창조섭리 ( 식물편, 광합성 )

왜 식물은 녹색을 띠는가.

빛이란 한마디로 정의하기에는 너무 복잡하고 신기한 것이다. 태양에서부

터 오는 전자기 스펙트럼을 우주선이나 감마선과 같이 파장이 나노미터

(nm:10-9m)정도의 짧은 것에서부터 라디오파와 같이 파장이 수 km에 달하

는 긴 파들의 총합이다. 이 경우 우리가 느끼고 지각하는 빛[가시광천3

백80nm(보라식)-7백50nm(붉은 색)이라는 것은 전자기 스펙트럼의 단지 작은

부분에 불과하며 이 가시광선의 파장은 신문지 한장두께의약 1/40에 해당

한다.

빛과 암흑이란 우리의 눈에는 너무나 극명한 것이지만 물리학자의 견지에

서 보면 단지 파장에 있어 수 nm의 차이일 뿐이다. 단지 파장의 차이일뿐

이지 특별한 질적인 차이가 있는 것은 아니라는 것이다. 그렇다면 왜 태양

으로부터 오는 전자기 스펙트럼중 단지 이러한 작은 가시광선 영역만이 우

리의 시각에 영향을 미치며 식물에 있어 굴광성을 (식물이 빛을 향하여 굽

는 현상) 광주기성(하루동안 빛의 길이에 따라 식물체의 발육이 변하는

현상) 광형태학(광질에 따라 식물체의 반응및 형태가 달라지는 현상), 그

리고 모든 생명의 에너지근원이 되는 광합성성을 일으키게 하는 것일까.

모든 생물학적 활동이 같은 파장대에서 일어난다는 것은 엄청난 우연의

일치일 뿐인가 아니면 필연적인 결과인가. 지금까지의 연구결과에 따르면

생명체는 이와같은 파장을 이용하는 것이 필연적이라고 한다. 이것을 지

지하는데는 대략 두가지 이유를 들수 있다.

첫째는 생명체를 단지 화학적 수준에서 본다면, 크고 복잡한 분자들이

공간적 형태를 지니고 있으며 수소결합및 여러가지 결합에 의해서 서로 상

호관계를 유지하며 반응하고 있다고 생각할 수 있다. 이때 가시광선보다 짧

은 파장(자외선 이상)은 생체내의 이러한 상호관계및 결합을 파괴하고 그

기능을 정지시키고 만다.

한편 가시광선보다 파장이 긴 빛 에너지는 모든 생명체의 대부분을 이

루는 물에 의하여 흡수될 수 있는것으로 유기분자에 부딛혔을때 에너지가

낮기 때문에 이들 분자들의 움직임을 증가시킬뿐 구조적 변화는 일으키지

못한다. 단지 가시광선 영역에 속하는 빛만이 유기분자들을 흥분시키는 특

성을 가지고 있으며 원자내 전자에너지의 수준을 변화시켜 생물학적 반응

을 야기시킬 수 있다.

두번째 이유는 모든 전자기 스펙트럼 복사선중 높은 에너지를 지닌짧은

파장의 광선은 대기중에 있는 산소와 오존에 의해서 차단되고 적외선 및 원

적외선은 대기중에 있는 수증기나 이산화탄소에 의해서 차단되어진다. 따

라서 실지로 태양으로부터 오는 복사선중 지구상에 있는 모든 생명체가 이

용할 수 있는 것은 바로 이 가시광선 영역의 빛뿐이라는 것이다.

우리는 이것에서부터 환경에 대한 생명의 타당성과 물리세계에 대한 생

명의 타당성을 서로 어우러지게 한 하나님의 절묘한 섭리를 볼수 있다. 어

떤 물체가 색깔을 띤다는 것은 무엇을 의미하는 것일까. 그것은 그 물체가

빛을 흡수하기도 하고 또 반사하기도 한다는 것을 의미한다.

이때 우리 눈에 있는 특별한 세포가 반사된 빛을 흡수하고 이것을 신호화

하여 두뇌에 전달하여 마침내 우리가 그것을 보게되는 것이다. 사과가 붉게

보이는 것은 사과표면의 세포내에 있는 색소체가 가시광선 중 모든 빛을 흡

수하고 단지 붉은 색을 반사하기 때문이다. 잎이 녹색으로 보이는 것은 식

물체내에 있는 엽록소라는 색소체가 보라색 푸른색 노란색 그리고 붉은 색

은 흡수하고 단지 녹색만을 반사기 때문이다.

그러나 모든 색소와 식물체내의 엽록소는 근본적으로 다르다. 엽록소는

녹색을 띠게 함과 동시에 광합성 작용에 참여하기 때문이다. 식물이 가장

효율적으로 광합성을 수행하기 위해서는 에너지를 전혀 낭비하지 않도록

모든 가시광선을 흡수하여 이용하는 것이 최상일 것이다.

그렇다면 이상적인 광합성색소는 검어야 함에도 불구하고 왜 자연은 녹

색을 띠고 있는가. 진화론적으로 고찰하면, 태초에 빛을 이용하는 최초의

박테리아는 [원시시대의 국물] 속에 존재하였으며, 오늘날과 같은 엽록소

를 가지는 대신에 자주빛 색소를 가지고 있었다고 한다.

이것은 가시광선중 중간부위에 있는 파장만을 흡수하여 사용하였다는 것

을 의미한다. 그러나 이 박테리아는 원시바다에서 모든 비광합성 생물 발표

반응의 폐기물인 이산화탄소를 고정시킬 수 없었기 때문에 그 후 오늘날과

같이 식물에서 볼 수 있는 녹색을 띠는 엽록소를 지니는 박테리아가 진화

되었다. 이 새로운 유형의 광합성 생물들은 깊은 물속에 있었기 때문에 위

에서 유영하는 자주색 박테리아가 자신들의 몫을 취하고 남은 가시 스펙트

럼의 적색과 청색부부분 결과적으로 이 파장대에서만 빛을 흡수하는 광합성

색소가 진화되었다는 것이다.

그후 수상에서 육상으로 오늘날의 녹색식물들이 출현하였으며 오늘날의

발테리아는 엽록소를 함유하고 있는 생물들과 경쟁하여야 하기 때문에 흡

수 최고점이 훨씬 더 적외선 쪽으로 밀려 나는 박테리오클로로필과 같은 특

수한 엽록소를 함유한다고 한다.

왜 최초의 빛을 이용하는 최초의 박테리아는 자주색 색소를 지니게 되

었는가. 현재 육상에는 경쟁상대가 없을 자주색 색소체를 지닌 식물은 왜

진화되지 않았는가, 또한 그러한 식물체가 없다면 왜 모든 빛을 흡수하는

검은 식물로는 진화하지 않았을까.

진화론자들은 광합성이 너무나도 복잡하고 정교한 과정이기 때문에 엽

록소를 근본적으로 다른 색소로 교환한다는 것은 어려웠을 것이며 대신

부차적 색소를 이용하여 엽록소가 흡수하지 못하는 파장대의 빛을 흡수하

여 이용하는 방법으로 진화하였을 것이라고 추측하고 있다. 그러나 해초들

의 경우 흡수 스펙트럼이 상당히 넓지만 육상식물에서는 전혀 설득력이 없

는 설명이다.

왜냐하면 녹색식물들은 엽록소 a 와 b라는 두 종류의 광합성색소외에 카

로티노이드라는 색소를 가지지만 카로티노이드라는 색소체는 스펙트럼의 청

색부분 쪽에서 빛을 흡수함으로써 중간 파장대를 약간 채웠지만 녹색부분

에서는 어떤 색소도 충분히 빛을 흡수하지 못하기 때문이다.

더욱이 카로티노이드의 역할 또한 광합성을 위한 것이 아니다. 따라서

진화론적으로 말하자면 오늘날의 식물은 빛을 완전하게 이용하지 못하고

스펙트럼의 중심부에서 상당한 양의 에너지를 낭비하고 그 결과로 녹색광

을 반사하는 것이 된다.

역설적으로 가장 발달한 식물이 가장 뒤떨어진 빛의 훗수체계를 지니고

있다는 것이다. 결론적으로 가시광선을 이용하는 모든 생명체를 그 기능과

복잡성에 따른 모자이크식 진화론적 체계에 끼워 맞추기보다는 처음부터

모든 것을 시간적 동일선상에 배열하여도 과학적 사실에 하등의 위배됨이

없으며 자연의 놀라운 질서와 조화와 균형을 더욱 더 잘 나타낼 수 있다는

것이다.

또한 만약 모든 식물들이 빛을 가장 효율적으로 흡수하기 위해서 검은색

을 띤다면 이 세상은 어떻게 보일까. 한편 인간 눈이 빛을 감지하는 범위는

다르다. 특별히 벌은 자외선을 감지할 수 있는 능력이 있어 물체를 우리가

보는 색깔과는 다른 색깔로 감지한다.

이러한 모든 것을 볼때 가시광선에 대한 생명체의 이용흔 진화에 의한

것이 아니라, 놀라운 창조주의 분배에 의한 것이 틀림없다. 하나님이 그 지

으신 모든 것을 보시니 보시기에 심히 좋았더라(창1:31). 인간에게 있어

서 빛의 의미는 무엇을까.[나는 세상의 빛이니 나를 따르는 자는 어두움에

다니지 아니하고 생명의 빛을 얻으리라] (요8:12).

빛을 이용하는 광합성 작용은 엄청나게 빠르다. 예를 들면 온실에 있느

싱싱한 녹색의 야채잎을 따서 먹는 다고 가정할 경우 우리는 신선한 잎에

있는 태양광선을 먹는다고 말할 수 있다. 왜냐하면 약 8분전에 태양을 떠난

빛에너지가 식물체의 잎에 닿자마자 탄수화물이라는 분자의 화학에너지로

전환되고 우리는 이것을 먹는 것이기 때문이다.

광합성은 크게 나누어 명반응과 합성반응(암반응)으로 나눌 수 있는데

빛 에너지를 포착하여 화학에너지로 전환시키며 동시에 산소를 발생시키는

반응을 명반응, 대기중의 이산화탄소를 고정시켜 포도당을 합성하는 반응

을 합성반응이라 부른다. 엽록소와 다른 색소체는 광수용복합체를 구성하여

틸라코이드막에 묻어 있는데 수백개의 엽록소(안테나색소) 가 반응센터라고

불리는 특별한 엽록소를 둘러싸고 있는 형태를 취하며 이를 광계라고 부른

다.

식물체에는 두종류의 광계가 있는데 하나는 반응센터의 엽록소가 광파장

이 700nm(10-0m) 일때 활성화되는 것으로 p700 혹은 광계I이라하고 광파장

이 680nm일때 활성화되는 반응센터를 가진 광계를 광계 H라고 한다. 안테

나색소에 부딪친 빛에너지는 공명전달이라는 방법으로 반응센터에 전달되

고 P700 혹은 P680내의 전자는 천만분의 일초이내에 반응을 할 수 있는 흥

분상태가 된다.

이러한 순간적인 속도로 전자가 전자수용체를 통과하지 않는다면 전자는

잉여에너지를 빛이나 열로 잃어버리고 원래의 전자에너지 준위로 돌아간다.

그러나 흥분된 전자가 전자수용체로 전달되면 이 전자는 화학에너지를 생

성히는 순환 혹은 비순환의두 경로중 하나를 지나가게 되는데 이곳에서는

빈순환적 광인산화반응에 관해서만 논하기로 하자 (순환적,비순환적이라는

말은 에너지를 얻은 전자의 경로에 따라 불려지며 광이라는 말은 전자가

에너지를 얻는데 빛에너지가 이용되기 때문이고 인산화라는 말은 생체내

의 전원에 해당되는 ATP가 형성되기 때무에 붙여진 이름이다)

비순환적 광인산화 반응에는 광계 H와 광계I 각각의 전자수용체분자와 2

개의 전자전달계가 포함되는 반응으로 광계 II에서 흡수된 에너지는 P 680

반응센터를 통과하여 두개의 전자를 고에너지 준위로 밀어 올린다. 그러면

활성화된 전자는 광계II의 전자수용체분자를 지나가고 , 산화된 P680반응

센터는 전자에 강하게 결합되는 성질을 가진다.

이것에 의해 물분자는 분해되고 수소원자로부터 전자는 이동된다. 이과정

을 광분해라고 한다. 물의 수소원자에서 떨어져 나온 두개의 전자는 P680의

전가공백을 메우게 된다. 두개의 양자 (H+) 는 티라코이드낭에 남아 있고

O2 형태로 결합된 산소원자를 유리시킨다.

반면에 P680에서 전자수용체를 통과한 활성전자는 전자전달계로 이동하는

데, 이때 전자는 광계 I의 P700 반응센터로 보내진다. 광계 I에 흡수된

빛에너지에 의해서 다시 활성화된 P700의 전자들은 전자수용체로 전이된다.

이때 산화된 P700의 반응센터에 생긴 전자 공백은 광계II에서 나온 전자

가 메운다. 이들은 물분해에서 나온 전자들이다. 광계 I의 전자수용체분자

는 다시 전자 전달계로 전자를 이동시켜 NADP+를 NADPH로 환원시킨다.

이러한 틸라코이드막내의 전자전달계를 통한 전자의 흐름은 막을 가르지

르는 양자의 농도구배를 만들어 화학삼투에 의한 ATP를 합성하게 된다.

화학삼투가 일어나기 위해서는 막을 가로지르는 전기화학적 구배가 있어

야 하는데, 물분해때 발생되는 양자 (H+)와 명반응기간 동안 양자 (H+) 가

틸라코이드막을 가로질러 이 구배를 만든다. 여기까지를 우리는 일반적으

로 명반응이라 부르며 얻어진 ATP와 NADPH를 이용 식물체잎의기공을 통

해 흡수한 이산화탄소를 체내에 고정시키는 것을 암반응 혹은 합성반응이

라고 부른다.

광합성의 합성반응을 통하여 포도당이 만들어지는 이유는 다음과 같다.

ATP와 NADPH 식물체의 한 부분에서 다른부분으로 이동하거나 저장될 수 없

지만 포도당은 그렇지 않기 때문이다. 포도당 분자는 고에너지를 저장함과

동시에 안정성 이동성 다양성이 있어 필요시 어느 세포라도 이용하요 APT

와 NADPH를 재생할 수 있고 또한 모든 유기체의 골격을 만들기 때문이다.

합성반응은 명반응과는 달리 엽록체내 스트로마에서 일어난다. 식물의 합

성반응의 종류는 환경에 따라 크게 세가지는 나룰 수 있는데 C3 C4 그리고

CAM 합성반응이다. 이산화탄소가 고정되어 포도당을 생성하고 그 부산물이

다시 회로의 출발분자로 재생성되는 순환적 경로는 같으나 이산화탄소가 처

음 탄소수용체와 결합되는 방법은 다르다.

모든 식물의 약 80%가 C3 합성경로 (흔히 캘빈회로라 부름)을 통해 포

도당을 합성한다. 스토로마로 들어온 이산화탄소는 루비스코라는 효소를 통

하여 5탄당과 결합되어 고정된다. 이 효소는 가장 중요한 효소임과 동시에

식물체내에 가장 많은 효소로서 세포내의 이산화탄소와 산소와 농도에 따

라 다르게 작용된다.

체내에 이산화탄소량이 높을 경우 캘빈 경로를 통과하나 이산화타소의

부족시 즉 산소량이 많을 경우에는 광호흡(C2) 이라는 특이적인 경로를 돌

게 된다. 광호흡이란 문자 그대로 만들어 놓은 당에너지를 소모하므로 에

너지 측면에서는 광합성에 역행되는 비효율적인 경로이다.

이상으로 살펴본 것이 그야말로 대체적인 고등식물 광합성의 전체적 개

략이다. 진화론은 이러한 식물의 광합성이 오랜세월에 걸쳐 진화되어온 것

이라고 생각하고 있다. 광합성에서 일어나는 과정은 빛을 이용한 사건이

기 때무에 우연에 의해 만들어진 몇개의 분자들이 모여 진행될 수 있는 과

정이 아니며 수많은 분자들의 반응이 연속적으로 그것도 엄청나게 빠른 시

간에 한치의 착오도 없이 일어나야 하는 것이다.

그리고 또 한가지 중요한 사실은 이 과정에 참여한 모든 분자들의 공

간적 위치이다. 앞서 언급한 과정중 (상세한 것은 대부분 생략되었지만)

아주 적은 부분 하나라도 빠지거나 잘못 배치되면 식물체는 자신이 이용하

는 바로 그 빛 에너지는 계속 만들어지는데 정교하고 복잡한 통제와 조절이

이루어지지 않는다면 결국은 폭발하고 말 것이다.

또한 원자력 발전소는 부분적인 몇개의 시설만으로는 가동되지 않는다.

모든 것이 완벽하게 갖추어진 뒤에야 비로소 정상적인 가동이 가능한 것이

다. 광합성이란 몇개의 부분들이 조금씩 첨가되면서 진화된 것이 아니며

진화되어 올 수도 없다.

광합성의 복잡한 과정을 진화론적으로 설명하자면 우연에 의해서 수많은

필요도 없는 유전자가 생기고 그것이 발현되지 않고 대기 상태에 있다가

(필요도 없는 유전자가 생기고 그것이 발현되지 않고 대기상태에 있다가

(필요도 없는 것이 발현될 수 있는 없는 것이다. 왜냐하면 에너지적 측면에

서 비합리적이기 때문이다) 새로운 세스템을 완벽하게 이루기 위한 마지막

돌연변이 분자가 확립되었을때 그간의 수많은 비발현성 유전자가 시간적

공간적 양적,질적으로 한치의 틀마미도 없이 발현되어야 한다는 것이다.

갱니적인 과학자 양심으로는 이런 일이 일어날 수 없으며 지혜자의 명

백한 개입없이는 불가능하다는 것을 단정한다. 광합성의모델에 대한 현재까

지의 모든 문헌이 생물학적 에저지의 기능 분석에 대한 고려로서는 아주

가치가 있는 것이지만 그것이 발생에 대한 이해를 위해서는 하등의 도움이

되지 않음을 명백히 알아야 한다.

자료원 : 국민일보 건국대 원예학과 손기철교수