The Science Times

짧은 가을이 가는 것이 아쉽지만, 남아 있는 단풍을 보며 늦가을의 정취, 그리고 단풍 속 과학의 재미도 함께 만끽해보자. 11월 중순에 들어서면서 오색찬연 단풍이 지기 시작했다. 나무들도 저마다 겨울나기를 준비하면서 형형색색으로 잎들을 물들이는데, 고작 한 달 남짓한 기간에 볼 수 있는 아름다움에도 사람들의 마음은 즐겁기만 하다. 유독 짧은 가을이 가는 것이 아쉽지만, 남아 있는 단풍을 보며 늦가을의 정취, 그리고 단풍 속 과학의 재미도 함께 만끽하는 건 어떨까.

광합성은 식물이 빛 에너지를 생명체가 활용할 수 있는 화학에너지로 전환하는 과정으로, 이름 그대로 빛이 필수적이다. 이러한 자연적인 광합성에서 탈피해 빛 없이도 식물의 재배하는 일이 가능할까. 캘리포니아 대학교 리버사이드(University of California, Riverside; UCR)와 델리웨어(Delaware) 대학의 과학자들은 인공 광합성으로 햇빛과 무관하게 식량을 생산할 수 있는 기술을 개발했다. 해당 연구결과는 6월 23일자 네이처 푸드 지에 게재되었다.

요즘 ‘탈탄소’, ‘탄소 중립’에 대한 뉴스를 쉽게 접할 수 있다. 탈탄소와 탄소 중립이란 말에는 탄소 배출량을 줄이자는 뜻이 담겨 있다. 이렇게 탄소 배출과 관련된 뉴스가 넘치지만, 왜 탄소가 문제인지 정확하게 설명하기가 쉽지 않다. 그래서 가짜 정보에 사람들이 현혹되기도 한다. 왜 탄소가 문제인지 차근차근 살펴보자.

영국 에섹스대 과학자들이 '광합성 효율 증가 프로젝트(RIPE)' 세 번째 연구로, 광합성의 두 가지 주요 병목현상을 해결해 작물 생산성을 27% 향상시키는 성과를 거둠으로써 지금까지의 세 가지 RIPE연구 결과를 통합해 작물 생산을 50~60%까지 증산할 수 있는 가능성을 열었다.

잎에 내리쬐는 햇볕이 갑자기 변할 때 식물은 태양 에너지의 급증으로부터 스스로를 보호해야 한다. 이런 변화에 대처하기 위해 식물에서 박테리아에 이르기까지 광합성을 하는 유기체는 수많은 전략을 개발했다. 그러나 과학자들은 그와 관련한 기본 설계 원리를 식별해 내지 못했다. 미국 캘리포니아(리버사이드)대가 이끄는 국제 협동연구팀은 많은 광합성 유기체들에게서 나타나는 광합성을 위한 빛 확보의 일반적 특성을 재현할 수 있는 모델을 생성해 광합성의 기본 설계 원리를 설명했다.

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.

많은 과학자들은 목성과 토성 표면 얼음 밑에 엄청난 양의 물이 흐르거나 고여 있다고 보고 있다. 특히 토성의 엔켈라두스에는 열수분출공(hydrothermal vents)이 있어 마그마에 의해 가열된 미네랄워터가 쏟아져 나오고 있다는 것. 최근 들어 엔멜라두스 표면에서 수증기가 분출되고 있는 것으로 추정되고 있다. 이는 화성과 달리 훨씬 더 많은 물이 지구처럼 흐르거나 고여 있다는 사실을 말해주는 것으로 외계 생명체 연구에 중요한 실마리가 되고 있다.

식물은 광합성을 통해 햇빛을 에너지로 변환한다. 그러나 지구상의 작물 대부분은 광합성의 결함으로 인해 피해를 입고 있다. 이 피해에 대처하기 위해 작물들은 광호흡(photorespiration)이라 불리는, 에너지가 많이 소비되는 과정을 진화시켰다. 그런데 문제는 이 광호흡이 작물의 수확량을 크게 떨어뜨린다는 점이다.

지구 미생물이 이전에 생각했던 것보다 적어도 10억년 앞서 산소 생성 광합성을 수행했던 것으로 밝혀졌다. 이 발견은 복잡한 생명체가 지구상에서 언제 어떻게 진화했는지, 그리고 다른 행성에서는 어떻게 진화할 수 있는지에 대한 새로운 통찰력을 제공하는 것이다. 지구 대기 중 산소는 복잡한 생명체가 생명을 유지하는 필수 요소다. 생명체는 에너지 생성을 위해 호기성 호흡을 통해 산소를 사용한다. 대기 중 산소 농도는 약 24억년 전에 극적으로 상승했으나, 왜 그런 일이 일어났는지는 아직도 논란이 되고 있다. 일부 과학자들은 24억년 전에 처음 진화한, 시아노박테리아라고 불리는 유기체가 산소 생성 광합성을 수행했을 것이라고 보고 있다.

광합성 과정에서 물을 수소이온과 산소로 분리하는 광화학계(photosystem) II의 고해상도 세부구조 이미지가 포착됐다. 이에 따라 과학자들이 복잡한 광합성 메커니즘을 더욱 잘 이해하는 한편, 값싸고 효율적인 태양 연료장치 개발의 문이 열릴 것으로 기대되고 있다.