광합성 속도의 요인

검정말 한 줄기를 묽은 탄산수소 나트륨 용액에 거꾸로 넣고 전등을 비추며 잘린 끝에서 나오는 기포를 1분 동안 셌다. 전등을 40 cm에서 20 cm로 당기자 기포가 7개에서 25개로 크게 늘었다. 그런데 15 cm에서 34개, 10 cm에서 38개로, 등을 더 가까이 대도 기포가 거의 늘지 않았다. 빛이 더 세졌는데 광합성은 왜 더 빨라지지 않을까? 이때 탄산수소 나트륨을 더 넣자 기포가 62개로 늘었다. 무슨 일이 일어난 것일까?

1.9.1가장 부족한 것이 속도를 정한다

광합성에는 빛, 이산화 탄소, 알맞은 온도가 모두 필요하다. 이 가운데 하나라도 부족하면 다른 것을 아무리 늘려도 광합성은 그 부족한 것이 허락하는 만큼만 빨라진다. 이렇게 속도를 묶어 두는 요인을 제한 요인이라 한다. 전등이 멀 때는 빛이 부족해 빛을 늘리면 기포가 늘었다. 전등이 가까워져 빛이 충분해지자 이번에는 용액 속 이산화 탄소가 부족해져, 빛을 더 늘려도 기포가 늘지 않았다. 이산화 탄소를 공급하는 탄산수소 나트륨을 더 넣자 묶여 있던 속도가 풀려 기포가 크게 늘었다.

그림 1의 가로축은 거리 대신 빛의 세기를 놓았다. 40 cm에서 20 cm로 당기면 빛은 4배가 되고 기포는 7개에서 25개로 3.6배가 되어, 빛이 제한 요인일 때는 거의 비례한다. 15 cm에서 10 cm로 당기면 빛은 2.25배가 되지만 기포는 1.1배밖에 늘지 않는다. 그래프가 평평해지기 시작하는 곳이 제한 요인이 바뀌는 곳이다. 전등에서 나오는 열이 물을 데우면 온도도 함께 바뀌므로, 전등과 수조 사이에 물을 담은 투명한 판을 두어 열을 막는다.¹

1.9.2기포를 세는 방법의 한계

기포 수는 광합성으로 나온 산소의 양을 어림하는 편리한 방법이지만, 기포의 크기가 같다고 가정한다. 빛이 강해지면 기포가 커지거나 작은 기포가 이어져 세기 어려워진다. 그래서 정밀하게 재려면 눈금 있는 관에 모인 기체의 부피를 재거나 용존 산소 센서를 쓴다. 또 검정말 자신의 세포 호흡이 산소를 소모하므로, 기포는 광합성으로 만든 산소에서 호흡으로 쓴 산소를 뺀 알짜 양이다. 각 조건에서 기포 수가 일정해질 때까지 몇 분 기다린 뒤 센다.

1.9.3예제 풀이

40 cm에서 20 cm로 거리가 절반이 되면 빛은 \((40/20)^2 = 4\)배이고, 기포는 \(25/7 \approx 3.6\)배로 거의 따라간다. 이 구간의 제한 요인은 빛이다. 15 cm에서 10 cm로는 빛이 \((15/10)^2 = 2.25\)배이지만 기포는 \(38/34 \approx 1.1\)배이므로, 이 구간에서는 빛이 아닌 이산화 탄소가 제한 요인이다.

이산화 탄소를 늘리자 기포가 62개로 늘었으므로, 앞의 평평한 부분은 이산화 탄소 때문이었다. 이제 다시 빛을 늘려 보거나 온도를 바꾸어 보아야 새로운 제한 요인을 알 수 있다. 빛과 이산화 탄소가 모두 충분하면 온도, 곧 광합성 효소의 반응 속도가 제한 요인이 된다. 즉 광합성 속도는 한 요인만으로 정해지지 않고, 그때그때 가장 부족한 요인을 찾아 늘려야 빨라진다.

아래 탐구 카드에서 빛의 세기와 이산화 탄소 농도를 바꾸며 광합성 속도를 재고, 제한 요인이 바뀌는 곳을 찾아보자.

1. 비닐하우스에서 겨울에 이산화 탄소를 공급하는 것도 이 원리이다. 문을 닫아 둔 하우스 안은 낮 동안 작물이 이산화 탄소를 써 버려 대기보다 농도가 낮아지므로, 빛이 충분해도 광합성이 느려지기 때문이다.