풀이 녹색인 이유—광합성 작용을 면밀히 살펴봄

“풀은 왜 녹색일까?” 어린 시절에 이런 질문을 해 본 일이 있을지 모르겠습니다. 만족스러운 답을 얻었습니까? 아이들이 하는 이런 질문들은 매우 의미 깊은 것일 수 있습니다. 그런 질문들을 계기로 우리는 당연하게 여겨 온 일상적인 일들을 좀더 심도 있게 살펴보게 될 수 있으며, 숨겨져 있어서 거기에 있으리라고는 생각지도 못했던 경이로운 것들을 밝히게 될 수도 있습니다.

풀이 왜 녹색인지를 이해하기 위해서, 풀과는 전혀 관련이 없는 것처럼 보이는 것을 생각해 보도록 합시다. 완전 무결한 공장이 있다고 생각해 봅시다. 완전 무결한 공장은 조용히 가동되며 보기에도 매력적일 것입니다. 그렇지 않겠습니까? 완전 무결한 공장은 가동될 때 오염 물질을 배출하기는커녕, 오히려 환경을 실질적으로 개선할 것입니다. 물론, 그런 공장은 모두에게 유익한 것—참으로 없어서는 안 될 것—을 생산할 것입니다. 그런 공장이라면, 태양열로 가동될 것이라고 생각지 않습니까? 그런 방식을 사용하면, 동력을 공급하기 위해 전기를 끌어오거나 석탄이나 기름을 공급할 필요가 없을 것입니다.

의문의 여지 없이, 태양열로 가동되는 그 완전 무결한 공장은 인간의 최신 기술을 훨씬 능가하는 태양 전지판을 사용할 것입니다. 그러한 태양 전지판은 만들고 사용하는 과정이, 매우 효율적이고 비용도 들지 않으며 오염 물질도 배출하지 않을 것입니다. 이 완전 무결한 공장은 상상할 수 있는, 가장 진보된 기술을 이용하지만, 그러면서도 요란스럽거나 갑작스런 기능 장애나 고장을 일으키거나 오늘날 첨단 기술에서 요구되는 것 같은 끊임없는 보완을 하지 않을 것입니다. 우리는 그 완전 무결한 공장이 전자동이라서 가동하기 위해 사람이 주의를 기울일 필요가 전혀 없을 것으로 기대할 것입니다. 실로, 그러한 공장은 스스로 수리를 하고, 스스로 유지하며, 심지어 스스로 복제하기까지 할 것입니다.

그와 같은 완전 무결한 공장은 공상 과학 소설에나 나올 법한 것에 불과합니까? 달성할 수 없는 그저 허황된 꿈일 뿐입니까? 전혀 그렇지 않습니다. 그 완전 무결한 공장은 당신 발 밑의 풀만큼이나 실제적인 것입니다. 사실, 그 공장은 바로 당신의 발 밑에 있는 풀입니다. 그리고 당신의 사무실에 있는 양치 식물과 창 밖의 나무도 그러합니다. 사실, 그 완전 무결한 공장은 녹색 식물이라면 어느 것이든 될 수 있습니다! 녹색 식물은 지상의 거의 모든 생명체들을 위해 태양 광선을 연료로 하고 이산화탄소와 물과 무기물을 이용하여 직접 간접으로 식품을 생산합니다. 그 과정에서, 식물은 이산화탄소를 흡수한 다음, 깨끗한 산소를 내놓아 대기를 다시 채웁니다.

지구상의 녹색 식물은 전부 합해 연간 1500억 내지 4000억 톤의 당분을 생산하는 것으로 추산됩니다. 이것은 전 인류의 철강, 자동차, 항공 우주 산업 분야 공장의 총 생산량보다도 훨씬 많은 물량입니다. 식물은 이 일을, 태양 에너지를 이용하여 물 분자에서 수소 원자들을 떼어낸 다음, 그 수소 원자들을 공기 중에서 얻은 이산화탄소 분자에 결합시켜 당분으로 알려진 탄수화물로 전환시킴으로써 해냅니다. 이 놀라운 과정을 광합성이라고 부릅니다. 그리고 나서 식물은 그 새로운 당분 분자들을 이용하여 에너지를 얻기도 하고, 당분 분자들을 합성하여 식량 비축을 위한 전분을 만들거나 섬유소 곧 식물의 섬유질을 구성하는 질기고 실 같은 물질을 만들기도 합니다. 생각해 보십시오! 90미터 높이까지 솟아오른 거대한 세쿼이아나무가 엽록체라고 하는 무수히 많은 미세한 ‘생산 라인’에서 주로 공기, 즉 한번에 이산화탄소 분자 한 개와 물 분자 한 개로 만들어지면서 자란 것입니다. 하지만 이런 일이 어떻게 일어난단 말입니까?

“기계 장치”를 살펴봄

공기(와 물과 약간의 무기물)로 세쿼이아나무를 만든다는 것은 참으로 놀라운 일이긴 하지만, 그렇다고 요술은 아닙니다. 그것은 인간이 소유한 그 어느 것보다도 훨씬 더 정교한 지성적인 설계와 공학의 결과입니다. 점진적으로, 과학자들은 광합성의 베일을 벗겨 가면서, 내부에서 일어나는 극도로 복잡한 생화학적 작용을 보고 경탄하고 있습니다. 그들과 함께 지상의 거의 모든 생명체를 책임지고 있는 그 “기계 장치”를 들여다봅시다. 어쩌면, 우리도 “풀은 왜 녹색일까?”라는 질문에 대한 답을 얻기 시작하게 될지도 모릅니다.

믿음직한 현미경을 가져다가 전형적인 식물의 잎을 관찰해 봅시다. 육안으로는, 잎 전체가 녹색으로 보이지만, 그것은 일종의 착시 현상입니다. 현미경으로 보는 개개의 식물 세포는 정확히 말해서 녹색이 아닙니다. 오히려 그 세포들은 거의 투명하지만, 세포마다 대략 50 내지 100개의 극히 작은 녹색 점이 있습니다. 이 점들은 엽록체인데, 여기에는 빛에 민감한 녹색의 엽록소가 있으며, 광합성도 여기에서 일어납니다. 엽록체 안에서는 무슨 일이 일어납니까?

엽록체는 아주 작은 자루와도 같습니다. 그 안에는 틸라코이드라고 하는 훨씬 더 작은 납작한 자루들이 있습니다. 드디어, 풀에서 녹색인 부분을 찾아낸 것입니다. 그 녹색의 엽록소 분자들은 틸라코이드의 표면에 박혀 있는데, 무질서한 상태가 아니라 광화학계라고 하는 치밀하게 조직된 집합체로서 존재합니다. 대부분의 녹색 식물의 광화학계로는 광화학계I과 광화학계II로 알려진 두 종류가 있습니다. 광화학계는 마치 공장의 전문화된 생산 부서처럼 작동하는데, 각 광화학계는 광합성 작용에서 일련의 특정한 단계들을 담당합니다.

버릴 것이 없는 “쓰레기”

태양 광선이 틸라코이드의 표면에 닿으면, 광선 흡수 복합체로 알려진 광화학계II에 배열되어 있는 엽록소 분자들이 빛을 잡아들이려고 대기합니다. 이 분자들은 특정한 파장의 적색 광선을 흡수하는 데 특히 관심이 있습니다. 틸라코이드의 다른 장소에서는 광화학계I에 배열되어 있는 분자들이 좀더 긴 파장의 광선이 오는지 망을 봅니다. 그러는 동안 엽록소와, 카로티노이드 같은 일부 다른 분자들은 푸른색 광선과 보라색 광선을 흡수합니다.

그러면 풀은 왜 녹색입니까? 식물에 닿는 모든 파장의 광선 가운데, 오직 녹색 광선만이 식물에게는 쓸모가 없습니다. 그래서 그 광선은 우리의 바라보는 눈과 카메라로 반사되는 것입니다. 생각해 보십시오! 봄의 연둣빛과 여름의 진녹빛이, 식물에게는 하찮지만 우리 인간에게는 귀중한 파장들로 말미암아 생기는 것입니다! 인간이 만든 공장에서 나오는 오염 물질과 쓰레기와는 달리, 이 “쓰레기” 광선은 분명히 버려지는 것이 아닙니다. 우리는 아름다운 초원과 숲을 바라볼 때, 기쁨을 주는 생생한 색깔로 인해 기분이 상쾌해지기 때문입니다.

엽록체로 다시 돌아가 봅시다. 광화학계II 배열에서는, 태양 광선의 적색 부분에서 나오는 에너지가 엽록소 분자 안에 있는 전자로 전달됩니다. 마침내 전자는 너무 활성화된, 즉 “들뜬” 나머지 일제히 배열에서 뛰쳐나와 틸라코이드 막에서 대기하고 있던 운반 분자의 품에 안깁니다. 마치 이 파트너에서 저 파트너에게로 옮겨 다니는 댄서처럼, 그 전자는 한 운반 분자에서 다른 운반 분자로 옮겨 다니면서, 점차 에너지를 상실합니다. 이 전자는 에너지가 충분히 약화되면, 다른 광화학계 즉 광화학계I에 있는 전자를 대치하는 데 안전하게 사용될 수 있습니다.—도표 1 참조.

그러는 사이에, 광화학계II 배열은 전자를 잃게 되는데, 그러면 양전하를 띠게 되어 그 잃은 것을 대치할 전자를 열렬히 갈망하게 됩니다. 소매치기당한 사실을 막 알아차린 사람처럼, 광화학계II에서 산소 발생 복합체로 알려진 영역은 안절부절못하게 됩니다. 전자를 어디에서 찾을 것입니까? 아, 그런데 애꿎은 물 분자 하나가 근처에서 배회하고 있습니다. 그것이 갑작스럽게 불쾌한 습격을 당할 것 같습니다.

물 분자를 분해함

물 분자 하나는 비교적 큰 산소 원자 하나와 좀더 작은 수소 원자 두 개로 구성되어 있습니다. 광화학계II의 산소 발생 복합체에는 네 개의 금속 망간 이온이 들어 있는데, 이 망간 이온은 물 분자 내의 수소 원자에서 전자를 떼어냅니다. 그 결과, 물 분자는 두 개의 수소 양 이온(양자)과 한 개의 산소 원자 및 두 개의 전자로 분해됩니다. 더 많은 물 분자들이 해체되면서, 산소 원자들은 둘씩 짝을 지어서 기체 산소 분자가 되는데, 식물은 그 산소를 우리가 사용할 수 있도록 공기 중으로 되돌려 보냅니다. 수소 이온들은 틸라코이드 “자루” 내부에 쌓이기 시작해, 식물이 사용할 수 있게 되며, 전자들은 광화학계II 복합체에 다시 공급되는데, 그러면 그 복합체는 이러한 순환을 매초 여러 번 반복할 준비를 갖추게 됩니다.—도표 2 참조.

틸라코이드 자루 안에서는, 빽빽이 들어찬 수소 이온들이 빠져 나갈 길을 찾기 시작합니다. 물 분자 하나가 분해될 때마다 수소 이온 두 개가 추가되는데, 다른 수소 이온들은 광화학계II 전자들이 광화학계I 복합체로 넘겨질 때 광화학계II 전자들에 의해 틸라코이드 안으로 끌려들어 가게 됩니다. 이제 곧, 수소 이온들은 북적거리는 벌집 속의 성난 벌들처럼 부산하게 움직입니다. 이 이온들은 어떻게 탈출할 수 있습니까?

광합성의 명석한 설계자께서는 나가는 쪽만 있는 회전문을 특수한 효소의 형태로 마련해 주셨는데, 이 효소는 ATP(아데노신삼인산)라고 하는 매우 중요한 세포 연료를 만드는 데 사용됩니다. 수소 이온들이 회전문을 강제로 밀고 나가면서, 그 이온들은 소모된 ATP 분자를 재충전하는 데 필요한 에너지를 공급해 줍니다. (도표 3 참조) ATP 분자들은 초소형 세포 건전지와 같습니다. 그 분자들은 세포 안에서 일어나는 온갖 반응에 필요한 소량의 순간적인 에너지를, 반응이 일어나는 바로 그 곳에 공급해 줍니다. 나중에, 이 ATP 분자들은 광합성 당분 생산 공정에도 필요하게 될 것입니다.

당분 생산 공정에는 ATP 외에도 또 다른 작은 분자가 꼭 필요한데, 그것을 NADPH(니코틴아미드아데닌디뉴클레오티드인산의 약어)라고 합니다. NADPH 분자는 작은 운반 트럭과도 같아서, 대기하고 있는 효소에게 수소 원자를 날라다 주는데, 이 효소는 당분 분자 만드는 일을 도우려면 수소 원자가 있어야 합니다. NADPH의 생성은 광화학계I 복합체가 담당합니다. 광화학계II가 물 분자들을 분해하고 그것을 이용하여 ATP를 생성하느라 바쁘게 일하는 동안, 광화학계I은 광선을 흡수하고 전자를 방출하는데, 이 전자는 결국 NADPH를 생성하는 데 사용됩니다. ATP 분자와 NADPH 분자 모두는 틸라코이드 바깥 빈자리에 저장되어 있다가 나중에 당분 생산 공정에 사용됩니다.

야간 근무조

광합성 작용으로 매년 수십억 톤 이상의 당분이 생산되지만, 광합성에서 빛을 동력으로 하여 일어나는 반응으로는 사실상 어떠한 당분도 만들어지지 않습니다. 그러한 반응으로 만들어지는 것은 ATP(“건전지”)와 NADPH(“운반 트럭”)가 전부입니다. 이 시점부터 스트로마에 있는 즉 틸라코이드 바깥 빈자리에 있는 효소들이 ATP와 NADPH를 이용하여 당분을 만듭니다. 사실, 식물은 칠흑 같은 어둠 속에서도 당분을 만들 수 있습니다! 엽록체는 하나의 공장에 비할 수 있는데, 두 개의 작업조(광화학계I과 광화학계II)가 틸라코이드 안에서 건전지와 운반 트럭(ATP와 NADPH)을 만들면 제3의 작업조(특수 효소들)가 바깥 스트로마에서 그것들을 사용합니다. (도표 4 참조) 그 제3의 작업조는 스트로마 내의 효소들을 사용하는 일련의 정밀한 화학 반응을 통해 수소 원자와 이산화탄소 분자를 더해 당분을 만듭니다. 주간에는 세 개의 작업조가 모두 일할 수 있는데, 당분 작업조는 야근도 합니다. 적어도, 주간 근무조에서 공급한 ATP와 NADPH를 다 쓸 때까지는 그러합니다.

스트로마는 일종의 세포 결혼 중매소로 생각할 수 있는데, 그 곳에는 서로 “결혼”할 필요는 있지만 스스로는 결코 짝을 이루지 않는 원자들과 분자들이 가득 차 있습니다. 어떤 효소들은 아주 적극적인 작은 중매쟁이와도 같습니다.a 그 효소들은 단백질 분자인데 모양이 특수해서, 특정한 반응에 꼭 맞는 원자나 분자를 붙잡을 수가 있습니다. 하지만 그 효소들은 장래의 결혼 배우자인 분자들을 소개시켜 주는 것만으로는 만족하지 않습니다. 그 효소들은 결혼식이 거행되는 것을 보아야 직성이 풀립니다. 그래서 그들은 장래의 결혼 상대들을 붙잡아다가 망설이는 당사자들을 서로 직접 대면시켜서, 일종의 생화학적 강제 결혼식으로 부부의 연을 맺게 합니다. 식이 끝나고 나면, 효소는 새로운 분자들을 방출시켜 그 과정을 몇 번이고 되풀이합니다. 스트로마에서는, 효소가 당분 분자들을 믿을 수 없을 정도의 속도로 빙빙 돌리면서, 그것들을 재배열하고, ATP로 활성화시키며, 이산화탄소를 첨가하고, 수소를 접합시킵니다. 그리고 마침내는 세 개의 탄소로 구성된 당분을 방출시키는데, 그러면 그것이 세포 내의 다른 장소에서 더 변형되어 포도당과 포도당의 많은 변형들이 형성됩니다.—도표 5 참조.

풀은 왜 녹색일까?

광합성은 단순한 기본적 화학 반응을 훨씬 더 능가하는 것입니다. 그것은 놀라울 정도로 복잡 미묘한 생화학적인 조화입니다. 「식물의 생활 과정」(Life Processes of Plants)이라는 책에서는 그 점을 이렇게 기술합니다. “광합성 작용은 태양의 광자 에너지를 이용하는 놀랍고도 고도로 제어된 과정이다. 식물의 복잡한 구조와 광합성 작용을 제어하는 믿기 어려울 만큼 복잡한 생화학적 유전적 제어 체계는, 광자를 붙잡아 그 에너지를 화학적 형태로 전환시키는 기본 과정의 극치로 볼 수 있다.”

달리 말하면, 풀이 왜 녹색인지를 알아내는 것은, 지금까지 인간이 고안해 낸 그 어느 것보다도 훨씬 우월한 설계와 기술, 곧 (소음과 오염이 없고 미관을 해치지도 않으면서) 매초 수천 회, 심지어 수백만 회 작동하여 태양 광선을 당분으로 전환시키는, 스스로 제어하고 스스로 유지하는, 보통의 현미경으로는 볼 수 없는 “기계”를 경이로운 눈빛으로 응시하는 것입니다. 우리에게 있어서, 그것은 더할 나위 없이 탁월한 설계자이자 공학자이신 우리의 창조주 여호와 하느님의 생각을 엿보는 것입니다. 이 다음에, 여호와의 아름답고도 생명을 유지시켜 주는 완전 무결한 공장들 중 하나를 보고 감탄하거나, 아름다운 초록색 풀밭을 그저 거닐게 되거든, 그 점에 관해 생각해 보시기 바랍니다.

[각주]

[18면 사진 자료 제공]

삽입 사진: Colorpix, Godo-Foto

[19면 삽화]

이 나무는 광합성에 의해 어떻게 성장하였는가?

[20면 도해]

도표 1

[20면 도해]

도표 2

[21면 도해]

도표 3

[21면 도해]

도표 4

[22면 도해]

도표 5