기획·칼럼

지구 생명을 지켜주는 광합성

[만화로 푸는 과학 궁금증] 광합성의 유래, 광합성과 지구 생태계의 관계

동물은 끊임없이 영양분을 먹어야 생존할 수 있다. 하지만 식물은 스스로 영양분을 만들어 내기 때문에 먹을 것을 찾아다닐 필요가 없는 생물이다. 식물은 잎과 뿌리를 통해 흡수한 이산화탄소와 물로부터 태양의 빛 에너지를 이용하여 스스로 유기물을 합성할 수 있다. 식물이 가진 이 놀라운 능력은 바로 광합성 때문이다.

지구의 생명 유지 장치 ‘광합성’

식물은 이산화탄소와 물을 흡수하고 빛을 이용한 광합성을 통해 당이나 녹말을 만들어내고, 이렇게 만든 당이나 녹말을 자신의 몸을 만드는 데 사용한다. 반면에 스스로 영양분을 만들지 못하는 동물은 식물이 만든 유기물을 섭취하여 자신의 몸을 만들고 생명을 유지하는 에너지로 사용한다. 결국 우리의 몸을 만드는 유기물 속의 탄소는 공기 중의 이산화탄소에서 비롯된 것이다. 게다가 광합성은 생물이 살아가는 데 꼭 필요한 산소도 생산한다.

식물이 광합성을 하기 위해 흡수한 이산화탄소에는 탄소 원자가 들어있고, 이 탄소 원자를 이용해 유기물을 합성한다. ⓒ윤상석

식물이나 동물, 그리고 이들의 사체나 배설물을 분해하는 박테리아는 호흡을 통해 이산화탄소를 공기 중에 내보낸다. 식물은 이렇게 나온 이산화탄소를 광합성을 위해 다시 흡수한다. 이런 과정을 통해 지구의 탄소가 순환한다. 광합성이 순화시키는 것은 탄소만이 아니다. 식물이 체내에서 만드는 화합물에는 탄소뿐만 아니라 산소, 질소, 황 등도 포함되어 있다. 동물이 식물을 먹음으로써 이들 물질도 각각 순환한다. 그래서 식물이 광합성을 하지 않으면, 스스로 양분을 만들 수 없는 생물은 살아갈 수가 없다. 결국 광합성은 지구의 생명 유지 장치라고 할 수 있다.

동물은 식물을 통해 유기물을 섭취하고, 식물과 동물의 호흡 과정에서 공기 중으로 다시 탄소가 배출된다. ⓒ윤상석

광합성의 역사

과학자들은 25~28억 년 전 생물계의 광합성이 본격적으로 시작되었다고 추측한다. 이 무렵 지구에는 산소 분자가 거의 없었고 육지에는 어떠한 생물도 살지 않았다. 당시 생물은 물속에 살면서 산소 없이도 양분을 분해할 수 있는 호흡인 혐기 호흡을 통해 에너지를 얻었다. 그러다 시아노박테리아라고 부르는 세균이 광합성을 처음으로 시작하였다. 물이 있는 곳이라면 어디에서나 살 수 있는 시아노박테리아는 오늘날에도 지구상에 광범위하게 퍼져 있다. 시아노박테리아가 산소를 생산하자 물속에는 활성 산소가 생기기 시작했다. 활성 산소가 물속에 쌓여가자 혐기 호흡을 하는 많은 생물들이 이 활성 산소에 적응하지 못하고 죽고 말았다.

식물 세포 안의 엽록체는 약 16억 년 전 시아노박테리아의 일종이 다른 생물 안으로 들어가면서 생겼다고 한다. 그 증거로, 엽록체는 식물 세포 안의 작은 기관에 불과하지만 엽록체 안에도 핵을 가지고 있으며 식물 세포핵과 다른 유전자를 갖고 있다.

처음 엽록체를 갖게 된 생물 중 일부가 조류로 진화했고, 조류로부터 식물이 진화하였다. 그런데 식물은 어떻게 다른 생물과 달리 고착 생활을 하게 되었을까? 몸을 움직이는 데는 많은 에너지가 필요한데, 식물이 광합성만으로 그 만한 에너지를 얻는 건 불가능했다. 그래서 식물은 움직이는 것을 포기한 채 효율적으로 광합성을 하기 위해 햇빛에 노출된 채 가만히 있게 되었다. 대신 동물처럼 다른 생물을 잡아먹어 에너지를 얻는 것을 포기했다. 그 후, 식물은 많은 태양광을 받기 위해 무성한 잎을 가져야 했고, 그 잎들을 유지하기 위해 가지와 줄기가 필요했으며 땅속으로 뿌리를 내려야 했다.

지구 온난화를 막는 광합성

탄소 순환을 통해 지구의 대기는 적정한 이산화탄소 농도를 유지한다. ⓒ윤상석

식물이 공기 중의 이산화탄소를 흡수하여 광합성을 통해 유기물을 만들고, 동물이 그 유기물을 섭취하여 자신의 몸을 만들며 호흡을 통해 이산화탄소를 공기 중으로 내보내는 과정을 탄소의 순환이라고 한다. 이를 통해 공기 중에 늘 적정한 이산화탄소 농도를 유지할 수 있다.

그런데 현대 산업문명이 발달하면서 인류는 땅속에 묻혀 있던 화석 연료를 캐내어 대규모로 태워 공기 중의 이산화탄소 균형을 깨뜨리고 있다.

석유와 천연가스, 석탄 등의 화석 연료는 수백만 년 전에 땅속에 묻힌 생물의 잔해로 만들어진다. 따지고 보면 화석 연료는 순환하던 탄소가 더 이상 순환하지 못하고 땅속에 붙잡혀 있는 상태라고 할 수 있다. 따라서 이 화석 연료에는 많은 양의 탄소가 포함되어 있고, 이 연료를 태우면 탄소 원자들이 이산화탄소 기체로 공기 중에 나온다. 오래전에 땅속으로 숨은 탄소들이 인류의 대규모 화석 원료 사용으로 급하게 밖으로 나와 탄소의 순환 과정에 다시 들어온 셈이 된다.

그런데 짧은 시간 동안 너무나 많은 양이 들어왔기 때문에 이산화탄소의 균형이 깨지고 말았다. 그리고 흡수되지 못하고 대기에 남은 이산화탄소는 온실가스가 되어 지구 온난화를 초래하고 있다. 결국 지구 온난화의 주범인 온실가스를 줄이려면 숲의 파괴를 막고 많은 나무를 심어 대기 중의 이산화탄소를 흡수하는 광합성이 많이 일어나도록 해야 한다.

화석 연료를 연소하며 발생한 탄소 원자로 인해 대기 중 이산화탄소의 균형이 깨지고 있다. ⓒ윤상석

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전체 댓글 (1)

  • 박한얼 2020년 7월 20일8:42 오후

    탄소의 순환을 다시 생각해보는 계기가 되고 생태계의 만화 칼럼이 재미 있습니다. 앞으로 더 유익하고 즐거운 기사 부탁드려요

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