광합성의 과정에 따른 세포 엽록체의 내부

생명은 태양광으로부터 힘을 얻습니다.

대부분의 살아있는 세포가 사용하는 에너지는 궁극적으로 태양에서 왔으며 광합성 과정을 통해 식물과 조류, 박테리아에 의해 포집됩니다. 생명의 다양성이 가능한 것은 우리 행성이 태양에서 지구를 향해 흐르는 에너지로 넘쳐나기 때문입니다. 지구에 도달하는 복사 에너지는 매일 약 100만 개의 히로시마 크기의 원자 폭탄에 해당합니다. 광합성은 이 방대한 에너지 공급의 약 1%를 차지하고 그것을 사용하여 모든 생명을 움직이는 에너지를 공급합니다.

 

광합성의 과정과 엽록체의 내부

광합성 과정

광합성은 많은 종류의 세균이나 조류, 떄로는 잎이나 녹색 식물의 줄기에서 발생합니다.
식물의 잎에 대한 조직 수준에 대해 설명합니다. 5장부터 식물의 잎 세포에는 실제로 광합성 과정을 수행하는 엽록체라고 불리는 기관이 포함되어 있음을 기억해 주시기 바랍니다. 식물 세포 내의 다른 어떤 구조도 광합성을 할 수 없습니다. 광합성은 (1) 태양광으로부터 에너지를 흡수하는 것, (2) ATP를 생성하기 위한 에너지와 NADPH라고 불리는 화합물의 형태로 전력을 감소시키는 것, (3) ATP와 NADPH를 사용해 공기 중의 이산화탄소로부터의 유기 분자의 합성에 전력을 공급하는 (탄소 고정) 3단계로 이루어집니다. 

처음 2단계는 빛의 존재 하에서 일어나며, 일반적으로 빛 반응이라고 불립니다. 세 번째 단계, 대기 중의 이산화탄소로부터 유기 분자가 형성되는 것은 캘빈 사이클이라고 불립니다. ATP와 NADPH가 이용 가능한 한 캘빈 사이클은 빛이 없을 때 발생할 수 있습니다. 다음 간단한 방정식은 광합성의 전체적인 과정을 요약하고 있습니다:
6 CO2 + 12 H2O + 라이트—→C6H12O6+ 6 H2O + 6 O2
탄산수 포도당수 이산화산소

엽록체 내부

엽록체 내부막은 틸라코이드라고 불리는 낭 모양으로 조직되어 있으며, 그라나라고 불리는 기둥 모양으로 다수의 틸라코이드가 쌓여 있는 경우가 많습니다. 틸라코이드막에는 광합성 색소가 포함되어 있습니다.
빛 에너지와 ATP를 만들기 위한 기계같은 것을 가져옵니다. 그것은 틸라코이드 막계를 둘러싸고 있는 스트로마라고 불리는 반액체 물질입니다. 스트로마에는 탄소 분자를 조립하는 데 필요한 효소가 포함되어 있습니다. 틸라코이드 막에는 광합성 색소가 모여 포토 시스템을 형성합니다.

광계 시스템 내의 각 색소 분자는 에너지의 패킷인 광자를 포착할 수 있습니다. 단백질 격자는 안료를 서로 밀접하게 접촉시킵니다. 적절한 파장의 빛이 광계의 색소 분자에 닿으면 결과적으로 생기는 여기는 한 클로로필 분자에서 다른 클로로필 분자로 전달됩니다. 여기 된 전자는 물리적으로 전달되는 것이 아니라 한 분자에서 다른 분자로 전달되는 에너지입니다. 이 형태의 에너지 이동에 대한 대략적인 비유는 풀 게임에 있어서의 최초의 '브레이크'입니다. 큐볼이 15개 풋볼의 삼각형 배열 지점에 정정당당하게 닿으면 삼각형의 원각에 있는 2개의 공이 날아가지만 중앙구는 하나도 움직이지 않습니다. 에너지는 중앙의 공을 통해 가장 먼 공으로 전달됩니다.

최종적으로 에너지는 막 결합 단백질에 닿아 있는 중요한 클로로필 분자에 도달합니다. 에너지는 여기된 전자로서 단백질에 전달되고 그것을 다른 일련의 막단백질에 전달하며 ATP나 NADPH를 만들어 유기분자를 만드는 데 에너지를 줍니다. 따라서 포토 시스템은 큰 안테나 역할을 하며 많은 개별 색소 분자에 의해 수확된 빛을 수집합니다. 광합성의 반응은 엽세포의 엽록체 내의 틸라코이드 막 내에서 일어납니다.

흙과 물로 보는 광합성에 대한 실험

우리가 광합성에 대해 어떻게 배웠는지에 대한 이야기는 과학에서 가장 흥미로운 것 중 하나이며, 이 복잡한 과정의 좋은 소개 역할을 합니다. 이야기는 300여 년 전 시작된 벨기에 의사 얀 밥티스타 반 헬몬트(1577-1644)의 간단하지만 신중하게 설계된 실험. 그리스인의 시대부터 식물은 흙에서 음식을 얻어 말 그대로 뿌리로 빨아올린다고 생각되었습니다. 반 헬몬트는 그 생각을 시험하는 간단한 방법을 생각했습니다. 그는 나무와 흙의 무게를 잰 후 흙 화분에 작은 버드나무를 심었습니다. 이 나무는 몇 년 동안 냄비 안에서 자랐고, 그 사이에 반 헬몬트는 물만 첨가했습니다. 5년 말에는 나무는 훨씬 커졌고 무게는 74.4kg 증가했습니다. 그러나 냄비의 흙 무게가 5년 전보다 57그램이나 적었기 때문에 이 첨가된 질량은 모두 흙에서 올 수 없었습니다! 이 실험에 의해 반헬몬트는 식물의 물질이 토양에서만이 아니라는 것을 증명했습니다. 그는 실수로 자신이 첨가하고 있던 물이 주로 식물의 질량 증가의 원인이라고 결론지었습니다.

그 이야기가 밝혀지기까지 100년이 지났습니다.
영국의 과학자 조셉 프리스틀리는 공기의 특성에 대한 선구적인 연구에서 중요한 단서를 제공했습니다. 1771년 8월 17일, 프리스틀리는 "촛불을 태우면서 손상된 공기를 복구하는 방법을 우연히 만났습니다." 촛불이 다 타버린 민트 잔가지를 공기에 넣고 같은 달 27일에는 또 다른 촛불이 이 같은 공기에 태워지는 것을 발견했습니다 왠지 식물이 공기를 되찾은 것 같은 느낌이 들었습니다! 프리스틀리는 쥐가 촛불로 사라진 공기를 호흡할 수는 없지만 식물에 의해 '복원된' 공기는 '쥐에게 전혀 불편하지 않다'는 것을 발견했습니다 중요한 단서는 살아있는 식물이 공기에 무언가를 더한다는 것이었습니다. 

식물은 어떻게 공기를 '재생'할까요? 25년 후, 네덜란드의 의사 얀 잉게누스는 이 수수께끼를 풀었습니다. 수년에 걸쳐 일하며 Ingenuous는 Priestly의 결과를 재현하고 대폭 확대했습니다. 공기가 복원되는 것은 태양의 존재 하에서만이며 뿌리가 아닌 식물의 녹색 잎에 의해서만임을 보여주었습니다. 그는 식물의 녹색 부분이 태양광을 이용해 이산화탄소(CO2)를 탄소와 산소로 분할하는 과정(현재는 광합성이라고 불립니다)을 실행할 것을 제안했습니다. 그는 산소가 공기 중에 O2 가스로 방출되어 탄소 원자가 물과 결합하여 탄수화물을 형성할 것을 제안했습니다. 그의 제안은 이후의 단계가 변경되었음에도 불구하고 좋은 추측이었습니다. 나중에 화학자는 탄수화물 중 탄소, 산소, 수소 원자의 비율이 실제로는 물 분자당 약 1원 자임을 발견했습니다(탄수화물이라는 용어가 보여주듯이). 스위스의 식물학자는 1804년에 물이 필요한 반응물이라는 것을 발견했습니다.

그 세기말까지 광합성에 대한 전체적인 반응은, CO2+H2O+광에너지-→(CH2O)+O2라고 쓸 수 있었습니다.

그러나 그 이상의 것이 있다는 것이 밝혀졌습니다. 지난 세기에 연구자들이 그 과정을 더 자세히 조사하기 시작했을 때 빛의 역할은 의외로 복잡하다는 것을 알았습니다. 반 헬몬트는 토양이 성장하는 식물에 질량을 가하지 않는다는 것을 보여주었습니다. 그 후 프리스틀리와 잉게뉴스 등은 기본적인 화학 반응을 고안했습니다.