식물은 광합성을 통하여 생장에 필요한 포도당을 생산한다. 광합성의 과정은 대부분의 식물이 동일한데, 식물이 서식하는 환경에 따라 그 효율은 크게 달라질 수 있다. 그래서 어떤 식물들은 일반적인 식물과 다른 방식으로 광합성을 하도록 진화하였다. 그렇다면 이들의 광합성 방식은 일반적인 식물과 어떤 차이가 있을까?
일반적인 식물의 광합성은 잎에 있는 엽육 세포에서 주로 일어난다. 광합성의 과정은 명반응과 암반응이라는 두 단계로 이루어져 있다. 명반응은 빛 에너지로 물을 분해하여 암반응에 필요한 화학 에너지를 생성하는 단계로, 이 과정에서 부산물로 산소가 발생한다. 명반응으로 발생하는 화학 에너지는 빛의 세기가 강할수록 많이 생성되는데, 일정 수준 이상으로 빛의 세기가 강해져도 생산량이 더 증가하지는 않는다. 명반응 과정에서 발생하는 산소는 포도당을 생성하는 데 불필요한 요소이기 때문에, 식물은 잎 뒤에 주로 분포되어 있는 기공을 열어 산소를 배출한다. 기공은 산소를 배출할 때뿐만 아니라 암반응에 필요한 이산화 탄소를 흡수하거나 체내의 수분을 배출해야 할 때에도 열린다.
암반응은 명반응에서 생성된 화학 에너지와 기공을 통해 흡수한 이산화 탄소를 이용하여 포도당을 생성하고, 부산물로 물이 생기는 단계이다. 암반응 과정은 캘빈 회로를 통하여 진행되는데 대기로부터 흡수된 이산화 탄소는 RuBP와 결합하며, 이 결합은 루비스코라는 촉매를 통하여 촉진된다. 이 결합으로 3개의 탄소가 결합한 3탄당이 형성되고, 3탄당은 화학적 변환 과정을 거쳐 포도당을 생성하며, 포도당 생성에 쓰이고 남은 화합물은 RuBP로 재생되어 이산화 탄소와 결합되는 과정이 다시 진행된다. 이러한 순환 과정을 캘빈 회로라고 하는데, 캘빈 회로로 포도당이 생성되려면 일정 수준 이상의 이산화 탄소 농도, 적정한 온도 등의 환경이 갖추어져야 한다. 그렇지 않으면 RuBP가 이산화 탄소와 결합하는 비율이 낮아져 포도당 생산의 효율이 떨어진다. 지구상 대부분의 식물은 이와 같은 과정으로 광합성을 하며, 이산화 탄소와 RuBP가 결합하여 생성되는 첫 화합물이 3탄당임을 고려하여 C3 식물이라고 부른다.
그런데 C3 식물은 기온이 높거나 건조할 때 광합성의 효율이 저하되는 한계가 있다. 기온이 높거나 날씨가 건조할 때 기공을 열면 체내의 수분이 지나치게 배출되므로 식물은 기공을 열지 않는다. 이로 인해 포도당의 생산이 어려워지면 식물은 잘 생장하지 못한다. 가령 이상 기후 현상으로 인하여 고온의 기후가 지속되는 상황이 발생하면 위와 같은 문제가 심화될 수 있으며, C3 식물이자 대표적인 식량 작물인 쌀과 밀 등의 생산량이 감소하는 문제로 이어질 수 있다. 이에 따라 C3 식물과 다른 방식으로 광합성을 하여 고온에서도 잘 자랄 수 있는 C4 식물에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
옥수수, 조, 수수 등 고온의 열대 지방에서도 잘 자라도록 진화한 C4 식물은 두 개의 공간에서 광합성이 진행된다는 특징이 있다. 첫 번째 공간인 엽육 세포는 C3 식물과 같은 방식으로 명반응이 일어나는 곳이자, 암반응의 첫 번째 단계로 탄소를 저장하는 역할을 하는 곳이다. 이 식물의 엽육 세포에는 이산화 탄소와 결합하는 역할을 하는 PEP가 존재한다. PEP와 이산화 탄소가 결합되면 4개의 탄소가 포함된 화합물인 4탄당이 형성되는데, C4 식물은 이를 고려하여 붙여진 이름이다. 4탄당은 엽육 세포에 저장되어 있다가 유관속초 세포라는 두 번째 공간으로 이동한 후 분해되어 포도당 생성에 필요한 이산화 탄소를 배출한다. 그리고 배출된 이산화 탄소는 유관속초 세포 속에 농축되었다가 캘빈 회로를 통하여 포도당을 형성하는 데 쓰이는데, C3 식물과 C4 식물의 캘빈 회로의 작동 방식은 동일하다. 이러한 방식으로 C4 식물은 유관속초 세포 속의 이산화 탄소 농도를 높게 유지함으로써 C3 식물에 비해 높은 광합성 효율을 보인다.
C4 식물의 비율은 전체 생물량의 5%에 불과하다. 그러나 이들의 광합성량은 전체 광합성량의 23%에 달한다. 이러한 C4 식물에 대한 연구는 미래에 발생할 수 있는 기후 위기에 대응하는 중요한 열쇠가 될 수 있을 것으로 기대된다.
윗글의 내용 전개 방식에 대한 설명으로 가장 적절한 것은?
- ①광합성에 대한 학문적 발견을 시간 순서에 따라 정리하며 연구의 발전 과정을 서술하고 있다.
- ②서로 다른 두 가설을 소개한 후 실험 결과를 제시하여 하나의 가설이 더 타당함을 논증하고 있다.
- ③광합성의 정의를 제시한 후 다양한 식물 유형을 분류하여 각 유형의 특성을 균등하게 비교하고 있다.
- ④여러 전문가의 견해를 병렬적으로 소개한 후 이들의 공통점을 종합하여 절충적 결론을 이끌어 내고 있다.
- ⑤일반적인 식물의 광합성 과정을 설명한 뒤 그 한계를 밝히고, 이를 극복한 식물의 방식을 수치를 활용하여 소개하고 있다.
윗글을 바탕으로 추론한 내용으로 적절하지 않은 것은?
- ①C3 식물에서 빛의 세기가 강해질수록 캘빈 회로를 통한 포도당 생산량도 지속적으로 증가할 것이다.
- ②C3 식물이 기공을 닫고 있는 동안에는 명반응에서 발생한 산소가 기공을 통해 배출되지 못할 것이다.
- ③빛의 세기가 매우 약한 환경에서는 C4 식물도 명반응에서 충분한 화학 에너지를 생성하기 어려울 것이다.
- ④C4 식물의 단위 생물량당 광합성량은 C4 식물을 제외한 나머지 식물의 단위 생물량당 광합성량보다 높을 것이다.
- ⑤C4 식물의 엽육 세포에서 PEP와 이산화 탄소의 결합이 이루어지지 않으면 유관속초 세포에서의 포도당 생산에도 영향이 있을 것이다.
윗글을 읽은 학생의 반응으로 적절하지 않은 것은?
- ①C4 식물의 유관속초 세포에서는 엽육 세포로부터 이동한 4탄당이 직접 포도당으로 전환되겠군.
- ②C4 식물의 엽육 세포에서는 명반응뿐 아니라 암반응의 첫 번째 단계에 해당하는 과정도 일어나겠군.
- ③캘빈 회로에서 포도당이 만들어진 후 남은 화합물은 다시 RuBP로 재생되어 이산화 탄소와 결합하겠군.
- ④C4 식물의 유관속초 세포에서 작동하는 캘빈 회로는 C3 식물의 캘빈 회로와 동일한 방식으로 작동하겠군.
- ⑤기후 위기로 고온이 지속되면 C3 식물인 쌀과 밀의 생산량이 줄어들 수 있으므로 C4 식물 연구가 중요하겠군.
윗글과 <보기>를 바탕으로 이해한 내용으로 적절하지 않은 것은? [3점]
연구진이 고온 건조한 밀폐 온실에서 다음과 같은 실험을 수행하였다. 온실 내부의 온도는 고온으로 유지하되, 이산화 탄소 농도를 일반 대기 중 농도의 3배로 설정하였다. 이 온실에서 C3 식물인 갑과 C4 식물인 을을 동일한 빛의 세기 아래에서 재배하였다. 일반 대기 조건의 고온 환경에서 갑은 포도당을 거의 생산하지 못하였으나, 이번 실험에서 갑의 포도당 생산량은 크게 증가하였다. 반면 을의 포도당 생산량은 일반 대기 조건의 고온 환경에 비해 소폭 증가하는 데 그쳤다. 이에 따라 갑과 을의 포도당 생산 효율 차이가 현저히 줄어들었다. 한편 실험 기간 동안 갑과 을 모두 기공은 거의 열리지 않은 상태를 유지하였다.
- ①갑의 포도당 생산량이 증가한 것은 이산화 탄소 농도가 높아져 명반응에서 생성되는 화학 에너지의 양이 늘어났기 때문이다.
- ②갑과 을이 기공을 거의 열지 않은 것은 고온 건조한 환경에서 체내의 수분이 과다하게 배출되는 것을 방지하기 위한 것이다.
- ③갑의 포도당 생산량이 증가한 것은 이산화 탄소 농도가 높아져 캘빈 회로에서 RuBP와 이산화 탄소의 결합 비율이 높아졌기 때문이다.
- ④외부 이산화 탄소 농도가 높은 환경에서는 을이 4탄당을 유관속초 세포로 운반하여 이산화 탄소를 농축하는 과정의 상대적 이점이 줄어든다.
- ⑤을의 포도당 생산량 증가가 소폭에 그친 것은 을이 이미 유관속초 세포에 이산화 탄소를 농축하여 캘빈 회로의 효율을 유지하고 있었기 때문이다.