광합성
광합성은 식물, 일부 박테리아 및 조류가 자연에서 에너지를 얻는 방법입니다. 태양으로부터 에너지를 받아 이산화탄소와 물을 사용하여 광합성 과정을 통해 포도당과 같은 당류와 산소를 생성합니다. 이렇게 생성된 당류는 생명체가 성장하고 생존하며 번식하는 데 필요한 에너지가 됩니다.
광합성은 크게 두 단계로 나뉩니다.
- 명반응: 이 반응은 태양빛이 직접적으로 필요합니다. 명반응은 엽록소라는 특수한 분자가 존재하는 식물의 엽록체에서 일어납니다. 빛의 에너지가 엽록소에 충돌하면 이 에너지는 전자를 빠져나가게 만들어 높은 에너지 상태로 만듭니다. 이 높은 에너지 전자는 ATP(아데노신 삼인산)와 NADPH라는 두 가지 중요한 에너지 화합물을 생성하는 데 사용됩니다. 이 과정에서 물은 산소와 수소 이온으로 분해되며 산소는 대기로 방출됩니다.
- 암반응(캘빈주기): 이 단계에서는 빛이 직접적으로 필요하지 않습니다. 암반응은 식물의 엽록체 내부의 특정 부분인 기질(Stroma)에서 일어납니다. 이 반응에서는 ATP와 NADPH가 이산화탄소를 포도당으로 전환하는 데 사용됩니다.
광합성의 화학반응식은 6CO2 + 6H2O + 빛에너지 → C6H12O6 + 6O2입니다.
즉 6개의 이산화탄소 분자와 6개의 물 분자가 태양빛의 에너지를 받아 하나의 포도당 분자와 6개의 산소 분자를 생성합니다. 이 과정은 지구상의 대부분의 생명체에게 필요한 산소를 공급하는 중요한 역할을 합니다.
푸른 민달팽이의 광합성
푸른 민달팽이(Elysia Chlorotica) 광합성을 하는 동물입니다. 푸른 민달팽이는 대서양 해안과 카리브 해에서 주로 발견되며 녹조류인 Vaucheria litorea를 먹는데 이 과정에서 엽록체를 추출하고 자신의 세포 내에 저장합니다. 이 독특한 과정은 'Kleptoplasty'라고 부릅니다.
저장된 엽록체를 사용하여 푸른 민달팽이는 태양빛, 이산화탄소, 물을 활용해 광합성을 하며 에너지를 얻습니다. 식물이 광합성을 통해 에너지를 생산하는 방식과 매우 유사합니다.
푸린 민달팽이의 광합성 능력은 먹이 없이도 수개월 동안 생존할 수 있게 합니다
그러나 푸른 민달팽이의 이러한 능력은 아직 모든 면에서 완전히 연구되지 않았습니다. 엽록체를 어떻게 유지하고 효율적으로 사용하는지에 대한 연구가 계속 진행되고 있습니다.
광합성 생물의 공생
- 점박이 도롱뇽: 점박이 도롱뇽은 광합성을 하지 않지만 점박이 도롱뇽의 알은 단세포 녹조류인 Oophila amblystomatis와 공생관계입니다. 이 녹조류는 도롱뇽의 알 주머니의 주변에서 점박이 도롱뇽 배아의 대사과정에서 배출하는 질소와 풍부한 노폐물를 영양분 삼고 광합성으로 발생하는 산소와 포도당은 점박이 도롱뇽의 배아 발달에 도움을 줍니다.
- 산호: 바다 산호는 산호 폴립과 광합성을 하는 조류인 심바이오디니움(Symbiodinium)와 공생관계입니다. 심바이오디니움은 광합성을 통해 생산된 에너지를 산호에게 공급합니다. 산호의 필요한 영양분의 80~90%를 심바이오디니움으로부터 얻습니다.
- 해파리: 해파리(Cassiopea spp.)는 세포 내에서 광합성을 하는 조류와 공생관계입니다.
광합성과 닮은 비타민 D 합성
비타민 D는 사람의 피부가 자외선 B (UVB) 빛에 노출될 때 체내에서 합성됩니다. 피부에 있는 콜레스테롤 유도체가 UVB 빛에 노출되면 프리 비타민 D3라는 물질이 생성됩니다. 이후 체온에 의해 프리 비타민 D3가 비타민 D3 (Cholecalciferol)로 변환됩니다. 비타민 D3는 간과 콩팥에서 두 번의 산화 과정을 거쳐 최종적으로 우리 몸에서 활성 형태인 비타민 D(칼시트리올 Calcitriol)로 변환됩니다. 따라서 광합성과 비타민 D 합성은 언뜻 비슷해 보여도 전혀 다른 개념입니다.
광합성을 활용한 기술
- 인공 광합성: 태양빛을 화학 에너지로 변환하는 광합성 과정을 모방하는 기술입니다. 인류는 이 기술을 활용하여 재생 가능한 에너지를 생성하려고 노력하고 있습니다. 이 방법은 태양 에너지를 화학 연료로 직접 변환하는 데 사용될 수 있습니다.
- 바이오연료 생산: 일부 박테리아와 조류는 광합성을 통해 에너지를 얻으며 이 과정에서 만들어지는 제품은 바이오연료로 활용될 수 있습니다. 예를 들어 일부 미세조류는 광합성 과정에서 바이오디젤을 생산할 수 있습니다.
- 탄소 포집: 광합성은 이산화탄소를 포획하는 데 사용되는 자연적인 방법입니다. 이를 활용해 인공적으로 대기 중의 이산화탄소를 감소시키는 기술이 개발되고 있습니다.
- 식물 기반의 생산 시스템: 식물의 광합성을 활용하여 다양한 바이오 제품을 만드는 방법입니다. 광합성은 식물이 태양빛을 에너지로 변환하는 과정이기 때문에 이를 활용하면 식물이 우리가 필요로 하는 특정 물질을 만들도록 할 수 있습니다.