광합성은 녹색식물이 태양에너지를 이용하여 유기물인 탄수화물을 합성하는 과정으로, 이산화탄소($\text{CO}_2$)와 물($\text{H}_2\text{O}$)을 원료로 에너지를 생산하는 수목 생리의 핵심 대사입니다.
1. 광합성 장소와 색소
장소: 주로 잎의 유세포 내에 있는 엽록체(chloroplast)에서 일어납니다.
색소: 엽록소 $a$와 $b$가 주종을 이루며, 가시광선 중 적색과 청색 부근의 빛을 흡수합니다. 보조 색소인 카로티노이드는 빛을 흡수하여 엽록소에 전달하고 고광도에서 엽록소 파괴를 방지합니다.
2. 광합성의 주요 단계
명반응(Light Reaction): 엽록체의 그라눔(granum)에서 진행됩니다. 태양에너지를 흡수하여 물($\text{H}_2\text{O}$)을 분해해 산소($\text{O}_2$)를 방출하고, 화학에너지인 ATP와 NADPH를 생산합니다.
암반응(Dark Reaction): 엽록체의 스트로마(stroma)에서 진행됩니다. 명반응에서 생성된 ATP와 NADPH를 이용하여 공기 중의 $\text{CO}_2$를 환원시켜 탄수화물을 합성합니다.
3. 탄소 고정 방식에 따른 분류
C-3 식물: 대부분의 목본식물이 속하며, $\text{CO}_2$ 고정 시 처음 만들어지는 물질의 탄소 수가 3개(3-PGA)입니다. 루비스코(Rubisco) 효소가 관여합니다.
C-4 식물: 열대성 초본류와 일부 목본식물이 속하며, 고온과 강한 햇빛 조건에서 C-3 식물보다 광합성 효율이 높습니다.
CAM 식물: 사막의 다육식물처럼 밤에 기공을 열어 $\text{CO}_2$를 흡수·저장했다가 낮에 광합성을 합니다.
4. 광합성에 영향을 주는 요인
광도: 광보상점(호흡량과 광합성량이 일치하는 지점) 이상의 빛이 필요하며, 광포화점에 도달하면 빛이 더 강해져도 광합성량은 증가하지 않습니다.
온도: 온대지방 수목의 최적 온도는 일반적으로 $15 \sim 25^\circ\text{C}$입니다. 고산수종은 이보다 낮은 온도에서 최대 효율을 보입니다.
이산화탄소: 대기 중 $\text{CO}_2$ 농도가 증가하면 일반적으로 광합성량도 증가하지만, 일정 농도 이상에서는 효과가 둔화됩니다.
수분 및 무기양분: 수분이 부족하면 기공이 닫혀 $\text{CO}_2$ 흡수가 제한됩니다. 또한 질소(N), 마그네슘(Mg), 철(Fe) 등의 양분 결핍은 엽록소 합성과 효소 활동을 저해하여 광합성을 감소시킵니다.
5. 광호흡(Photorespiration)
C-3 식물에서 낮에 햇빛이 있을 때 광합성으로 고정된 탄수화물의 일부가 다시 분해되어 $\text{CO}_2$로 방출되는 과정입니다. 이는 광합성 효율을 낮추는 요인이 되기도 합니다.