식물이 빛을 이용해 필요한 양분을 만들어가는 과정을 광합성(Photosynthetic)이라고 한다. 그동안 세계 각국의 과학자들은 식물의 이 광합성 작용을 모방, 인공 광합성 기술을 개발하기 위해 많은 노력을 기울여왔다.

28일 ‘라이브 사이언스’에 따르면 미국 중서부 지역 대형 대두 농장에서도 인공광합성 실험이 진행되고 있다. 이곳에서 일리노이 대학 연구팀은 3,65m 높이의 금속 기둥 12개를 세워놓고 농작물을 비추는 비가시광선을 모니터링하고 있는 중이다.

농업·소비자·환경과학 대학(ACES)의  카이유 관(Kaiyu Guan) 교수는 “비가시광선을 채취해 이 광선의 파장이 광합성에 어떤 영향을 미치고 있는지 정밀 관찰하고 있다.”고 밝혔다. 교수는 또 “이 실험을 통해 아직 알지 못하는 광합성의 비밀을 밝혀내고 있다.”고 말했다.

비가시광선도 광합성에 지대한 영향

비가시광선(invisible ray)이란 사람의 눈에 보이지 않는 빛을 말한다. 자외선, 적외선을 비롯 엑스선에 이르기까지 다양한 빛이 여기에 포함된다. 태양으로부터 발산되는 빛을 구성하고 있는 광선 중 대부분을 차지하고 있는 빛의 영역이다.

관 교수는 “비가시광선의 파동을 모니터링하면서 이들 파장이 식물 광합성에 어떤 영향을 미치고 있는지 분석하고 있다.”고 밝히고, “향후 연구 결과에 따라 향후 농업 생산성을 높이는데 큰 기여를 할 수 있을 것.”이라고 말했다.

연구에 공동 참여하고 있는 IGB(Institute for Genomic Biology)의 칼 버나치(Carl Bernacchi) 교수는 “특히 대두가 빛의 정도에 따라 어떻게 반응하는지 관측하기 위해 인공위성 SIF(sun-induced fluorescence) 기술을 적용하고 있다.”고 말했다.

그는 또 “이번 연구를 통해 식물 광합성 작용과 비가시광선 파장과의 관련성을 밝히고, 또한 식물 생장의 비밀을 밝혀, 광범위한 농업 분야에서 작물 수확을 증진시킬 수 있는 방안을 찾을 수 있을 것”이라고 설명했다.

광합성은 빛에너지를 이용해 이산화탄소와 물로부터 유기물을 합성하는 과정이다. 여기서 생성되는 것이 당과 탄수화물이다. 그런데 지구상에서 이 광합성 작용으로 활용하고 있는 빛의 양은 1~2%에 불과하다.

연구팀이 의도하고 있는 것은 초분광 센서(hyperspectral sensors)를 통해 대두와 같은 식물이 어떤 파동의 빛을 활용하고 있으며, 식물 생장기 광합성 작용에 적합한 빛의 파동이 무엇인지 알아내 농업 생산에 적용하겠다는 것.

연구팀을 이끌고 있는 구오팡 미아오(Guofang Miao) 교수는 “지금까지의 연구 결과에 비추어 이들 비가시광선의 파동과 광합성 간의 비례적인 관계가 있다.”며, “추가 연구를 통해 빛의 파동이 식물생장에 어떤 영향을 미치고 있는지 밝혀내겠다.”고 말했다.

다양한 지역의 식물 광합성 현황 분석

연구에 공동 참여하고 있는 캐더린 미첨(Katherine Meacham) 교수는 “빛의 파동과 연계해 유전자와 환경의 영향에 의해 형성된 생물의 형질인 DNA의 표현형(phenotyping)을 연구하고 있다.”고 말했다.

연구팀은 현재 미국 전역에 SIF 센서 네트워크를 구축하고 데이터를 축적하고 있는 중이다. 미첨 교수는 “이를 통해 다양한 지역의 작물과 생태계 환경이 빛과 광합성 작용과 관련해 어떤 영향을 미치고 있는지 구체적인 내용을 밝혀낼 수 있을 것”으로 내다봤다.

관 교수는 이를 위해 현재 네브래스카 주에 2개의 SIF 센서 시스템을 설치하고 천수답과 관개답에서 자라고 있는 대두를 비교하고 있는 중이다. 관 교수는 “이 방식을 통해 다양한 지역에서 자라고 있는 식물들의 광합성 현황을 파악할 수 있다.”고 말했다.

최근 인공광합성 연구가 본격적으로 시작된 것은 2000대 들어서면서부터다. 그리고 지금 세계 각국 과학자들은 다양한 기술을 적용한 인공광합성의 효율을 높이기 위해 치열한 경쟁을 벌이고 있는 중이다.

경쟁은 식물처럼 빛에 민감한 첨단 촉매제를 개발하는데 집중되고 있다. 자연을 모방해 촉매제를 개발했지만 효율 면에서 식물을 따라가기 못해 많은 과학자들이 효율 높은 촉매제를 개발하는데 애를 먹고 있다.

때문에 주요 기술투자자들을 통해 2000만 달러 상금의 기술공모전 ‘$20M NRG COSIA Carbon XPRIZE’이 개최되는 등 새로운 촉매제 개발을 위한 노력이 전 세계적으로 뜨겁게 전개되고 있는 중이다.

이번 일리노이 대 연구가 주목을 받고 있는 것은 기존의 촉매제 연구와는 달리 ‘광합성을 가능케 하는 빛과 식물 명반응과의 밀접하고 예민한 관계’를 첨단 정밀기기를 통해 세밀하게 파헤치고 있기 때문.

관 교수는 “현재 축적하고 있는 데이터를 통해 기후변화로 큰 변화를 겪고 있는 농작물 생태환경의 상황을 파악하고, 각각의 식물마다 어떤 식으로 광합성을 하고 있는지 분석해 전체적으로 농업 생산성에 기여할 수 있다.”고 말했다.