과학자 엥겔만이 알려주는 광합성이란?

독일의 식물학자 엥겔만이 광합성을 어떻게 발견하게 되었는지 알아보겠습니다.

 

 

 

 

햇빛이 없다면 우리는 어떻게 될까요?

햇빛에 실려 오는 에너지를 받아 식물이 자랍니다. 햇빛이 없으면 식물은 자라지 못할 뿐 아니라 결국에는 죽고 맙니다. 그러면 식물만 햇빛이 필요할까요? 동물은 식물을 먹고 살아갑니다. 동물은 식물이 없으면 살아갈 수 없습니다. 그러므로 식물과 마찬가지로 동물도 햇빛이 없으면 살아갈 수 없습니다. 눈에 보이지 않는 미생물이 이용하는 에너지도 햇빛에서 얻거나 식물과 동물로부터 얻는 것이었기 때문입니다.

아마도 햇빛은 우주가 지구의 생물들에게 주는 가장 큰 선물인 듯합니다. 햇빛은 무려 1억 5천만 킬로미터나 날아서 지구에 도착합니다. 지구에 도착한 햇빛은 식물에게 에너지를 줍니다. 식물은 그 에너지를 이용하여 자신에게 필요한 영양소를 합성합니다.

 

햇빛이 식물에게 에너지만 주는 것이 아닙니다. 식물이 살아가려면 에너지도 필요하지만 물도 필요합니다. 물은 하늘에서 비로 내려옵니다. 그러면 물은 어떻게 하늘로 올라갈까요? 바로 증발해서 올라갑니다. 그런데 물이 증발하려면 에너지가 필요합니다. 물 분자가 서로 인력을 끊고 공기 중으로 날아가려면 에너지가 필요합니다. 바로 햇빛 덕분에 땅에서, 강에서, 호수에서, 바다에서 물이 에너지를 얻어 증발해 하늘로 올라가 구름이 되고, 비가 되어 내리는 것입니다.

물은 식물의 뿌리로 흡수합니다. 뿌리가 흡수한 물은 물관을 타고 잎까지 올라갑니다. 토양의 물이 잎까지 올라가는 것도 태양의 힘이 크게 작용합니다. 왜냐면 잎에서 물이 증발할 때 물이 뿌리에서 물관을 타고 올라갑니다. 그래서 햇빛은 식물에게 에너지만 주는 것이 아니라 물도 줍니다.

 

 

광합성은 '밥'을 만들어 준다?

식물이 광합성을 할 때 햇빛과 물만 필요하진 않습니다. 이산화탄소도 필요합니다. 탄소 원자 1개와 산소 원자 2개가 모여 만드는 분자, CO2라고 씁니다. 그렇다면 이산화탄소는 어디서 얻을까요? 바로 공기로부터 얻습니다. 이산화탄소는 잎의 기공을 통해 식물에 흡수됩니다. 기공을 통해 흡수된 이산화탄소와 뿌리로부터 올라온 물은 원료로 하고, 햇빛을 통해 에너지를 얻어 포도당을 만드는 것이 바로 '광합성'입니다.

 

이산화탄소 + 물 + 빛 에너지 -> 포도당 + 산소

 

우리가 먹는 밥은 녹말이 주성분입니다. 녹말은 광합성으로 생긴 포도당이 여러 개 연결되어 구성된 영양소입니다. 그러니 식물은 이산화탄소, 물, 햇빛을 이용하여 성장합니다. 그러니 햇빛은 햇빛 에너지를 받아 자란 식물을 먹는 우리에게 '밥'을 주는 고마운 존재입니다.

 

 

식물이 광합성을 한다는 걸 어떻게 알았을까요?

지금이야 식물이 광합성을 한다는 것을 알고 있지만 옛날에는 눈에 보이지 않는 식물 안에서 일어나는 일을 알아내기가 어려웠습니다. 

광합성 발견의 역사에 처음 나오는 인물은 헬몬트입니다. 헬몬트는 1648년 화분에 식물을 심은 후 물만 주며 버드나무를 길렀습니다. 식물을 심은 지 5년이 지난 다음 버드나무와 흙의 무게 변화를 측정했습니다.

 

버드나무 : 2.27kg -> (5년 후) 76.74kg 

버드나무를 심은 화분의 흙 : 90.72kg -> (5년 후) 90.66kg

 

그 결과 토양이 감소된 것보다 버드나무의 무게 증가가 훨씬 컸습니다. 이를 본 헬몬트는 식물이 흙으로부터 먹이를 얻는 것이 아니라 물을 먹고 자란다고 생각했습니다. 흙의 감소량이 버드나무의 증가량에 비해 너무 적었기 때문이었습니다. 만일 식물이 흙만 먹고 자란다면 버드나무가 무거워진 만큼 흙의 무게는 감소했을 것입니다. 이 실험을 통해 헬몬트가 광합성을 알아낸 것은 아니지만 식물이 '물을 먹고 자란다'는 아주 의미 있는 발견을 한 것입니다.

 

 

광합성 실험들

1667년 훅은 동물뿐 아니라 식물도 공기가 없으면 살아갈 수 없다는 것을 증명했습니다. 그는 진공 상태에서는 싹이 트지 않는 것을 보여줌으로써 자신의 주장을 입증했습니다. 

1772년 프리스틀리는 유리 종에 촛불을 켜 놓았더니 촛불이 꺼졌습니다. 이것을 보고 그는 불타는 양초가 공기를 상하게 하여 촛불이 꺼지게 한다고 생각했습니다. 그리고 상한 공기가 들어 있는 유리 종 안에 쥐를 넣었더니 쥐가 죽는 것을 보았습니다. 그는 상한 공기에 식물을 넣으면 상한 공기가 다시 회복되는 것을 발견했습니다.

그리고 유리 종에 쥐에 식물을 각각 넣었을 때는 쥐와 식물이 모두 죽었지만 쥐와 식물을 함께 넣어두면 신기하게도 둘 다 죽지 않고 사는 것을 보았습니다. 이를 본 프리스틀리는 동물의 호흡으로 오염된 공기가 식물에 의해 정화된다고 추측했습니다. 식물에서 산소가 나오고 동물에서 이산화탄소가 나왔기 때문입니다. 산소는 쥐를 살 수 있게 하고, 이산화탄소는 식물의 광합성 원료가 된 것입니다.

 

잉겐호우스라는 과학자는 프리스틀리의 실험을 바탕으로 유리 종 2개를 준비하여 1개는 쥐와 식물을 넣고, 1개는 어두운 곳에 두었습니다.

그 결과 빛이 있을 때만 식물과 동물이 살 수 있다는 것을 알게 되었습니다. 즉 이 실험은 햇빛을 쪼여 줄 때만 나타나는 것으로 햇빛과 식물의 관계를 알게 되었습니다. 녹색 식물이 빛이 없는 밤에는 이산화탄소를 방출하고 빛이 있을 때는 흡수하는 것을 증명하셨습니다. 그래서 이산화탄소가 영양소를 합성하는 원료가 된다고 보았던 것입니다.

이후, 1804년 소쉬르라는 학자에 의해 광합성의 원료가 이산화탄소뿐 아니라 물도 포함된다는 것이 알려지게 되었습니다. 즉 '식물은 공기와 물을 먹고 산다'는 사실이 널리 알려지게 되었습니다.

그리고 제너비어에 의해 이산화탄소와 물을 이용하여 포도당과 같은 탄수화물을 만드는 데 열이 아니라 빛이 필요하다는 것도 입증되었습니다.

 

이렇게 광합성에 대한 것은 한 사람에 의해 발견된 것이 아닌 많은 과학자들에 의해 밝혀지게 되었답니다.