생명과학 고3 세포호흡과 광합성 심화

광합성 영향 요인

Q: 빛이 세면 셀수록 좋은 것 아닌가요?

광포화점까지만 그렇습니다. 그 위로는 빛이 남아도는데도 CO2나 온도가 발목을 잡아 속도가 늘지 않고, 지나치게 강한 빛은 오히려 광합성 색소와 단백질을 손상시키기도 합니다.

Q: 온도만 그래프가 봉우리 모양인 이유는 뭔가요?

빛과 CO2는 '재료'라서 많으면 포화될지언정 반응을 망가뜨리지는 않습니다. 반면 온도는 반응을 담당하는 효소 단백질의 구조 자체를 건드립니다. 최적 온도를 넘으면 효소가 변성되어 되돌릴 수 없으므로 속도가 급격히 떨어집니다.

빛의 세기·파장, CO2 농도, 온도가 광합성 속도에 미치는 영향과 보상점·포화점 개념을 분석한다.

광합성 속도는 빛의 세기와 파장,

C O_{2}

농도, 온도에 따라 달라지며, 어느 순간에는 이 중 가장 부족한 요인 하나가 전체 속도를 결정합니다.

물통에 물을 채우는데 널빤지 하나가 짧으면 물은 딱 그 높이까지만 찹니다. 빛을 아무리 세게 해도

C O_{2}

가 모자라면 광합성은 거기서 멈춥니다.

쉽게 말하면

광합성은 명반응과 탄소 고정 반응이라는 두 공정이 사슬처럼 이어진 반응입니다. 사슬은 가장 약한 고리에서 끊기므로, 광합성 속도 그래프를 읽을 때는 항상 '지금 어느 고리가 발목을 잡고 있는가'를 물어야 합니다. 이것을 한계 요인(제한 요인)이라고 합니다.

빛의 세기를 올리면 처음에는 명반응이 ATP와 NADPH를 더 많이 만들어 내므로 광합성 속도가 비례해서 커집니다. 그러나 어느 세기를 넘으면 그래프가 평평해집니다. 이 지점이 광포화점이고, 여기서부터는 빛이 아니라 $C O_{2}$ 농도나 온도가 한계 요인입니다. 실제로 광포화점을 지난 상태에서 $C O_{2}$ 를 더 넣어 주면 그래프가 다시 위로 올라갑니다 — 이것이 온실에서 $C O_{2}$ 를 공급하는 이유입니다.

온도는 조금 다릅니다. 온도는 명반응의 빛 흡수 자체보다 효소가 관여하는 탄소 고정 반응에 주로 작용합니다. 최적 온도까지는 반응 속도가 커지지만, 그 위로는 효소가 변성되어 광합성이 급격히 떨어집니다. 그래서 온도 그래프만 봉우리 모양(∩)입니다.

마지막으로 파장입니다. 엽록소는 주로 청자색광과 적색광을 흡수하고 녹색광은 상당 부분 반사·투과합니다. 잎이 초록으로 보이는 이유가 바로 '녹색을 잘 안 쓰기 때문'입니다. 그래서 같은 세기라도 녹색광 아래에서는 광합성이 훨씬 느립니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

보상점 — 겉보기 기체 출입이 0이 되는 빛의 세기

식물은 세포 호흡을 밤낮 없이 합니다. 빛이 약하면 광합성으로 만드는 양보다 호흡으로 쓰는 양이 많아 식물은 손해입니다. 빛을 조금씩 세게 하다 보면 두 양이 정확히 같아지는 순간이 오는데, 이때 밖에서 보면 $C O_{2}$ 도 $O_{2}$ 도 드나들지 않는 것처럼 보입니다. 이 빛의 세기가 보상점입니다.
예시 2

양지 식물과 음지 식물의 그래프 차이

음지 식물은 보상점과 광포화점이 모두 낮습니다. 약한 빛에서도 이미 손익 분기를 넘기므로 숲 바닥에서 살 수 있지만, 빛을 아무리 세게 해도 금방 포화되어 더 빨리 자라지는 못합니다. 양지 식물은 반대로 보상점도 광포화점도 높아서, 그늘에서는 굶지만 햇빛이 강한 곳에서는 훨씬 크게 자랍니다.
예시 3

온실에서 $C O_{2}$ 를 넣어 주는 이유

한낮의 온실은 빛이 이미 광포화점을 넘긴 상태입니다. 이때 조명을 더 켜 봐야 아무 소용이 없고, 대신 $C O_{2}$ 농도를 대기(약 0.04%)보다 높여 주면 탄소 고정 반응이 빨라져 광합성량이 늘어납니다. '무엇이 한계 요인인지'를 알면 어디에 돈을 써야 하는지가 정해집니다.

보상점 vs 광포화점

구분	보상점	광포화점
정의	광합성량 = 호흡량이 되는 빛의 세기	빛을 더 세게 해도 광합성량이 늘지 않는 빛의 세기
겉보기 광합성량	0	최대(그래프가 평평해짐)
기체 출입	겉보기에 $C O_{2}$ · $O_{2}$ 출입이 없음	$O_{2}$ 를 활발히 내보냄
이 지점의 한계 요인	빛의 세기	$C O_{2}$ 농도 또는 온도
식물의 생장	정확히 본전, 자라지 못함	그 조건에서 최대 속도로 자람

자주 하는 오해

보상점에서는 광합성을 하지 않는다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움기체가 드나들지 않으니 광합성이 멈춘 상태다

실제로는광합성도 호흡도 활발히 일어나고 있고, 다만 두 양이 같아서 밖에서는 출입이 없어 보일 뿐입니다.

우리가 측정하는 것은 '겉보기 광합성량 = 총 광합성량 − 호흡량'입니다. 이 값이 0이라는 말은 분모가 0이라는 뜻이 아니라 두 항이 상쇄되었다는 뜻입니다. 광합성은 엽록체에서, 호흡은 미토콘드리아에서 동시에 돌아가고 있습니다.

그래프에서 읽은 값을 총 광합성량이라고 착각하기

이렇게 생각하기 쉬움

O_{2}

발생량 그래프의 값이 곧 그 식물의 광합성량이다

실제로는

O_{2}

발생량 그래프가 보여 주는 것은 겉보기 광합성량입니다. 총 광합성량을 알려면 여기에 호흡량을 더해야 합니다.

빛의 세기가 0일 때 그래프가 음수 영역에서 시작하는데, 그 깊이가 바로 호흡량입니다. 이 값을 되더해 주지 않으면 식물이 실제로 만든 유기물의 양을 언제나 과소평가하게 됩니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

탄소 고정 반응(캘빈 회로)고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

없음 — 이 개념이 마지막입니다

같은 단원의 개념 — 세포호흡과 광합성

광계 I·II고3 광합성고3 명반응고3 발효고3 세포 호흡고3 전자전달계와 산화적 인산화고3 탄소 고정 반응(캘빈 회로)고3 해당 과정고3 화학삼투고3 TCA 회로고3

자주 묻는 질문

Q1빛이 세면 셀수록 좋은 것 아닌가요?

광포화점까지만 그렇습니다. 그 위로는 빛이 남아도는데도

C O_{2}

나 온도가 발목을 잡아 속도가 늘지 않고, 지나치게 강한 빛은 오히려 광합성 색소와 단백질을 손상시키기도 합니다.

Q2녹색광 아래에서는 식물이 전혀 자라지 못하나요?

느릴 뿐, 전혀 못 자라는 것은 아닙니다. 엽록소가 녹색광을 잘 흡수하지 않는 것은 맞지만 흡수율이 0은 아니고, 카로티노이드 같은 보조 색소도 일부 파장을 받아 엽록소에 넘겨줍니다.

Q3온도만 그래프가 봉우리 모양인 이유는 뭔가요?

빛과

C O_{2}

는 '재료'라서 많으면 포화될지언정 반응을 망가뜨리지는 않습니다. 반면 온도는 반응을 담당하는 효소 단백질의 구조 자체를 건드립니다. 최적 온도를 넘으면 효소가 변성되어 되돌릴 수 없으므로 속도가 급격히 떨어집니다.

교육과정 2022 개정 · 고3 생명과학 · 세포호흡과 광합성 수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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