광합성은 녹색식물이 태양에너지를 이용하여 이산화탄소($\text{CO}_2$)와 물($\text{H}_2\text{O}$)을 원료로 탄수화물을 합성하는 과정입니다. 이 과정은 엽록체에서 일어나며, 크게 명반응과 암반응의 두 단계로 나뉩니다.
1. 광합성 색소의 역할
엽록소: 태양의 가시광선 중 적색과 청색 부근의 에너지를 흡수하여 광합성의 원동력을 제공합니다.
카로티노이드: 엽록소가 흡수하지 못하는 빛을 흡수하여 전달하는 보조색소 역할을 하며, 강한 빛으로부터 엽록소가 파괴되는 것을 방지합니다.
2. 명반응 (Light Reaction)
장소: 엽록체 내의 그라눔(granum)에서 진행됩니다.
원리: 엽록소가 흡수한 빛에너지를 이용해 물($\text{H}_2\text{O}$) 분자를 분해(광분해)하여 산소($\text{O}_2$)를 방출합니다.
결과: 이 과정에서 화학에너지 형태인 ATP와 환원력이 있는 NADPH를 생산하여 암반응에 전달합니다.
3. 암반응 (Dark Reaction)
장소: 엽록체 내의 스트로마(stroma)에서 진행됩니다.
원리: 명반응에서 만들어진 ATP와 NADPH를 에너진원으로 사용하여 공기 중의 이산화탄소($\text{CO}_2$)를 환원시켜 탄수화물을 합성합니다.
$\text{C}_3$ 경로: 대부분의 수목이 사용하는 방식으로, 루비스코(Rubisco) 효소를 이용해 이산화탄소를 고정하여 탄소 3개짜리 화합물(3-PGA)을 처음 만듭니다.
4. 광호흡 (Photorespiration)
$\text{C}_3$ 식물에서 빛이 있을 때 일어나는 소모적인 과정입니다. 루비스코 효소가 이산화탄소 대신 산소($\text{O}_2$)와 결합하여 고정된 탄소의 일부를 다시 이산화탄소($\text{CO}_2$)로 방출함으로써 광합성 효율을 떨어뜨리기도 합니다.
5. 광합성에 영향을 주는 요인
광도: 광보상점 이상의 빛이 있어야 순광합성이 일어나며, 특정 광도(광포화점)에 도달하면 더 이상 광합성량이 증가하지 않습니다.
온도: 암반응은 효소 반응이므로 온도의 영향을 받으며, 온대지방 수목은 대개 $15\sim25^\circ\text{C}$에서 최대 효율을 보입니다.
이산화탄소: 대기 중의 $\text{CO}_2$ 농도가 높아지면 광합성 속도가 빨라지는 경향이 있습니다.
수분 및 무기양분: 수분이 부족하여 기공이 닫히면 $\text{CO}_2$ 흡수가 제한되어 광합성이 감소하며, 질소(N)와 같은 양분 결핍도 광합성 능력을 저하시킵니다.