[理知논술/머리에 쏙쏙 들어오는 토플주제]광합성

‘햇빛+CO₂+물’의 기적

연약한 잎사귀,‘먹이사슬 최초의 식량’ 만들다

《식물은 지구상의 모든 ‘소비자’가 생명을 유지하는 데 없어서는 안 될 ‘생산자’다. 식물은 스스로 양분을 합성해서 다른 생물에게 제공하는 유일한 생물이기 때문이다. 이처럼 양분을 만들어 내는 과정을 ‘광합성(photosynthesis)’이라 부른다. 광합성은 토플에서 가장 많이 나오는 주제 중 하나다. 광합성은 지구상의 생물이 빛을 이용하여 화합물 형태로 에너지를 저장하는 화학작용을 말한다. 광합성이라는 용어는 ‘빛 안의 합성(formation in light)’이라는 라틴어에서 유래했다.》

광합성으로 에너지를 얻는 생물을 ‘광영양생물(phototroph)’이라고 한다. 박테리아, 조류, 육상의 고등식물 등 광영양생물은 광합성으로 삶을 유지한다.

이 중 식물은 다른 생물과 달리 잎에서 광합성을 한다. 양분을 만들어 내기 위해서는 이산화탄소와 물이 필요하다. 이산화탄소는 잎 표면에 있는 작은 구멍인 ‘기공(stomata)’을 통해서 공기를 마실 때 얻는다. 물은 토양에 있는 뿌리에서 ‘목질부(xylem)’라 불리는 줄기의 작은 관을 통과해 잎으로 전해진다.

녹색식물 잎의 세포에 들어 있는 세포소기관인 엽록체(chloroplast)는 1개의 세포에 50∼100개가 들어 있다. 엽록체 안에는 ‘엽록소(chlorophyll)’라는 화학물질이 있다. 태양에너지가 엽록소를 자극하면 이산화탄소와 물이 반응한다. 이러한 반응을 거쳐 물분자는 수소와 산소로 나뉜다.

수소는 이산화탄소와 결합해 ‘글루코오스(glucose)’라 불리는 기초 당분을 만들어 낸다. 글루코오스는 ‘체관부(phloem)’라 불리는 양분 통로를 통해 식물의 기관 곳곳에 전해진다. 글루코오스는 다른 탄수화물을 생성하는 데 사용되고, 식물의 성장과 물질대사를 위한 연료로 쓰이기도 한다. 물분자에서 분리된 산소는 잎의 기공을 통해 빠져나간다. 화학반응에 이용되지 않은 물은 다시 대기 중으로 이동한다.

광합성에 영향을 미치는 요소에는 빛의 세기, 온도, 이산화탄소 농도가 있다. 빛의 세기, 온도, 이산화탄소 농도가 일정하게 유지되면 광합성 속도는 어느 한계까지는 증가하지만 그 이상은 증가하지 않는다.

육상식물은 태양의 빛에너지를 받아 광합성을 한다. 이 태양 광선을 프리즘에 통과시키면 여러 가지 색으로 분리되는데, 사람은 380∼750nm 파장의 빛을 볼 수 있다. 이 빛을 가시광선이라고 하며, 광합성도 이 범위에서 일어난다. 식물은 광합성을 할 때 이산화탄소를 흡수하고 산소를 방출하므로, 이산화탄소의 흡수량이나 산소의 방출량으로 광합성량을 알 수 있다.

식물이 광합성을 하는 온도 범위는 매우 넓다. 남조류는 70도의 고온에서도 광합성을 하며, 침엽수는 6도 이하에서도 광합성을 한다. 일반적으로 빛의 세기가 약할 때 온도는 광합성에 별다른 영향을 미치지 못한다. 그러나 빛의 세기가 강할 때에는 온도가 높아질수록 광합성량이 증가한다. 대체로 35도 정도에서 최대가 되었다가 그 이상의 온도에서는 급격히 감소한다.

이산화탄소는 대기 중에 약 0.03%의 적은 양으로 존재한다. 빛이 약할 때에는 광합성량은 이산화탄소의 영향을 거의 받지 않는다. 그러나 빛이 강할 때에는 이산화탄소의 농도가 높아질수록 광합성량도 증가한다. 그러나 이 경우에도 어느 한계에 도달하면 이산화탄소의 농도가 높아져도 광합성량이 더는 증가하지 않고 일정하게 유지된다. 보통의 조건에서는 빛의 세기가 광포화점(광합성량이 더는 증가하지 않을 때의 빛의 세기)에 이르면 이산화탄소의 농도가 대기 농도의 약 3배인 0.1%에 이를 때까지 광합성량이 증가한다.

광합성은 지구상에 꼭 필요한 과정이다. 광합성을 통해 식물이 생명을 유지하고 먹이사슬 안의 모든 소비자가 살아갈 수 있는 양식을 제공하기 때문이다. 광합성은 지구에 계속해서 산소를 제공하는 막중한 책임도 가지고 있다.

김현옥 영재사관학원 예스영어사관 평촌본원 초등부장