광합성이란 무엇이며 왜 중요할까?

사람은 배가 고프면 냉장고에서 간식을 꺼내먹습니다. 그러나 식물은 배고플 때 어떻게 배를 채울까요? 식물이 자라려면 햇빛, 물, 집(토양과 같은)이 필요하다는 사실을 알고 계실 것입니다.

식물은 빛 에너지를 사용하여 자체 식량원을 합성하거나 제조할 수 있기 때문에 독립영양생물이라고 합니다. 많은 사람들은 식물을 흙에 심거나 물을 주거나 햇볕에 쬐어 식물을 "먹이" 준다고 생각하지만, 이 중 어느 것도 음식으로 간주되지 않습니다. 오히려 식물은 햇빛, 물, 공기 중의 가스를 사용하여 식물이 생존하는 데 필요한 설탕의 한 형태인 포도당을 만듭니다. 이 과정을 광합성이라고 하며 모든 식물, 조류 및 일부 미생물에 의해 수행됩니다.

광합성이란 무엇이며 식물이 스스로 양분을 만드는 과정을 자세히 알아보겠습니다.

 

광합성이란?

광합성은 식물이 햇빛, 물, 이산화탄소를 사용하여 설탕 형태의 산소와 에너지를 생성하는 과정입니다.

지구상의 대부분의 생명체는 광합성에 의존합니다. 광합성은 식물, 조류 및 특정 박테리아가 사용하는 과정으로 햇빛으로부터 에너지를 포착하여 산소(O2)와 포도당(당)에 저장된 화학 에너지를 생성합니다. 초식동물은 식물을 먹어서 이 에너지를 얻고, 육식동물은 초식동물을 먹어서 이 에너지를 얻습니다.

 

 

광합성 과정

광합성을 하는 동안 식물은 공기와 토양에서 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)을 흡수합니다. 식물 세포 내에서 물은 산화되어 전자를 잃고 이산화탄소는 환원되어 전자를 얻습니다. 이것은 물을 산소로, 이산화탄소를 포도당으로 변환시킵니다. 그런 다음 식물은 산소를 다시 공기 중으로 방출하고 포도당 분자 내에 에너지를 저장합니다.

모든 녹색 식물 조직은 광합성을 할 수 있지만 대부분의 식물에서 광합성의 대부분은 보통 잎에서 이루어집니다. 엽육이라 불리는 잎 조직의 중간층에 있는 세포는 광합성의 주요 부위입니다.

기공(singular, 기공)이라고 하는 작은 구멍은 대부분의 식물의 잎 표면에서 발견되며 이산화탄소가 엽육층으로 확산되고 산소가 확산되도록 합니다.

각 엽육세포는 광합성 반응을 수행하도록 특화된 엽록체라고 하는 소기관을 포함합니다. 각 엽록체 내에서 틸라코이드라고 하는 디스크 모양의 구조는 그라나(grana, 단수, granum)로 알려진 팬케이크 더미와 같은 더미로 배열됩니다.

각 틸라코이드의 막에는 빛을 흡수하는 엽록소라는 녹색 색소가 들어 있습니다. 그라나 주변의 유체로 채워진 공간을 기질(stroma)이라고 하고, 틸라코이드 디스크 내부의 공간을 틸라코이드 공간(thylakoid space)이라고 합니다. 엽록체의 다른 부분에서 다른 화학 반응이 발생합니다.

 

 

빛에 의존하는 반응과 빛에 독립적인 반응

광합성 과정 뒤에는 많은 단계가 있지만 광의존적 반응과 광독립적 반응의 두 가지 주요 단계로 나눌 수 있습니다.

광 의존 반응은 틸라코이드 막 내에서 일어나며 일정한 햇빛 흐름이 필요하므로 광 의존 반응이라고 합니다. 엽록소는 이 빛 에너지를 흡수하며, 에너지 저장 분자인 ATP와 환원된(전자 함유) 전자 운반체인 NADPH라는 두 가지 화합물의 형성을 통해 화학 에너지로 변환됩니다. 이 과정에서 물 분자도 산소 기체, 즉 우리가 호흡하는 산소로 전환됩니다!

캘빈 회로라고도 알려진 광 독립 단계는 틸라코이드 막과 엽록체 막 사이의 공간인 간질에서 발생하며 빛이 필요하지 않으므로 광 독립 반응이라고 합니다. 이 단계에서 ATP 및 NADPH 분자의 에너지는 이산화탄소를 고정하고 포도당을 형성하기 위해 결합하는 3탄당(글리세르알데하이드-3-인산 또는 G3P 분자)을 생성하는 데 사용됩니다.

전반적으로 광의존 반응은 빛 에너지를 포착하여 일시적으로 ATP 및 NADPH 최종 텍스트의 화학적 형태로 저장합니다. 그곳에서 ATP는 분해되어 에너지를 방출하고 NADPH는 전자를 기증하여 이산화탄소 분자를 당으로 전환시킵니다. 결국 빛으로 시작된 에너지는 당의 결합에 갇히게 됩니다.

 

C3 및 C4 광합성

그러나 모든 형태의 광합성이 동일하게 생성되는 것은 아닙니다. C3 광합성과 C4 광합성을 포함하여 다양한 유형의 광합성이 있습니다.

C3 광합성은 대부분의 식물에서 사용됩니다. 그것은 캘빈 회로 동안 3-포스포글리세르산이라는 3탄소 화합물을 생성하는 것과 관련이 있으며, 이는 계속해서 포도당이 됩니다.

반면에 C4 광합성은 4탄소 중간체 화합물을 생성하는데, 이는 캘빈 주기 동안 이산화탄소와 3탄소 화합물로 분해됩니다. C4 광합성의 이점은 더 높은 수준의 탄소를 생성함으로써 식물이 빛이나 물이 많지 않은 환경에서 번성할 수 있다는 것입니다.

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광합성이 중요한 이유

광합성은 틀림없이 지구상에서 가장 중요한 생물학적 과정입니다. 산소를 방출하고 이산화탄소를 소비함으로써 세상을 오늘날 우리가 알고 있는 쾌적한 환경으로 변화시켰습니다.

광합성은 지구상의 대다수 생명체의 존재에 매우 중요합니다. 이것은 생물권의 거의 모든 에너지가 생물에게 사용 가능한 방식입니다. 1차 생산자로서 광합성 유기체는 지구의 먹이 사슬의 기초를 형성하며 모든 고등 생명체에 의해 직간접적으로 소비됩니다.

또한 대기 중의 거의 모든 산소는 광합성 과정에 기인합니다. 광합성이 중단되면 곧 지구에는 식량이나 기타 유기물이 거의 남지 않고 대부분의 유기체가 사라지고 지구의 대기에는 결국 기체 산소가 거의 없게 됩니다.

 

광합성이 인간에게 중요한 이유

직간접적으로 광합성은 우리의 모든 식품 요구 사항과 섬유 및 건축 자재에 대한 많은 요구 사항을 채웁니다. 석유, 천연 가스, 석탄에 저장된 에너지는 모두 광합성을 통해 태양으로부터 왔으며, 세계 여러 지역에서 주요 연료인 장작의 에너지도 마찬가지입니다.

그렇기 때문에 광합성에 대한 과학적 연구는 매우 중요합니다. 광합성 과정의 복잡성을 이해하고 제어할 수 있다면 식량, 섬유질, 목재 및 연료의 작물 수확량을 늘리는 방법과 토지를 더 잘 사용하는 방법을 배울 수 있습니다. 식물의 에너지 수확 비밀은 태양 에너지를 수집하고 사용하는 새롭고 효율적인 방법을 제공하는 인공 시스템에 적용될 수 있습니다.

이러한 동일한 자연적 "기술"은 새롭고 더 빠르고 더 컴팩트한 컴퓨터의 설계와 새로운 의료 혁신으로 가는 길을 가리키는 데 도움이 될 수 있습니다.