빛과 식물

광합성(photosynthesis)

녹색식물(?)은 광합성(photosynthesis)을 통해 살아가는 데에 필요한 에너지를 스스로 만듭니다. 광합성은 '빛을 합성하는 것'이죠? 아닙니다! - - - 광합성은 '빛을 이용한 합성'이란 뜻입니다. 녹색식물은 빛을 이용하여 포도당을 합성합니다. 만든 포도당으로 생체에너지의 연료로 사용하기도 하고 다른 유기화합물을 만드는 재료로 사용하기도 합니다.

 

녹색식물은 엽록체를 가지고 있습니다. 엽록체 속 엽록소가 빛을 흡수하여 물과 이산화탄소를 원료로 하여 복잡한 과정을 거쳐 포도당을 만들어냅니다. 가장 자연적으로 광합성에 이용되는 빛은 태양광입니다. 태양광을 이용하는 전통적인 재배방식에서는 태양광과 관련하여 변화시킬 수 있는 것은 빛의 세기와 비추는 시간 정도 밖에 없습니다. 그물망을 쳐서 빛을 약하게 하는 것은 빛의 세기를 조절하는 예입니다. 그것을 얼마 동안 하느냐가 시간을 변화시키는 예라 할 수 있습니다. 

 

태양광 외에 전등으로 빛을 공급하는 방법도 있습니다. 전등을 이용할 경우 빛의 세기와 비추는 시간 외에 빛의 색깔도 제어할 수 있습니다. 이 시점에서 빛의 색깔이 광합성에 어떤 영향을 미치는지 궁금할 수 있습니다. 태양광을 이용할 때는 생각해 보지 않았던 주제이지요.

 

엽록소의 흡수스펙트럼(absorption spectrum)

식물이 광합성을 하는 데에 어떤 색깔의 빛이 필요할까요? 녹색식물에서는 엽록소에서 광합성이 일어나기 때문에 엽록소가 어떤 빛을 많이 흡수하는지 알아보면 광합성에 어떤 색깔의 빛이 많이 필요한지 알 수 있을 것 같습니다. 엽록소에서 어떤 파장의 빛을 흡수하는지를 흡수 스펙트럼으로 엿볼 수 있습니다. 아래 그래프는 엽록소의 흡수스펙트럼입니다.

 

엽록소의 흡수 스펙트럼 {출처: 위키백과}

 

가로축은 빛의 파장을 나타냅니다. 그래프에서는 400nm보다 좀 작은 파장부터 700nm보다 좀 큰 파장까지 나타나 있습니다. n은 nano를 뜻하는데, 10E-9 = 1/1,000,000,000를 뜻합니다. 즉 10억분의 1을 뜻합니다. 그러니까 1nm는 1m를 같은 길이로 10억 조각을 냈을 때의 한 조각의 길이를 뜻합니다. 너무 작으니 짐작하기 어렵죠? 그렇지만 그 작은 파장을 가지는 빛을 인간은 느낄 수 있습니다. 380~780nm의 전자기파는 눈으로 감지할 수 있고, 그래서 가시광선(可視光線, visible light) 이라고 합니다.  '가히 볼 수 있는 빛'이란 뜻입니다.

 

세로축은 흡수율을 상대적으로 나타내었습니다. 파란색 선은 엽록소 a(chlorophyll a)를 나타내고 빨간색 선은 엽록소 b(chlorophyll b)를 나타냅니다. 육상식물은 엽록소 a와  엽록소 b를 가지고 광합성을 합니다. 엽록소 a는 400~450nm(피크: 430nm) 및 650~700nm(피크: 664nm) 파장의 빛을 잘 흡수합니다. 엽록소 b는 450~500nm(피크: 460nm) 및 600~650nm(피크: 647nm) 파장의 빛을 잘 흡수합니다. 흡수율이 피크가 되는 파장은 자료에 따라 차이가 납니다. 여기를 참조했습니다. 그런데, 그래프에서 흡수율이 피크 근처에서 매우 뾰족합니다. 이로부터 피크를 가지는 파장을 조금만 벗어나면 흡수율이 급격히 떨어진다는 것을 알 수 있습니다. 만일 육상식물에 650nm의 단색광(monochromatic light or homogeneous light)을 비춘다면 같은 세기의 빛을 비추더라도 최대 흡수량보다 훨씬 적은 양만 흡수할 수 있다는 것을 알 수 있습니다. 이처럼 단색광을 이용하여 광합성에 사용한다면 파장을 잘 맞추어야 한다는 것을 알 수 있습니다.

 

광합성광(자)속밀도(PPFD: Photosynthesis Photon Flux Density)

엽록소의 흡수율을 따지는 것은 광합성이 얼마나 잘 되는가를 보려는 것입니다. 엽록소에서 광합성이 일어나기 때문입니다. 이런 이유로 식물의 광합성에 필요하지 않은 초록색 빛을 빼고, 빨간색 계통과 파란색 계통의 빛을 위주로 내는 식물생장용 LED조명이 개발되어왔습니다. 이런 LED조명은 빨간색과 파란색이 합쳐진 자홍색에 가까운 빛을 냅니다. 광합성의 효율에 초점을 맞춘 LED조명의 평가는 광합성에 사용되는 색깔의 빛에 대해 광합성광자속밀도(PPFD: Photosynthesis Photon Flux Density)로 평가합니다. PPFD의 단위는 μmol/m^2/s를 사용합니다. μmol/m^2/s는 1초 동안에 1제곱미터의 면적에 광(양)자(photon)가 몇 개 떨어지는가를 나타냅니다. 빛이 비추어질 때 광자의 갯수는 어마어마하게 많기 때문에 하나, 둘,... 이런 갯수 단위로는 숫자가 너무 크게 나옵니다. 그래서 화학에서 많이 사용하는 몰(mol)이라는 단위를 사용합니다. 1mol은 아보가드로 수(Avogadro's number) 만큼 묶은 단위입니다. 아보가드로 수는 6.02에 ×1000...000(0이 23개)인 수입니다. 이를 6.02E+23으로 표현합니다. 반대로, mol이 너무 많은 갯수를 다루기 떄문에 읽기 쉬운 숫자가 되도록 mol을  백만분의 1로 낮추어 PPFD의 단위를 μmol/m^2/s의 단위를 사용합니다. PPFD는 광자의 갯수를 측정하는 것이라 계측기가 비쌉니다. 휴대폰 앱 중에 PPFD를 측정한다는 것도 있지만 광자의 수를 직접 측정하는 것이 아니고 휴대폰의 조도계로 빛의 세기를 측정하여 예측되는 PPFD값으로 환산하는 것입니다. 참고는 할 수 있지만 정확하지는 않습니다.