광합성

광합성은 무엇인가요?

식물은 광합성에서 이산화탄소를 재료로 흡수하고 산소를 내보내요. 바뀐 화학 에너지는 이산화탄소와 물로 만든 당 같은 탄수화물에 저장돼요. 이름은 그리스어로 '빛'을 뜻하는 phōs와 '합성'을 뜻하는 synthesis에서 왔어요.

어떤 생물이 하나요?

대부분의 식물, 조류, 남세균이 광합성을 하고, 이런 생물을 광독립영양생물이라고 불러요. 빛에너지를 써서 이산화탄소와 물에서 직접 영양분을 만들 수 있다는 뜻이에요. 모든 생물이 이산화탄소를 쓰는 건 아니고, 광종속영양생물은 탄소 공급원으로 유기 화합물을 써요.

어떤 단계로 나뉘나요?

두 단계를 정리하면 아래와 같아요.

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식물에서는 이 과정이 잎 세포에 많은 엽록체 안에서 일어나고, 세균에서는 세포막에 박힌 단백질에서 일어나요.

지구에서 얼마나 중요한가요?

광합성은 지구 대기 중 산소를 만들고 유지하는 큰 역할을 하고, 생명체에 필요한 유기 화합물과 대부분의 에너지를 공급해요. 오늘날 전 세계 광합성이 포획하는 에너지는 약 130테라와트로, 현재 인류 문명 전력 소비량의 약 8배예요. 광합성 생물은 해마다 약 100억~115억 톤의 탄소를 바이오매스로 바꿔요.

세포 호흡과는 어떻게 다른가요?

일반적으로 광합성은 세포 호흡의 반대 과정이에요. 광합성은 이산화탄소를 탄수화물로 환원하고, 세포 호흡은 탄수화물 등을 산화해 이산화탄소와 물로 만들며 에너지를 내요. 두 과정은 서로 다른 세포 구획에서 다른 반응 순서로 일어나 별개의 과정이에요.

광합성의 원리는 무엇인가요?

국립국어원 한국어기초사전은 광합성을 녹색 식물이 태양 에너지를 이용해 이산화 탄소와 수분으로 유기물을 만들어 내는 과정이라고 풀이해요. 전체 반응은 이산화탄소와 물이 빛을 받아 탄수화물과 산소가 되는 것으로 줄여 쓸 수 있어요. 위키백과는 이를 `CO2 + H2O + 광자 → [CH2O] + O2`로 적어요. 산림청 임업용어사전은 녹색식물이 400~700nm의 빛에너지로 이산화탄소와 물에서 에너지가 높은 유기물을 합성하는 과정이라고 설명하고, 이 과정에서 산소가 나오기 때문에 지구상의 산소 농도는 주로 녹색식물의 광합성에 영향을 받는다고 해요.

빛이 필요한 첫 단계에서는 무슨 일이 일어나나요?

첫 단계인 광의존적 반응(명반응)에서는 엽록소가 빛 알갱이(광자) 하나를 흡수해 전자 하나를 내보내요. 이 전자가 전자전달계를 따라 움직이면서 막 양쪽에 수소 이온(H⁺)의 농도 차이가 생기고, 그 차이를 이용해 ATP 생성효소가 ATP를 만들어요. 전자는 마지막에 NADP⁺에 전달돼 NADPH가 돼요. 산림청 용어사전도 이 단계에서 엽록소가 빛에너지를 모아 물 분자를 분해하고 산소를 내보내며, 에너지가 높은 NADPH와 ATP가 만들어진다고 적어요.

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산소는 어디서 나오나요?

산소는 이산화탄소가 아니라 물에서 나와요. 광계 II에서 물 분자 2개가 연속된 네 번의 전하 분리로 산화되어 산소 분자 1개, 수소 이온 4개, 전자 4개가 생겨요. 이 반응은 망가니즈 이온 4개와 칼슘 이온 1개로 이뤄진 구조가 돕고, 위키백과는 광계 II를 물의 산화를 해내는 유일한 생물학적 효소로 알려져 있다고 소개해요.

빛이 없어도 되는 둘째 단계에서는 무슨 일이 일어나나요?

둘째 단계인 광비의존적 반응(암반응, 캘빈 회로)은 엽록체의 스트로마에서 일어나요. 첫 단계가 만든 ATP와 NADPH를 써서 이산화탄소를 글리세르알데하이드 3-인산(G3P)으로 바꾸고, 이 물질 두 분자가 모여 포도당이 돼요. 이산화탄소를 처음 붙잡는 일은 루비스코라는 효소가 맡아 리불로스 1,5-이중인산(RuBP)과 결합시켜요. 만들어진 G3P 6분자 가운데 5분자는 RuBP를 다시 만드는 데 쓰여 회로가 계속 돌고, 남는 것이 수크로스·녹말·셀룰로스의 재료가 돼요. 광합성으로 생긴 포도당은 세포벽 성분이나 아미노산·지질의 재료가 되고, 세포 호흡의 연료로도 쓰여요.

광합성은 어떤 구조에서 어떻게 나뉘나요?

세포 안 어디에서 일어나나요?

식물과 조류에서는 엽록체라는 세포소기관에서 일어나요. 엽록체는 바깥막과 안막의 이중막으로 싸여 있고, 안쪽 기질을 스트로마라고 불러요. 틸라코이드가 쌓인 구조가 그라나이고, 광계·전자전달계 효소·ATP 생성효소는 틸라코이드 막에 있어요. 산림청 용어사전은 이를 광반응은 그라나, 암반응은 스트로마가 맡는다고 간단히 정리해요. 전형적인 식물 세포에는 엽록체가 10~100개 있고, 잎의 엽육 조직에는 잎 1mm²당 45만~80만 개가 들어 있을 수 있어요. 세균에는 엽록체가 없어서 빛을 모으는 단백질이 세포막에 있어요.

어떤 색소가 빛을 받나요?

식물은 주로 엽록소로 빛을 흡수하고, 녹색 빛은 흡수하지 않고 반사하기 때문에 잎이 녹색으로 보여요. 보조 색소로 카로틴과 잔토필도 써요. 조류는 종류마다 색소가 달라서 녹조류에는 피코시아닌, 홍조류에는 피코에리트린, 갈조류와 규조류에는 푸코잔틴이 있어요.

광합성에는 어떤 종류가 있나요?

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고온 건조한 낮에는 식물이 수분을 지키려고 기공을 닫아요. 그러면 잎 안의 이산화탄소는 줄고 산소는 늘어 광호흡이 늘고 탄소 고정이 줄어요. C4와 CAM은 이 문제를 이산화탄소를 모으는 방식으로 풀도록 진화한 경로예요. 물속 남세균은 카복시좀에 루비스코를 모아 그 주위의 이산화탄소 농도를 높여요.

광합성은 어떻게 알려졌나요?

광합성의 단계 중 일부는 지금도 완전히 이해되지 않았지만, 전체 반응식은 19세기부터 알려져 왔어요. 아래는 주요 발견을 시간순으로 모은 표예요.

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로버트 에머슨은 파장이 다른 빛으로 식물의 생산성을 시험해 명반응에 광계가 두 개 있음을 발견했어요. 하나는 680nm, 다른 하나는 700nm의 빛을 잘 흡수해요. 위키백과는 캘빈 회로를 밝히는 데 앤드루 벤슨과 제임스 배스햄의 공로도 컸기 때문에 캘빈-벤슨 회로 같은 이름도 쓴다고 소개해요.

광합성은 언제 시작됐나요?

초기의 광합성 생물은 물이 아닌 수소·황·유기물 등을 전자공여체로 쓰는 산소비발생 광합성을 한 것으로 생각돼요. 필라멘트 모양의 광합성 생물로 여겨지는 화석은 34억 년 전의 것으로 추정되고, 2018년 3월에 보고된 연구도 광합성이 약 34억 년 전부터 시작됐을 수 있다고 봐요. 물을 전자공여체로 쓰는 능력은 남세균의 공통 조상에서 한 번 진화한 것으로 보이며, 그 시기는 24억 5,000만~23억 2,000만 년 전쯤으로 추정돼요. 산소 발생 광합성 생물은 약 20억 년 전 고원생대에 중요해졌다고 해요. 엽록체는 광합성 세균이 초기 진핵세포 안으로 들어와 생겼다는 세포 내 공생설로 설명돼요.

광합성은 농업과 산림에서 어떻게 쓰이나요?

광합성은 식물이 자라는 속도를 정하는 바탕이라서 농업과 산림 분야에서 오래 연구돼 왔어요. 산림청 임업용어사전은 육상 생물의 광합성으로 쌓이는 건물량이 약 100×10⁹톤(1,000억 톤)이고 그중 3분의 2를 수목이 만든다고 적어요. 광합성은 광도·온도·수분·탄산가스 같은 환경과 잎의 나이·크기·엽록소 함량·기공 수·엽면적 같은 식물 쪽 요인에 영향을 받는다고도 해요.

인공 빛으로 광합성을 돕는 재배는 어떻게 하나요?

농촌진흥청은 형광등·백열등·나트륨등 같은 전구가 빛 전환 효율이 낮고 전력을 많이 쓰는 점을 들어 LED를 대체 광원으로 연구했다고 밝혔어요. 보도자료에 따르면 적색 LED는 기존 백색광보다 효율이 5배 높았고, 잎들깨를 백열등 대신 적색 LED로 전조재배했을 때 전기요금이 70% 줄고 잎들깨와 국화의 생산량·품질이 10~20% 늘었어요. 농촌진흥청은 전국 전조재배면적 2,864ha를 적색 LED로 바꾸면 농업용 전기에너지 약 120억 원을 해마다 아낄 수 있을 것으로 예상했어요.

2012년 농촌진흥청 채소과가 반영한 영농활용기술에서는 상추를 가정에서 기를 때 광합성 효율이 높은 적색·청색 혼합광은 붉은색·자주색을 띠고, 적색광 비율이 높으면 웃자람이 늘어 백색 LED를 쓰는 것이 좋다고 했어요. 백색 LED를 쓴 경우 적색·청색 혼합광과 수량 차이가 없었고, 빛을 쬐는 시간은 18시간과 24시간 사이에 생육 차이가 없어 낮과 밤의 주기를 주는 편이 에너지 효율에 좋았어요. 광량은 200μmol·m⁻²·s⁻¹ 이상이 좋고 여름 고온기에는 300 이상으로 높이는 것이 좋았어요.

광합성 효율은 얼마나 되나요?

식물은 보통 3~6%의 효율로 빛에너지를 화학 에너지로 바꾸고, 실제 식물의 효율은 파장·빛의 세기·온도·이산화탄소 농도에 따라 0.1%에서 8%까지 다양해요. 비교하면 양산된 태양광 모듈은 약 6~20% 효율로 빛을 전기로 바꿔요. 흡수한 빛 중 화학 에너지가 되지 못한 대부분은 열로 나가고 1~2%는 엽록소 형광으로 다시 나와요. 이 형광을 재면 명반응을 측정할 수 있어서, 식물이 받는 스트레스를 가늠하는 데 많이 써요.

광합성과 관련된 개념은 무엇이 있나요?

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광합성에 영향을 주는 세 가지 주요 요인은 빛의 세기와 파장, 이산화탄소 농도, 온도예요. 온도가 일정할 때는 빛이 세질수록 탄소 동화 속도가 늘다가 어느 수준에서 더 늘지 않고, 빛이 약할 때는 온도를 올려도 속도가 거의 변하지 않아요. 위키백과는 이 실험으로 광합성에 빛에 의존하는 반응과 온도에 의존하는 반응이 따로 있다는 것이 드러났다고 설명해요. 이산화탄소가 낮으면 루비스코가 산소와 결합하는 광호흡이 늘어나요.

광합성의 주요 수치는 얼마인가요?

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