11. 광합성

1. 광합성

4단원을 끝으로 2학년 1학기의 과학 전 과정을 마무리한다. 4단원은 생물, 그 중에서도 식물에 관하여 다루게 된다. 식물과 동물의 가장 큰 차이는 무엇인가? 1학년 때 다루기도 했고, 우리가 직관적으로 알 수 있는 사실 중 하나는, '이동성'의 차이일 것이다. 대부분의 식물은 땅에 뿌리내리고 살며, 대부분의 동물은 항상 이동하며 살아간다. 신은 생명체에게 모든 것을 주지 않는다, 동물이 신에게 이동성을 받았다면, 식물은 무엇을 받았을까?

그 정답은 바로, 이동하지 않고도 음식을 먹고 살 수 있는 능력이다. 우리는 이것을 '광합성(Photosynthesis)' 라고 한다.

광합성 이라는 이름이 붙은 이유는, 식물이 양분을 합성하기 위해 빛(일반적으로 태양의 백색광이나 반드시 그럴 필요는 없다.)이 필요하기 때문이다. 빛에 의한 양분의 합성이라 하여 광합성 이라고 부르는 것이다. 이러한 광합성은 정말, 정말 매우 복잡한 과정을 거치는데, 이것을 소개하기에 우리의 여백은 부족하므로, 핵심 반응식만 소개하도록 하겠다. 광합성의 일반식은 다음과 같다.

광합성의 모식도 - 출처: 비상교육

광합성은 빛과 물, 그리고 이산화탄소를 필요로 하며, 그 결과물로 가장 단순한 구조의 탄수화물인 포도당(Glucose), 그리고 산소를 내보낸다. 식물의 광합성 덕분에 지구상의 산소의 양이 증가하였으며, 이 산소를 이용해 동물들이 호흡하며 살아갈 수 있다는 것이다.

이러한 광합성은 식물의 아무 곳에서나 일어나는 것은 아니다. 식물 세포에 존재하는 '엽록체'는 이러한 광합성의 전반을 총괄한다. 엽록체는 그 안에 색소인 '엽록소'를 가지고 있는데, 이 엽록소의 색은 초록색이다. 그래서, 광합성을 하는 모든 식물은 초록색 빛을 띤다. 가을에 단풍나무에 단풍이 지는 모습을 볼 수가 있는데, 푸르던 잎이 갈색과 붉은색으로 변하는 이유는 이러한 엽록체가 소멸되었기 때문이다. 겨울에는 빛과 물을 충분히 공급하기가 어려우므로, 잎을 죽여 떨어뜨리므로서 양분의 손실을 최소화하려는 식물의 노력이라고 볼 수 있겠다.

 

광합성에 이산화탄소와 물, 그리고 빛이 필요하며, 그 결과로 포도당과 산소가 나온다는 사실은 어떻게 알 수 있을까? 우리는 구하기 비교적 쉬운 식물 중 하나인 검정말을 이용하여, 광합성에 필요한 물질의 종류를 대략적으로 유추할 수 있다.

검정말 실험 - 출처: 비상교육

BTB 용액을 넣은 시약에 검정말을 넣어 준다. BTB용액은 지시약의 일종으로, 산성과 염기성에 의한 색 변화를 관측하는데 사용하는 지시약이다. 여기서는 산성과 염기성 보다는, 이산화탄소에 초점을 맞추어 보자. 이산화탄소가 많이 함유된 BTB 용액은 '노란색'을, 이산화탄소가 적게 함유된 BTB 용액은 '파란색'을, 중간 정도의 용액은 '초록색'을 띤다.

다음은 검정말을 넣은 이후이다. 하나의 시약에는 검정말을 그대로 두고, 다른 하나는 검정말을 넣되 알루미늄 호일로 감싼다. 알루미늄 호일은 빛을 효과적으로 반사하여, 검정말에게 들어오는 빛을 차단해줄 수 있다. 정리하면, 대조군 하나, 실험군 두 개 총 세 개의 조건이 준비되었다. 그냥 BTB용액(노란색), 검정말을 넣은 BTB용액, 그리고 검정말을 넣고 알루미늄 호일로 감싼 BTB 용액이다.

시간이 지나자 두 번쨰 BTB용액은 파란색으로 변하였다. 즉, 이산화탄소의 양이 감소한 것이다. 이는 검정말이 빛을 받게 되면 이산화탄소를 사용한다는 것을 시사한다. 반면, 세 번째 BTB 용액은 노란색을 유지하였다. 다시 말해, 햇빛의 유무가 광합성이 일어나는지를 결정했다는 것이다. 정리해 보면 다음과 같다.

1) 식물이 광합성을 하는 데에는 이산화탄소가 필요하다.
2) 빛이 존재해야만 광합성이 일어난다.

아주 단순한 조건들이지만, 시험에서 많이 물어보는 소재이므로 잘 기억해 두기 바란다.

마지막으로는 광합성에 영향을 주는 요소들에 대한 것이다. 광합성에 영향을 주는 요소는 크게 빛의 세기, 이산화탄소의 농도, 그리고 온도이다.

 

 

광합성에 영향을 미치는 요소들 - 출처: 비상교육

이 세 가지 요소는 일반적으로 광합성량을 늘려주는 역할을 한다. 그러나, 임계치에 도달하게 되면 더 이상 광합성량을 늘려 주지 않는다. 여기서 중요한 점 중 하나는 바로 '온도'이다. 온도는 임계치를 넘게 되면 광합성량을 늘려 주지 않을 뿐 아니라, 오히려 감소하는 경향성을 보인다. 이는 엽록체가 광합성을 활발하게 일으킬 수 있는 온도는 한정되어 있다는 것을 의미한다. 너무 과하면 오히려 엽록체를 비실비실하게 만든다는 사실은 '과유불급' 이라는 고사성어가 떠오르게 한다.

2. 증산 작용

식물에서 일어나는 두 가지 작용 중 하나는 '광합성' 이었다. 다른 하나는 무엇일까. 이 역시 식물이 가진 고유한 능력에서 찾아볼 수 있다. 바로 땅에 '뿌리'를 내리고 산다는 것이다. 뿌리를 내리는 이유는 땅 속에서 양분과 물을 흡수하기 위해서이다. 그렇다면 식물은 어떻게 물을 그렇게 높이까지 끌어올릴 수 있는가. 그 정답은 바로 '증산 작용'에 있다.

식물체 속의 물은 그냥 식물체 속에 있지 않는다. 일정한 시기가 되면 잎에서 기화되어 밖으로 배출하게 된다. 이러한 일련의 과정을 '증산 작용' 이라고 한다.

증산 작용의 세 가지 주요한 역할은 다음과 같다.

1) 물 상승의 원동력(driving force)이다.
2) 식물의 수분량을 조절할 수 있다.
3) 식물의 체온을 조절할 수 있다.

이 중 1번에 주목하고자 한다. 증산 작용에 의해 식물의 잎에서 물이 빠져나가게 되면, 필연적으로 잎은 더 많은 물을 필요로 한다. 따라서 더 강한 힘으로 뿌리로부터 물을 끌어올리고자 한다. 즉, 높은 곳까지 물을 끌어올릴 수 있는 경이로운 식물의 힘은 오히려 증산 작용에 의한 물의 '누수'에 의한 것인 셈이다. 결핍이 더 큰 성공의 원동력이라는 말과 일맥상통하는 자연의 신비라고 생각한다.

이러한 증산 작용 역시 확인해 볼 수 있는 유익한 실험이 있다.

증산 작용의 확인 실험 - 출처: 비상교육

먼저 같은 양의 물을 넣은 눈금실린더를 준비한다. 같은 양의 물을 넣은 이후에는 위에 식용유를 부어 준다. 물과 기름은 서로 섞이지 않기 때문에 식용유는 물 위를 가로막게 된다. 이는 증발에 의해 일어나는 물의 손실을 방지하기 위함이다. 물이 스스로 증발하게 된다면, 증산 작용에 의한 효과를 알 수 없게 될 테니 말이다.

다음은 같은 종의 나뭇가지를 세 개 준비한다. 하나는 잎을 완전히 제거하고, 다른 하나는 그대로 두며, 마지막 하나는 그대로 두되, 비닐봉지로 잎 전체를 감싸주었다. 이후, 이들을 눈금 실린더에 꼽아둔 후 관찰한다.

실험 결과를 분석해 보자. 첫 번째 눈금실린더는 물의 양이 거의 변하지 않았다. 즉, 잎이 없다면 증산작용은 일어날 수 없다. 두 번째 눈금실린더와 세 번째 눈금 실린더는 모두 물이 감소했다. 그런데 두 번째가 세 번째보다 더 많은 감소가 일어났다. 이 둘의 차이는 비닐봉지의 유무였다. 비닐봉지를 둘러싼 세 번째 눈금실린더는, 비닐봉지 속의 습도가 높아져 증산 작용이 상대적으로 감소한 것이다. 즉, 습도의 유무는 증산 작용에 큰 영향을 미친다.

이 실험을 통해 우리가 알 수 있는 것은 다음과 같다.

1) 증산 작용은 식물의 잎에서 일어난다.
2) 증산 작용은 습도의 영향을 받는다. 습도가 낮은 조건에서 더욱 활발하다.

잘 체크해 두도록 하자.

증산 작용은 어디에서 일어나는가. 그것은 바로 잎, 그 중에서도 '기공'에서 일어나게 된다. 식물의 잎의 표면은 다음의 세 가지 세포로 구성된다. 

식물 잎의 구조 - 출처: 비상교육

먼저 기공은 '공기 구멍' 이라는 의미이다. 이 구멍의 열고 닫음을 통해 수증기와 이산화탄소, 물 등을 내보낸다. 주로 잎의 뒷면에 있으며, 입술처럼 생긴 각각의 것은 '공변 세포'라고 불린다. 기공의 변에 존재하는 세포라는 의미이다. 이 공변세포는 초록색을 띤다. 눈썰미 있는 독자라면 알겠지만 이 공변세포는 광합성이 가능한 세포이다. 한편 기공을 제외한 나머지 부위는 표피 세포로 이루어져 있으며, 이른바 '큐티클' 층으로 잘 알려져 있다. 이 층은 매우 투명하며, 따라서 광합성 역시 일어나지 않는다.

마지막으로 증산작용과 광합성 사이의 상관 관계이다. 증산 작용이 많이 일어난다는 것은 어떤 의미인가. 그것은 바로 더 많은 물이 잎으로 끌어 올려지고 있다는 말이며, 더 많은 이산화탄소가 흡수되고 있다는 말이다. 다시말해, 증산작용이 많이 일어난다는 것은 광합성에 필요한 물질들이 많아진다는 의미이며, 이에 따라 광합성 역시 더욱 활발해질 것이다.

- 증산작용이 활발하게 일어나면 광합성 역시 활발히 일어난다.

 

Edited. 21.09.07