥시좀 (Peroxisome):
- 글리콜산이 이동해와서 글리신(아미노산의 일종)으로 변환됩니다.
- 미토콘드리아 (Mitochondrion):
- 두 분자의 글리신이 결합하여 세린(3탄소 아미노산)이 되면서 $CO_2$ 1분자가 방출됩니다. 여기서 탄소 손실이 발생합니다.
- 다시 엽록체로:
- 세린은 다시 퍼옥시좀을 거쳐 엽록체로 돌아와 3-PGA로 전환된 후 캘빈 회로(광합성 회로)에 재투입됩니다.
3. 나무에서 광호흡이 활발해지는 조건
나무는 다음과 같은 환경에서 광호흡이 급격히 증가합니다.
- 고온(High Temperature): 온도가 높아지면 루비스코의 $O_2$ 친화력이 $CO_2$ 친화력보다 더 빠르게 상승합니다.
- 건조 및 기공 폐쇄: 가뭄으로 나무가 수분 증발을 막기 위해 기공을 닫으면, 잎 내부의 $CO_2$ 농도는 낮아지고 광합성 결과 발생한 $O_2$ 농도는 높아져 광호흡이 촉진됩니다.
- 강한 광선: 빛이 너무 강해 광합성 능력을 초과할 때 에너지를 소모하기 위해 발생합니다.
4. 광호흡의 영향 (부정적 vs 긍정적)
부정적 측면 (생산성 저하)
- 탄소 손실: 광합성으로 고정한 탄소의 약 25% 정도를 다시 $CO_2$로 잃어버립니다.
- 에너지 소모: 광호흡 과정에서 ATP와 NADPH(에너지 화합물)를 소모하므로 나무의 성장이 더뎌집니다.
긍정적 측면 (보호 작용)
- 광보호(Photo-protection): 강한 빛 아래에서 $CO_2$가 부족할 때, 남는 빛 에너지를 광호흡을 통해 소모함으로써 엽록소가 파괴되거나 잎이 타는 것(광산화 현상)을 방지합니다.
- 질소 대사 보조: 광호흡 과정 중에 생성되는 물질들이 질소 동화 작용에 관여하기도 합니다.
5. 나무의 종류와 광호흡
- 대부분의 나무 (C3 식물): 소나무, 느티나무, 단풍나무 등 우리가 흔히 보는 대부분의 나무는 C3 식물이며 광호흡을 활발히 합니다. 기온이 30℃를 넘어가면 광합성 효율이 급격히 떨어지는 이유가 바로 이 광호흡 때문입니다.
- C4 및 CAM 식물과의 차이: 옥수수(C4)나 선인장(CAM)은 $CO_2$를 농축하는 기작이 있어 광호흡을 거의 하지 않지만, 나무 중에는 이러한 기작을 가진 종류가 드뭅니다.
요약
나무의 광호흡은 환경에 적응하기 위한 고육지책과 같습니다. 에너지를 낭비하고 성장을 저해하는 측면이 크지만, 뜨겁고 강한 햇빛으로부터 자신을 보호하기 위해 탄소를 버리면서까지 에너지를 발산하는 보호 메커니즘으로 이해할 수 있습니다. 수목 관리 시 적절한 관수와 온도 조절이 중요한 이유는 바로 이 광호흡을 줄여 성장을 돕기 위함입니다.