박광하의 생명과학이야기 – 광합성(탄소동화 작용)

박광하의 생명과학이야기 광합성(탄소동화 작용) 스웨덴 왕립 과학아카데미는 지난 2013년 노벨화학상 […]

박광하의 생명과학이야기

광합성(탄소동화 작용)

스웨덴 왕립 과학아카데미는 지난 2013년 노벨화학상 공동수상자로 마틴 카플러스 하버드대 교수, 마이클 레빗 스탠포드대 교수, 에리에 워셜 UCLA 교수를 선정했다. 이들은 복잡한 화학반응 과정을 컴퓨터로 분석할 수 있도록 한 공로를 인정받았다. 이들의 분석 방법 덕분에 식물 잎사귀의 광합성 작용 등 복잡한 화학반응체계를 자세히 분석할 수 있게 되었다는 것이다. 식물의 탄소작용은 햇빛에너지를 화학적으로 고정하여 지구상의 거의 모든 생물의 에너지를 영구 지속적으로 공급하는 참으로 위대하고 신비스러운 식물의 기능이며 시작에서부터 완성되기 까지 너무나 복잡한 단계를 거치게 됨으로 이와 관련된 연구로 그 동안 여러 명의 노벨수상자 나왔으며 금년에도 에리에 워셜 박사는 광합성의 화학작용이 일어나는 실제 과정을 거울에 비추듯 기록할 수 있는 컴퓨터 모형 개발로 수상자가 되었다.

탄소동화작용이란 녹색식물이 뿌리 등을 이용하여 빨아들인 물과 잎에서 흡수한 이산화탄소를 재료로 해서 햇빛에너지를 이용 유기물인 포도당을 만들어 내는 작용이다. 화학 반응식은 “12H2O + 6CO2 + 빛에너지=> C6 H12O6 + 6H2O + 6O2”로 간단하게 표시할 수 있지만 지구상에 어마어마하게 많은 물과 탄산가스(이산화타소)로 유기물인 포도당을 만들어 낸다는 것이 너무나 심오하고 엄청난 기능이기 때문에 과학자들이 이과정의 단계를 상세하게 밝혀 보기 위한 연구를 계속 하고 있는 것이다. 이 과정이 속속들이 밝혀지고 인공적으로 이 반응을 진행시킬 수 있다고 가정하면 세상이 바뀌는 결과를 상상할 수 있는 것이다. 공장에서 유기물을 만들 수 있게 되는 것인데 이렇게 되면 농장이 필요 없이 천재지변을 걱정하지 않는 식량생산을 공장에서 해결할 수 있게 된다는 것이다. 확대 해석하면 생명의 신비를 과학적으로 밝혀내는 결과라고도 할 수 있다. 모든 생물들이 생존 하려면 에너지가 있어야 하는데 태양이 있는 한 무궁무진하게 에너지를 생산할 수 있다고 가정할 수 있기 때문이다.

생물은 식물들이 탄소동화작용으로 만들어 낸 포도당을 호흡기관을 통해 빨아들인 산소로 연소시키며 이때 발생하는 에너지로 살아가는 것이다. 호흡의 화학반응식은 탄소동화작용의 반대로 표시된다. “C6 H12O6 + 6H2O + 6O2=>12H2O + 6CO2 + 에너지” 호흡작용으로 포도당을 연소 시키는 일을 생체 세포내의 미토콘드리아(Mitochondria) 라는 작은 입자 안에서 이루어지며 탄소동화작용은 식물의 엽록체에서 이루어지는 것인데 엽록체 안에 엽록소(Chlorophyll)라는 물질이 녹색을 반사시키기 때문에 식물의 이파리가 녹색으로 보이는 것이고 동물의 피가 적색을 띠는 것은 적혈구 안에 혈색소(Hemoglobin)때문이다. 그 화학적 구조가 비슷하나 엽록소의 중심원소는 Mg(마그네슘)이고 호흡작용을 하는 혈색소는 중심원소가 Fe(철)이라는 차이로 녹색과 적색으로 보이는 것이기도 하다.

태양의 빛은 광합성을 통해 포도당이라는 최초의 유기물을 만들고 이 포도당이 복잡한 화학반응을 거치며 수많은 종류의 탄수화물을 만들고, 이 탄수화물이 질소(N)와 결합하는 화학반응을 거치며 단백질의 기본구조인 아미노산을 만들고 아미노산의 복합반응으로 복잡한 단백질을 만들어 생명체를 구성해 가는 것이다. 빛은 에너지이며 이 에너지를 가시적으로 저장하여 에너지를 간직한 물질을 태워가며 활동 하는 것이 생명체이다. 엽록소는 그 생명체의 원초적인 물질을 만들어 내고 있는 것이다. 어쩌면 창조의 수수께끼가 광합성이라는 과정 속에 있지 않을까 하는 궁금증 때문에 과학자들이 더더욱 관심을 가지는지도 모른다.

인공광합성 연구가 계속되고 있으며 공해와 무관한 유기물 생산, 암 치료 등에 광합성의 원리를 응용한 연구가 활발하게 이루어지고 있는 것이다. 이와 같은 광합성 연구를 통해 노벨상수상자도 계속 배출될 것은 틀림없다. 한국 학생들이 수학, 과학 등 전세계의 수재들이 겨루는 올림피아드에서 금메달을 따는 쾌거를 이룩하고 있지만 노벨상 수상자는 나오지 않고 있다. 그 원인이 복잡하게 얽혀 있어서 간단하게 단정적으로 언급 될 수 없는 일이나 근본적으로 한국의 교육풍토에 있다는 것을 부인 할 수 없는 것이다. 문제 풀이의 달인을 양성하는 교육이 아니라 창의성을 길러 주는 교육풍토가 조성되어야 노벨 수상자도 배출될 것이다. 창의적인 교육을 통하여 미래의 노벨상을 꿈꾸는 학생들이 한국과 호주에서 많이 배출되었으면 하는 바람이다.

박광하(전 여주대신고 교감, 전 수원계명고 교장)

38khpark@hanmail.net

필자 박광하 선생은 고려대학교 생물학과를 마친 후에 평생을 생물과학 강의와 교육에 헌신하여 왔다. 20여년 전 호주로 이주하여 시드니에 거주하며 집필 활동을 하고 있다. 저서로 ‘생명과학이야기’(북랩)가 있다.