식물들이 햇빛을 받아서 스스로 영양분을 만들어내는 광합성 과정을 자세히 들여다보면 어떤 물질이 활용되나용

Question

나무나 풀 같은 식물들이 이산화탄소와 물을 재료로 삼고 태양 빛 에너지를 이용해서 스스로 살아갈 수 있는 포도당과 산소를 만들어낸다는 광합성은 정말 자연이 만든 최고의 연금술 같은데요. 이 복잡한 생화학 반응이 식물의 잎 속 세포에서 구체적으로 어떤 구조물 안에서 이루어지며, 태양광을 흡수하는 엽록소는 왜 하필 빨간색이나 파란색이 아니라 초록색 빛을 반사하는 방식으로 진화하게 된 건지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 식물의 광합성이란 단순히 햇빛을 받아 이산화탄소와 물을 섞는 것이 아니라, 빛 에너지를 화학 에너지로 바꾸고 이를 이용해 탄소를 유기물로 고정하는 매우 정교한 과정입니다.

식물의 잎을 이루는 세포 안에는 엽록체라는 광합성 전용 구조물이 있습니다. 엽록체 내부에는 납작한 주머니 모양의 틸라코이드가 여러 겹으로 쌓여 있는데, 이곳에 엽록소와 여러 광합성 단백질이 모여 있습니다. 햇빛이 잎에 들어오면 엽록소 등의 색소가 빛을 흡수하고, 그 에너지를 이용해 물에서 전자를 빼내는 과정이 시작됩니다. 이때 물이 분해되면서 산소가 만들어지고, 우리가 숨 쉴 때 이용하는 산소의 상당 부분이 바로 이 과정에서 나온 것입니다. 광합성은 크게 보면 빛을 이용해 에너지를 만드는 단계와 그 에너지를 이용해 이산화탄소를 유기물로 바꾸는 단계로 나눌 수 있는데요, 빛 반응에서는 ATP와 NADPH라는 에너지, 즉 환원력이 만들어지고, 이후 엽록체의 액체 부분인 스트로마에서 이 에너지를 이용해 이산화탄소를 여러 단계의 반응을 거쳐 탄수화물로 전환합니다. 흔히 포도당이 만들어진다고 배우지만, 실제 광합성 직후 만들어지는 탄소 화합물은 여러 중간물질을 거치며, 최종적으로 다양한 탄수화물과 식물의 다른 유기물질을 만드는 재료로 활용되는 것입니다.

이때 엽록소는 모든 색깔의 빛을 똑같이 흡수하지 않는데요, 특히 파란색과 빨간색 계열의 빛을 비교적 잘 흡수하고, 초록색 빛은 상대적으로 덜 흡수합니다. 그래서 흡수되지 않고 반사되거나 잎을 통과해 나온 초록색 빛이 우리 눈에 들어오면서 식물이 초록색으로 보이는 것입니다.

또한 식물이 초록색 빛을 전혀 사용하지 못하는 것은 아닙니다. 초록색 빛도 잎 내부로 어느 정도 침투하여 광합성에 이용될 수 있습니다. 특히 잎의 표면에서 흡수되는 빨간색과 파란색 빛과 달리 일부 초록색 빛은 잎 안쪽까지 더 깊게 들어갈 수 있다는 장점도 있습니다. 감사합니다.

Answer 2

안녕하세요. 임형준 수의사입니다.

광합성은 주로 잎의 세포 안에 있는 엽록체에서 일어납니다. 엽록소가 빛에너지를 흡수하면 물에서 얻은 전자를 이용해 에너지를 만들고, 이 에너지로 이산화탄소를 탄수화물로 전환합니다. 산소는 물이 분해되는 과정에서 부산물로 방출됩니다. 엽록소가 초록색으로 보이는 이유는 빨강,파랑 계열 빛을 상대적으로 잘 흡수하고 초록빛은 많이 반사하기 때문입니다. 이는 지구의 햇빛 환경에서 광합성을 효율적으로 수행하도록 진화한 결과로 이해할 수 있습니다.

Answer 3

식물의 광합성은 잎 세포 내부의 엽록체에서 일어나며, 크게 명반응과 암반응인 캘빈 회로의 2단계 공정을 거칩니다.

광합성이 일어나는 엽록체 내부에는 틸라코이드라는 동전 모양의 납작한 주머니가 막에 엽록소가 박혀 있는데, 이 틸라코이드에서 빛과 물을 이용해 산소를 배출하고 에너지를 만드는 명반응이 일어납니다.

그리고 틸라코이드 주변의 액체 공간인 스트로마에서는 이산화탄소를 포도당으로 바꾸는 암반응이 일어납니다.

엽록소는 태양광 중 청색광과 적색광은 잘 흡수하지만, 녹색광은 흡수하지 못하고 반사합니다. 이 반사된 녹색 빛이 우리 눈에 들어오기 때문에 잎이 초록색으로 보이는 것이죠.

또 에너지가 가장 강한 녹색광을 반사해 강한 빛으로부터 세포 손상을 막는 것이기도 합니다.

그리고 진화적으로는 과거 녹색광을 독점하던 보라색 미생물 피하기 위해 남은 빛을 쓰도록 진화한 것이기도 합니다.