기온에 따라서 식물이 광합성하는 방식이 달라지나요?
식물도 C3, C4, CAM으로 나뉘어진다고 들었는데 기온에 따라서 식물이 광합성하는 방식이 달라지는 것인지 원리가 궁금합니다.
안녕하세요.
네, 말씀하신 것처럼 식물의 광합성 방식(C3, C4, CAM) 은 기온, 수분, 빛 환경에 따라 다르게 진화했는데요, 다만 한 식물이 기온에 따라 C3였다가 C4로 변하는 건 아니고, 종마다 이미 유전적으로 결정된 광합성 경로를 가지고 있습니다. C3 식물은 대부분의 나무, 밀, 쌀, 감자이며 CO₂를 바로 고정하고 효율이 높지만 고온·건조에서 광호흡을 하게 됩니다. C4 식물로는 옥수수, 사탕수수, 기장이 있으며, CO₂를 먼저 4탄소 화합물로 고정하고 광호흡을 억제하게 됩니다. CAM 식물로는 선인장, 파인애플이 있으며, 밤에 기공 열어 CO₂ 저장, 낮에 광합성 진행합니다. C3 식물은 20~25℃ 근처에서 가장 효율적으로 광합성을 하며, 온도가 30℃ 이상 올라가면 광호흡(photorespiration) 증가하는데요, 광합성 효율 감소하는데요 원인은 Rubisco 효소가 CO₂ 대신 O₂와 반응하는 비율이 높아지게 됩니다.
1명 평가기온은 식물이 광합성하는 방식에 직접적인 영향을 주며, 이에 따라 C3, C4, CAM 광합성 경로가 발달했습니다. C3 식물은 온화한 기후에서 효율이 높지만 고온 건조한 환경에서는 수분 손실을 막기 위해 기공을 닫아 광합성 효율이 떨어집니다. 반면 C4 식물은 고온 건조한 환경에서 광호흡을 줄여 광합성 효율을 높이는 방식이며, CAM 식물은 사막과 같이 매우 건조한 환경에서 밤에만 기공을 열어 수분 손실을 최소화하면서 광합성 재료를 저장하는 독특한 방식을 사용합니다.
네, 식물은 주로 기온과 수분 등 서식 환경 조건에 따라 C3, C4, CAM이라는 세 가지 방식으로 광합성을 합니다.
이는 이산화탄소를 고정하는 방식과 잎의 구조에 차이가 있어 각자 특정 환경에 더 유리하게 진화한 것으로 특히 온도가 높고 건조한 환경에서는 C4와 CAM 방식이 C3 방식보다 효율적입니다.
먼저 대부분의 식물이 속하는 C3 식물은 엽육세포에서 루비스코(RuBisCO)라는 효소를 이용해 이산화탄소를 3탄소 화합물인 3-PGA로 고정합니다. 이 방식은 효율적이긴 하지만, 온도가 높을 때 문제가 생깁니다.
즉, 온도가 높아지면 기공을 닫아 수분 손실을 막지만, 이로 인해 잎 속의 산소 농도는 높아지고 이산화탄소 농도는 낮아지게 됩니다. 이때 루비스코는 이산화탄소 대신 산소와 결합하는 광호흡을 시작하는데, 이 과정은 광합성 효율을 크게 떨어뜨리게 됩니다. 그래서 C3 식물은 고온 건조한 환경에서 광합성 능력이 약해지는 것입니다.
반면 옥수수, 사탕수수처럼 더운 열대 지방에서 잘 자라는 식물들이 C4 식물입니다. C3 식물의 광호흡 문제를 해결하기 위해 두 단계에 걸쳐 이산화탄소를 고정합니다.
C4 식물은 잎이 독특한 해부학적 구조를 가지고 있는데, 엽육세포 주변에 유관속초세포가 둘러싸여 있고, 이를 크란츠 구조라 합니다.
엽육세포에서 PEP 카복실화효소(PEPC)를 이용해 이산화탄소를 4탄소 화합물인 옥살아세트산로 고정하는데, PEPC는 이산화탄소에 대한 친화력이 매우 높아 낮은 농도에서도 효율적으로 작동이 가능합니다.
고정된 4탄소 화합물이 유관속초세포로 이동해 이산화탄소를 방출하고, 방출된 이산화탄소는 루비스코를 통해 캘빈 회로에 들어갑니다. 이로써 루비스코 주변의 이산화탄소 농도가 항상 높게 유지되어 광호흡을 효과적으로 억제할 수 있는 것이죠.
마지막으로 선인장, 파인애플 같은 사막 식물들이 CAM(Crassulacean Acid Metabolism) 식물이입니다. 이들은 수분 손실을 최소화하기 위해 시간차를 두고 광합성을 합니다.
밤에는 기온이 낮아져 수분 증발이 적기 때문에 기공을 열어 이산화탄소를 흡수하고, 이를 4탄소 화합물로 고정해 액포에 저장합니다. 그리고 낮에는 기공을 닫아 수분 손실을 막고, 밤에 저장했던 4탄소 화합물을 분해해 이산화탄소를 방출한 뒤, 루비스코를 이용해 캘빈 회로를 돌립니다.
이런 방식의 CAM 식물은 건조한 환경에서 물을 가장 효율적으로 사용할 수 있는 방식이지만, 광합성 속도가 매우 느린 단점이 있습니다.