공부) 식물분류학 - 식물생리

1. 식물생리학

식물호르몬과 같은 물질들을 사용해 식물들의 행태를 조절할 수 있다는 사실이 밝혀지면서 농업 분야에서 이러한 물질들을 활발하게 사용하게 되었다.
주요 연구과제는 다음과 같다.

2. 광합성

1) 생물 개체 차원에서
생물에게 에너지 확보는 매우 중요한 일이다. 생명을 유지하고 각종 생명 활동을 하기 위해서는 각종 에너지가 필요하며, 에너지가 없으면 생물은 생명력을 유지할 수 없게 되어 곧바로 죽는다. 따라서 생물들은 에너지를 확보하기 위해 다양한 방법들을 사용하는데, 그 가운데 식물들은 태양에서 오는 빛에너지를 가공하여 스스로 쓸 수 있는 에너지로 만들어 사용한다. 즉, 태양의 빛을 이용하여 에너지를 만들어 사용한다.

그런데 에너지는 매우 쉽게 흩어지기 때문에 지속적으로 저장할 수 없다. 예를 들어, 땔감을 태워 난로를 피우면 따뜻해지는 것은 열에너지 때문인데, 열에너지도 매우 쉽게 흩어지므로 난로를 끄면 곧 다시 추워지게 된다. 그런데 앞에서도 말했듯 생물에게 에너지의 결핍은 곧 사망으로 이어지게 되므로 비상시를 대비하여 에너지를 저장해 두는 것은 반드시 필요하다. 그래서 식물들은 빛에너지로 얻은 에너지를 사용하여 당을 만들어 저장해 둔다. 당은 쉽게 소실되지 않으며, 필요할 때 쉽게 에너지로 다시 바꾸어 사용할 수 있으므로 에너지 저장에 적합한 물질이다.

이처럼, 식물들은 태양광을 이용하여 에너지를 만들고 또 만든 에너지를 당으로 저장하는 광합성 작용을 하여 안정적으로 생명을 유지한다. 말하자면 식물은 생물이라는 난로를 데우기 위한 땔감을 스스로 만드는 만능 엔지니어라고 할 수 있겠다.

2) 생태계 차원에서
또한 광합성은 생태계에 에너지를 공급해 주는 거의 유일무이한 수단으로 지구에 생명이 등장한 이후 생태계의 에너지가 흐르기 시작하는 가장 첫 단계이며, 지구의 거의 모든 생물들이 광합성으로 저장한 태양 에너지로 생존하고 있는데, 이는 스스로 에너지를 만드는 식물뿐만 아니라 다른 생물들을 잡아먹는 동물들도 마찬가지이다. 왜냐하면 초식동물은 당연히 식물이 만든 당을 먹는 것이고 육식동물들도 초식동물을 잡아먹거나 초식동물을 잡아먹은 육식동물을 잡아먹는 것이기 때문이다. 마지막으로 이들의 시체, 노폐물 등을 처리하는 균계, 고균, 세균 역시 이와 연결된다. 이처럼, 광합성 생물은 생태계의 유지에 없어서는 안 될 존재이다. 광합성을 하는 세포 기관인 엽록체는 '전 세계를 먹여살리는 세포 소기관'으로 보아도 될 정도.

여기서 전부가 아닌 거의라고 표현한 이유가 있다. 지구에서 빛이 전혀 들어오지 않는 심해의 열수구 근처에서 마치 광합성과 비슷한 '화학 합성'을 이용하는 새로운 생태계를 찾아냈기 때문이다. 이들은 광합성이 아니라 열수에 녹아 나오는 황화합물 등을 통해 에너지를 얻는다. 이 발견으로 인하여 유로파와 같은 빛은 없지만 두꺼운 얼음 아래 물이 가득한 행성에 생명체가 살 확률이 늘어나게 되었다.

3) 광합성 과정
두 가지 과정에 따라서 에너지를 수확하고 저장한다.
1. 명반응: ATP, NADPH 생성. 이것들이 암반응으로 넘어가 포도당을 합성하는 과정에 쓰인다. 물의 광분해, 순환적 광인산화, 비순환적 광인산화로 나눌 수 있다.
2. 암반응: 캘빈 회로를 돌려서 명반응의 부산물을 사용해 포도당을 합성한다.

4) 광합성 생물의 다양성
광계1만을 사용하는 단세포 녹조류의 경우 이산화탄소를 대사산물로 이용하지만, 광합성 산물로 산소를 내놓지 못한다. 이런 종류의 생물을 산소 미발생형 광합성생물이라고 한다.

고대의 녹조류의 대부분은 절대혐기성 생물이었으며, 대사산물로 산소를 발생시키기 시작한 것은 광계II를 가지게 된 이후의 일이다. 녹조류가 지구를 산소로 꽉 채운 건 사실이지만 그 당시에는 이미 진핵생물이 등장했고, 혐기성 원생생물들은 진핵생물들에게 사냥당하고 있었다. 이 과정에서 호기성 원핵생물이 흡수당해서 미토콘드리아가 되었고, 지금 다루는 광합성 원핵생물이 흡수당해서 엽록체가 된 것.

당시의 광합성은 상당히 원시적이며, 현존 식물들도 이 구조의 일부를 가지고 있다. 또한 지금 나오는 적철석은 대부분 이들이 만들었다. 이들 없었으면 인류 문명도 사실상 없었다고 해도 될 정도다. 더불어 시멘트에 쓰이는 대부분의 석회암 또한 선캄브리아기 녹조류들의 시체다.

흔히 광합성 하면 못 움직이는 식물을 생각하지만 개중에는 영양상태가 좋으면 동물이 되고 영양상태가 극도로 나빠지면 광합성하는 경우도 있다.

대부분 광합성이라 하면 이산화탄소를 소모해 산소를 생성하는 반응을 떠올리지만, 전 생물체 중 압도적인 비율을 차지하는 미생물들 중에는 황산, 철, 질산, 암모니아 등으로 광합성을 하는 종들도 있다.