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산소 수급
산소 수요

산소의 근원


수증기

광합성(光合成)은 지구상의 생물이 빛을 이용하여 화합물 형태로 에너지를 저장하는 화학 작용으로, 지구상의 생물계에서 찾아볼 수 있는 가장 중요한 화학 작용의 하나이다. 녹색 식물이 빛 에너지를 이용하여 이산화 탄소와 물로부터 포도당을 합성하는 일련의 과정이다.

이산화 탄소를 흡수하여 엽록소를 함유하고 있는 곳에서 태양 에너지를 이용하여 탄수화물을 합성한다 이를 광합성 또는 탄소 동화 작용이라고 하며, 이때 산소를 배출한다 여기서 만들어진 탄수화물은 생육에 소모되고 남는 것은 열매를 맺는다.

광합성의 에너지는 궁극적으로는 흡수된 빛 에너지에서 오는 것이지만 실재로는 환원제(->화학 에너지)의 환원력을 사용한다. 빛 에너지는 광의존적 반응을 통해 ATP, NADPH같은 화학 에너지 형태로 전환되어 탄소 고정(carbon fixation)에 쓰인다. 대부분의 식물이 광비의존적 반응을 통해 이산화 탄소탄수화물과 다른 유기물로 고정하여 고정한 화합물의 화학 에너지를 사용한다. 식물의 전체 광합성 반응식은 다음과 같다:

nCO2 + 2nH2O + light energy → (CH20)n + nO2 + nH2O

포도당을 포함한 6탄당(Hexose sugar)과 전분(starch)이 만들어지며 주로 포도당이 주로 생성되기 때문에 광합성을 나타내는 반응식은 흔히 다음과 같이 나타낸다:

6CO2 + 12H2O + 빛 에너지 → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

탄수화물은 다른 유기 화합물을 만드는 데 쓰인다. 셀룰로오스(cellulose), 지질(lipid), 아미노산전구물질로 사용되기도 하고 세포 호흡(cellular respiration)의 연료로도 사용된다. 식물에서 저장된 에너지는 먹이사슬(food chain)을 통해 이동한다. 세포 호흡은 광합성과 반대로 포도당이나 다른 화합물을 산화하여 이산화탄소, 물, 화학 에너지를 생성한다. 하지만 광합성과 세포 호흡은 반응이 일어나는 장소와 반응 과정이 서로 다르다.

식물은 주로 녹색의 색소인 엽록소로 빛을 흡수한다. 카로티노이드(carotenoid)와 같은 보조색소(accessory pigment)들은 엽록소가 흡수하지 못하는 파장의 빛을 흡수하여 엽록소의 기능을 보조하거나 과도한 빛으로부터 엽록소를 보호한다. 엽록소와 보조 색소들은 엽록체라는 세포소기관(organelle)의 구성 성분이다. 엽록체는 식물 세포 내에 있으며 주로 잎의 책상 조직에서 밀도가 높다.

최근 동향편집

한국과학기술원(KAIST) 신소재 공학과 박찬범 교수팀이 나노소재를 이용해 자연계의 광합성을 모방한 인공 광합성 시스템 개발에 성공했다고 23일 발표했다.

연구팀은 태양 에너지로 각종 정밀 의약품을 생산하는 친환경 녹색 생물 공정 개발에 이번에 개발한 인공 광합성 기술이 큰 도움이 될 것으로 기대하고 있다.

보통 식물과 같은 자연계의 광합성 생물체들은 태양 에너지를 이용해 환원력을 재생해 보조 인자(cofactor)라는 형태로 저장한다. 보조 인자는 빛이 없을 때 캘빈 사이클(calvin cycle)을 통해 생존에 필요한 탄수화물 등 각종 화학 물질을 합성하는 데 이용된다.

박 교수팀은 이런 자연 광합성 시스템을 모방해 자연계의 광반응 대신 태양 전지 등에서 사용되는 나노미터 크기의 광감응 소재로 빛 에너지를 전기 에너지로 효율적으로 전환, 이를 이용해 보조인자를 재생했다.

또 자연계의 복잡한 캘빈 사이클 대신 산화 환원 효소 반응을 보조인자 재생에 연결시켜 빛 에너지로부터 시작해 최종적으로 정밀 화학 물질 생산이 가능한 반응 시스템을 개발했다.

박 교수는 "이번에 개발된 인공 광합성 기술은 에너지원으로 무한한 태양광을 사용한다는 장점 때문에 그 파급 효과가 매우 클 것"이라고 말했다.

관련 연구 결과는 독일에서 발간되는 나노분야 국제저명 학술지 '스몰'지 23일자 온라인판에 게재됐으며, 최근 특허 출원이 완료됐다.


같이보기편집

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