햇빛은 식물의 에너지원

흥부전을 읽어 보면 흥부의 도움으로 살아난 제비는 흥부에게 박씨를 물어다 준다. 흥부가 박씨를 심은 뒤, 박은 무럭무럭 자라서 줄기와 잎은 지붕을 뒤덮고 여러개의 박을 주렁주렁 매달게 된다. 박이 이렇게 자라는 것은 동화 속에서만 가능한 것일까? 그렇지 않다.
녹색 식물은 빛을 받아 스스로 물질을 만들어 내는데, 이러한 과정을 광합성이라고 한다. 광합성과 같은 작용으로 생물체 내에서 합성되는 물질을 유기물 또는 유기 양분이라고 한다.
광합성으로 처음 만들어지는 유기 양분은 포도당이다. 포도당은 대부분의 식물에서 설탕으로 바뀌고 각 기관으로 이동하여 살아가는 데 필요한 에너지원으로 사용된다. 이동된 양분 중 일부는 식물체를 구성하는 재료로 이용되며 남은 것은 탄수화물, 지방, 단백질의 형태로 저장되기도 한다. 이렇게 저장된 것 중 일부는 자손의 생장에 필요한 영양분으로 남겨지며 일부는 동물의 먹이가 되기도 한다.

또한 식물은 광합성을 통하여 우리에게 필요한 기체를 만들어 낸다.
1771년 영국의 화학자 프리스틀리는 밀폐된 유리종 속에 쥐를 넣어 두면 얼마 후 쥐가 죽지만, 유리종 속에 쥐와 함께 식물을 넣어 두면 쥐가 더 오랫동안 살 수 있다는 것을 알아냈다. 단, 식물과 함께 있는 쥐가 오랫동안 살아남기 위해서는 반드시 빛이 있어야 했다.
나중에 여러 과학자들에 의해 식물이 빛을 받으면 산소를 만들어 낸다는 것이 밝혀졌다. 산소는 모든 생물이 숨 쉬는 데 꼭 필요한 기체이다.

우리가 몇 가지 음식 재료를 가지고 있으면 음식을 만들 수 있는 것처럼, 녹색식물도 몇 가지 재료를 가지고 광합성을 하여 포도당과 산소를 만들어 낸다. 광합성을 하려면 광합성에 필요한 재료가 있어야 한다. 재료를 준비한 상태에서 빛만 비춰 주면 식물은 언제 어디서든 광합성을 할 수 있다. 식물이 광합성을 할 때 필요한 재료는 이산화탄소와 물이다. 이산화탄소는 포도당의 재료가 되며, 물은 산소의 재료가 된다. 빛은 광합성을 할 때 에너지원으로 작용한다. 식물은 광합성을 통하여 빛 에너지를 포도당에 저장하는 것이다.

광합성에 영향을 주는 것들

식물은 빛을 비추어 주면 항상 일정하게 광합성을 할 수 있을까? 빛이 광합성에 영향을 끼치는 것은 당연하다. 중요한 것은 빛의 세기이며, 그 외에도 이산화탄소의 농도, 온도 등의 환경 요인이 광합성에 영향을 준다.
광합성에 영향을 주는 환경 요인에는 빛의 세기, 이산화탄소의 농도, 온도 등이 있다. 일반적으로 이 세 가지 요소가 증가할수록 식물의 광합성량은 증가한다. 그러나 빛과 이산화탄소가 어느 정도 이상이 되면 광합성량은 더 이상 증가하지 못하고, 온도가 너무 높아지면 오히려 감소하게 된다. 광합성이 잘 일어나기 위해서는 광합성에 영향을 주는 여러 환경 요인들이 서로 적절하게 조화를 이루어야 한다.

광합성과 호흡

식물은 광합성을 통하여 저장된 에너지를 여러 가지 생명 활동에 이용하게 된다. 이때는 호흡 과정이 필요한데, 동물과 마찬가지로 식물도 호흡을 한다. 이때 광합성으로 만들어진 포도당과 산소가 사용된다. 식물은 동물과 같은 호흡 기관을 가지고 있지 않아서 우리가 잘 느낄 수는 없지만 식물도 동물처럼 호흡을 한다. 식물은 뿌리, 줄기, 잎 등 몸 전체에서 산소를 받아들이고 이산화탄소를 내보내는 호흡 작용을 하고 있다.
식물의 호흡 작용은 동물과 마찬가지로 에너지원을 분해하고 이산화탄소를 방출한다. 호흡을 할 때 드나드는 기체는 광합성이 일어날 때와는 반대이다. 광합성이 빛 에너지를 포도당에 저장하는 과정이라면 호흡은 저장된 에너지를 이용하는 과정이라고 할 수 있다.

잎의 요모조모

현재 지구 상에 묻혀 있는 에너지 자원은 고갈될 위기에 처해 있다. 따라서 대체 에너지 연구가 한창이다. 미래의 대체 에너지 공급원으로 각광을 받고 있는 것 중의 하나가 바로 태양광 발전소이다. 태양광 발전소에서 가장 중요한 부분은 특수 제작된 넓은 집광판이다. 이 집광판은 마치 해바라기가 햇빛을 따라다니듯 태양을 따라 움직이며 햇빛을 많이 받아들일 수 있도록 설계되어 있다.
식물에서는 집광판같은 역할을 하는 기관이 바로 잎이다. 잎은 햇빛을 잘 받아들일 수 있는 구조를 하고 있으며 식물의 기관 중에서 광합성을 가장 많이 하는 곳이다. 다음 탐구 활동을 통해 잎의 구조를 살펴보자.

식물에 따라 차이는 있지만 대부분의 잎은 얇고 넓은 모양을 하고 있다. 그리고 잎의 표면에는 우리의 손바닥에 있는 손금처럼 보이는 잎맥이 있다. 봉숭아 같은 쌍떡잎식물의 잎맥은 복잡하게 얽혀 있는 그물 모양을 하고 있고, 옥수수 같은 외떡잎식물의 잎맥은 한 방향으로 나란히 놓여 있다.

식물의 잎을 싸고 있는 표피는 내부를 보호할 뿐 아니라 투명하여 빛을 잘 통과시킨다. 표피에는 공기가 드나드는 기공이 있어서 기체가 들어오고 나가거나 수증기의 방출이 이루어진다. 기공은 두 개의 공변 세포로 이루어져 있으며, 공변 세포가 변하는 모양에 따라 기공이 열리거나 닫힌다.

이는 기공을 둘러싸고 있는 두 개의 공변 세포의 세포벽이 부위에 따라 다르기 때문에 나타나는 현상이다. 기공 쪽의 세포벽이 바깥쪽의 세포벽보다 더 두껍다. 따라서 공변 세포 안에 수분이 가득 차 부풀게 되면 얇은 바깥쪽이 더 많이 늘어나게 되고 공변 세포가 바나나 모양으로 휘어지면서 가운데 기공이 열리게 되는 것이다.

표피 아래에는 녹색을 띤 긴 모양의 세포가 빽빽하게 모여 있는 책상 조직이 있고, 그 밑에는 연한 녹색을 띤 둥근 모양의 세포가 엉성하게 모여 있는 해면 조직이 있다. 잎맥에는 물과 양분이 이동하는 통로인 물관과 체관이 있다.

잎을 구성하는 세포 안에서 녹색 알갱이를 발견할 수 있다. 이것이 바로 엽록체이다. 엽록체는 햇빛을 받아 광합성을 하여 식물이 살아가는 데 필요한 양분을 만들어낸다. 엽록체 안에는 엽록소라는 녹색 색소가 들어 있어 엽록체도 녹색을 띠고 식물의 잎도 전체적으로 녹색을 띠게 되는 것이다.