학문
바나나를좋아하는원숭이
CAM식물이 건조한 환경에서 수분 손실을 줄이는 원리는?
안녕하세요. 파인애플은 CAM 광합성을 하는 대표적인 식물이라고 배웠습니다. 일반 식물과 달리 밤에 기공을 열어 이산화탄소를 흡수하고 낮에는 기공을 닫은 상태에서 광합성을 진행하는데, 이러한 방식이 건조한 환경에서 수분 손실을 줄이는 원리를 일반적인 C3식물과 비교하여 생리학적으로 설명해 주실 수 있을까요?
3개의 답변이 있어요!
파인애플과 같은 CAM식물은 이산화탄소의 흡수와 광합성의 시간을 달리해서 건조한 환경에서도 수분의 손실을 최소화하는 것입니다.
C3 식물, 즉 일반 식물은 빛이 있는 낮에 기공을 열어 이산화탄소를 흡수하지만, 뜨겁고 건조한 대기 때문에 기공을 통해 막대한 양의 수분이 증산 작용으로 손실됩니다.
반면 앞서 말씀드린대로 CAM 식물은 이산화탄소의 흡수와 광합성에 시간을 달리합니다.
대기가 시원하고 습한 밤에 기공을 열어 수분 손실을 최소화하며 이산화탄소를 흡수하는데, 이때 흡수한 이산화탄소는 PEP 카복실화 효소(PEPC)에 의해 말산으로 전환되어 세포 내 액포에 저장됩니다.
그리고 낮이 되면 수분 증발을 막기 위해 기공을 완전히 닫고 대신 밤새 액포에 모아둔 말산을 다시 꺼내 분해해서 세포 내부에 고농도의 이산화탄소를 공급하고, 이를 활용해 햇빛 아래에서 광합성(캘빈 회로)을 완결합니다.
결과적으로 CAM 식물은 수분 증발량이 가장 적은 밤에만 기공을 열고, 낮에는 기공을 닫은 채 저장한 이산화탄소를 잉용해서 C3 식물 대비 약 10% 수준의 수분만으로도 살아남 수 있는 것입니다.
안녕하세요. CAM 식물이 건조한 환경에서 수분 손실을 줄일 수 있는 핵심 원리는 기공을 여는 시간과 광합성을 하는 시간을 분리했다는 점이며, 반면 일반적인 C3 식물은 이 두 과정이 낮에 동시에 일어나므로 수분 손실이 상대적으로 큽니다. 우선 C3 식물은 낮에 햇빛을 이용해 광합성을 하기 때문에 광합성에 필요한 이산화탄소를 얻기 위해 낮 동안 기공을 열어야 합니다. 하지만 낮은 기온이 높고 햇빛이 강하여 잎 내부의 수증기와 외부 공기 사이의 수증기 농도 차이가 매우 커지는데요, 이때 기공이 열려 있으면 이산화탄소는 들어오지만 동시에 많은 물이 증산작용을 통해 밖으로 빠져나갑니다. 따라서 건조한 환경에서는 광합성을 계속하기 위해 상당한 양의 수분을 잃게 됩니다.
반면 CAM 식물은 이 문제를 해결하기 위해 시간적으로 광합성 과정을 분리했는데요, 밤에는 기온이 낮고 공기 중 습도가 상대적으로 높아 증산량이 크게 감소합니다. 이때 CAM 식물은 기공을 열어 이산화탄소를 흡수하며, 흡수된 이산화탄소는 즉시 광합성에 사용되지 않고, PEP 카복실화효소에 의해 말산과 같은 유기산 형태로 전환되어 액포에 저장됩니다.
낮이 되면 기공을 대부분 닫아 외부와의 기체 교환을 최소화하며, 대신 밤에 저장해 두었던 말산을 분해하여 세포 내부에서 이산화탄소를 방출하고, 이 이산화탄소를 이용해 캘빈 회로를 진행합니다. 즉, 낮에는 외부에서 이산화탄소를 공급받지 않아도 내부 저장분을 이용해 광합성을 수행할 수 있습니다. 이러한 전략 덕분에 CAM 식물은 가장 증산이 심한 낮 시간에는 기공을 닫고 있기 때문에 물의 손실을 크게 줄일 수 있는데요, 실제로 CAM 식물은 C3 식물보다 동일한 양의 이산화탄소를 고정하는 데 필요한 물의 소비량이 훨씬 적으며, 이를 수분 이용 효율이 높다고 표현합니다. 다만 이러한 방식에도 단점은 있는데요, 밤에 저장할 수 있는 유기산의 양에는 한계가 있으므로 하루 동안 사용할 수 있는 이산화탄소의 양도 제한됩니다. 따라서 CAM 식물은 일반적으로 C3 식물보다 광합성 속도와 생장 속도가 느린 편입니다. 감사합니다.
안녕하세요. 임형준 수의사입니다.
CAM 식물은 기공을 여는 시간을 바꿔 수분 손실을 줄이는 방식으로 적응 했습니다. C3 식물은 낮에 기공을 열어 이산화탄소를 흡수하는 과정에서 수분이 증발하지만 CAM 식물은 서늘하고 습한 밤에 기공을 열어 CO2를 유기산 형태로 저장합니다. 이후 낮에는 기공을 닫고 저장한 Co2를 이요해 광합성을 진행하므로 건조한 환경에서도 물을 효율적으로 보전할 수 있습니다. 파인애플, 선인장 등이 대표적인 CAM 식물입니다.