광합성 방식에 따른 식물 구분

지구상의 대기 중에 떠다니는 탄소(무기탄소)를 유기화합물로 변환시키는 '탄소 고정'을 수행하는 일은 오직 광합성뿐입니다. 이러한 광합성은 식물만이 가지고 있는 고유의 능력입니다. 놀랍게도 광합성 과정은 유일하지 않고 식물마다 차이가 있으며 방식도 서로 다릅니다.

 

광합성 방식에 따라서 식물을 구분하면 크게 세 가지로 구분됩니다. 광합성 방법에 따라 세 가지 유형의 식물에 대한 자세한 내용을 살펴보겠습니다.

C3 식물

C3 식물은 지구상에서 가장 흔한 유형의 식물입니다. 이 식물군은 광합성 중에 이산화탄소를 고정하기 위해 캘빈 회로, 또는 캘빈주기라는 과정을 사용합니다. 캘빈 회로는 식물 세포의 엽록체에서 발생하며 이산화탄소를 당으로 전환시키는 일련의 반응을 포함합니다.

캘빈 회로의 과정이 진행되는 동안 대기 중의 이산화탄소는 식물 잎의 '기공'이라고 하는 작은 구멍을 통해 식물에 들어갑니다.

엽록체 내부에서 이산화탄소는 ribulose-1,5-bisphosphate(RuBP)라고 하는 5 탄소 분자와 결합하여 6 탄소 분자를 형성하고 즉시 3-PGA(3-포스포글리세르산)라는 2개의 3 탄소 분자로 분리됩니다. 이 캘빈회로의 과정에서 생성된 첫 번째 안정한 분자는 3개의 탄소 원자를 가지고 있기 때문에 'C3'라는 이름을 붙이게 된 것입니다.

 

그런 다음 3-PGA 분자는 설탕을 만드는 데 사용할 수 있는 다른 분자를 만드는 데 사용됩니다. 이 과정에는 햇빛에 의해 공급되는 에너지가 필요합니다. 식물에 녹색을 부여하는 색소인 엽록소는 햇빛으로부터 에너지를 흡수하여 캘빈 회로의 반응을 강화하는 데 사용합니다. 

 

C3 식물은 빛과 온도의 변동에 더 민감하기 때문에 C4 식물보다 광합성 효율이 떨어지는 경향이 있습니다. 그들은 또한 건조한 환경에서 무척 불리합니다. 건조한 환경에 처한 C3식물은 같은 환경의 C4 식물보다 기공을 통해 더 많은 물을 잃는 경향이 있습니다.

C3 식물의 대표적인 예로는 밀, 쌀, 대두 및 대부분의 나무가 있습니다.

 

C4 식물

C4 식물은 Hatch-Slack 주기라고 하는 광합성 동안 이산화탄소를 고정하기 위해 다른 경로를 사용합니다. 이 경로는 특히 고온과 밝은 빛에서 C3 식물이 사용하는 캘빈 주기보다 더 효율적입니다.

Hatch-Slack 주기에서 이산화탄소는 먼저 포스포에놀피루브산(PEP)이라는 탄소 3개 분자와 결합하여 옥살로 아세테이트라는 탄소 4개 분자를 형성합니다. 이 과정은 잎 표면 근처에 위치한 엽육 세포라는 특수 세포에서 발생합니다.

 

4 탄소 분자는 다발초 세포라고 하는 다른 유형의 세포로 운반되어 다시 이산화탄소로 전환되고 RuBP와 결합하여 캘빈 주기를 계속합니다. 다발초 세포는 잎 안팎으로의 가스 이동을 제한하여 수분 손실을 최소화하는 데 도움이 되는 잎집이라는 세포 층으로 둘러싸여 있습니다.

C4 식물은 기공을 통한 수분 손실을 최소화할 수 있기 때문에 특히 덥고 건조한 환경에서 C3 식물보다 광합성에서 더 효율적인 경향이 있습니다. 건조한 환경에서 C3보다 강하지만 CAM 식물과 비교하자면, 상대적으로 건조한 환경에 취약합니다. 

C4 식물의 예로는 대표적으로 옥수수, 사탕수수, 수수가 있습니다.

CAM 식물

CAM 식물은 광합성 동안 이산화탄소를 고정하기 위해 또 다른 전략을 사용하는 식물 유형 군집입니다.

CAM은 Crassulacean Acid Metabolism의 약자로 기공이 열린 밤에 이산화탄소를 고정시켜 액포에 저장하는 것입니다. 낮에는 수분 손실을 최소화하기 위해 기공이 닫히고 식물은 저장된 이산화탄소를 사용하여 탄소를 고정하고 당(에너지원)을 생산합니다.

 

CAM 식물은 물이 부족한 건조한 환경에서 주로 발견됩니다. CAM식물들은 사막과 같은 건조한 환경에서 물 손실을 최소화하기 위해 이 전략으로 광합성 방식을 선택하게 되었고, 점차 발전시켜 나간 것으로 추측되고 있습니다.

 

밤에 이산화탄소를 고정하고 액포에 저장하는 방법을 선택했기 때문에, 식물은 뜨거운 낮에 기공을 열고 수분을 잃게 되는 모험을 하지 않아도 됩니다. 기공을 닫고 있어도 그저 저장된 이산화탄소를 사용하여 낮 동안 광합성을 계속할 수 있습니다. 이러한 광합성 방식은 건조한 환경에서 매우 효율적이며 CAM 식물이 사막과 같은 극도로 건조한 조건에서도 생존할 수 있도록 합니다. 다른 식물들과 한정된 비옥한 서식지를 놓고 경쟁할 것 없이 척박하고 뜨거운 사막에서 여유롭게 번식에 성공한 놀라운 식물인 것입니다. 

CAM 식물의 예로는 선인장, 다육 식물 및 파인애플이 있습니다. 

덧붙여서, CAM식물의 경우 저녁에 이산화탄소를 고정하는 특징을 가지고 있기 때문에, 플랜테리어에서는 침실에 배치되는 식물로 널리 알려져 있기도 합니다. 

 

요약하면 C3, C4 및 CAM 식물의 차이점은 이산화탄소를 고정하고 햇빛을 사용하여 설탕을 생산하는 방식에 있습니다. C3 식물은 캘빈 사이클을 사용하는 반면 C4 및 CAM 식물은 특히 열악한 환경에서 수분 손실을 최소화하고 광합성 효율을 높이기 위해 서로 다른 경로를 사용합니다.

 

건조한 환경에서의 광합성효율 및 수분 손실 내성을 비교하면 다음과 같은 순으로 나타납니다. 

C3 식물 < C4 식물 < CAM 식물