광합성의 빛과 그림자

 

잎들은 왜 모두 녹색일까?
답은 나뭇잎이 태양의 모든 빛을 흡수하면서도 유독 녹색만은 흡수하지 않기 때문이다. 잎에는 빛과 물과 이산화탄소를 이용해 에너지를 만드는 과정인 광합성 작용을 하는 엽록소가 있다. 엽록소에는 붉은 색 빛을 잘 흡수하는 것과 파란색을 잘 흡수하는 것 2종류가 있다. 광합성을 할 때 이용되는 것도 바로 이 두가지 빛이다. 즉 붉은 색과 파란색의 중간 파장을 지닌 녹색 빛은 반사되는 것이다. 이 때문에 잎들은 녹색으로 보인다. 사과가 붉게 보이는 것도 같은 원리이다. 사과의 표면에서 다른 빛은 모두 흡수되는데 파장이 긴 붉은 색만이 반사되기 때문이다.

 

인간의 눈으로 볼 수 있는 가시광선의 범위는 태양에서 방출되며, 파장은 390nm~700nm (nm은 나노미터로, 길이로는 10억 분의 1m)으로, 무지개의 색으로 이루어있다. 태양광은 아무런 색을 가지지 않지만 빛은 파장을 지니는 까닭에 우리 눈에는 색이 있는 것으로 보인다.. 우리 인간의 눈에 빛의 파장은 흔히 우리가 무지개 색으로 부르는 보라색으로 빨간색까지 일곱 가지 색깔로 구분된다.

 

 

 

▶ 가시광선(可視光線, Visible Rays)

 

태양의 UVA와 UVB 빛은 보이지 않는 빛의 범주에 한다. 우리는 이 광선을 볼 수 없지만, 낮 동안 존재하며, 피부의 건강과 외모에 절대적인 영향을 친다. 태양의 UVB는 화상을 일으키고, UVA는 더 깊은 손상을 일으켜 피부 탄력 저하와 같은 영향을 줍니다. 참고로, UVB 광선의 파장은 280nm에서 320nm 사이이며, UVA 광선의 파장은 320nm에서 400nm 사이이다.

엽록소는 태양광 가운데 650nm와 450nm에 해당하는 파장을 가장 많이 흡수한다. 이 구간은 파란색과 빨간색에 해당한다. 엽록소는 이들 태양광을 흡수해 에너지로 만드는 것이다. 그런데 엽록소는 이 가운데 초록색 파장(520~570nm)에 해당하는 구간(500~600nm)의 빛은 거의 흡수하지 않는다. 어떤 사물이 해당 색으로 보이는 이유는 해당 색깔의 파장을 흡수하지 않고 반사하기 때문이다. 이처럼 식물의 엽록소가 초록색 파장을 반사하는 까닭에 식물이 초록색으로 보인다. 이는 엽록소를 통한 광합성 작용 때문이라고 한다.

식물이 엽록체를 활용해 태양에너지인 빛에너지를 포도당 등으로 바꾸는 과정을 광합성이라 한다. 식물은 엽록체를 통해 포도당을 만들어 에너지로 사용한다. 엽록체는 포도당을 만들기 위해 빛에너지를 이용하는데 구체적으로 태양광을 이용한다. 이를 통해 수소가 나오고 산소는 방출된다. 식물은 이런 과정을 통해 에너지를 얻어 ATP라 불리는 물질을 저장한 뒤 사용한다.

 

그렇다면 엽록체는 빛에너지를 어떻게 포도당으로 바꾸는 것일까? 이때 등장하는 것이 엽록소인데요. 엽록소는 엽록체 안에 있는 색소이다. 엽록소는 사실 한 가지가 아니라 엽록소a, 엽록소b, 엽록소c, 박테리오클로로필a 등 유사한 화학 구조로 이루어진 여러 가지 색소를 이르는 말이다. 각각의 엽록체마다 갖고 있는 엽록소는 제각기 다르다. 조류는 엽록소c와 엽록소d를 갖고 있고 세균은 세균 엽록소로 불리는 박테리오클로로필 엽록소를 가지고 있다. 이들 엽록소들 가운데 엽록소a는 광합성을 하는 모든 식물이 가지고 있는 엽록소로 알려져 있다. 이 엽록소a가 식물을 초록색으로 보이게 하는 것이다.

형광등에는 가시광선이 있는가? 자외선 측정기로 측정한 결과 근자외선대역 파장(360nm - 400nm)은 거의 나오지 않으나, 가시광선의 청색 파장대(410nm - 460nm)가 많이 나오는 것으로 조사되였다. 전자기파(電磁氣波) 중에서 사람의 눈에 보이는 범위의 파장을 가지고 있는 것. 파장의 범위는 사람에 따라 다소 차이가 있으나, 대체로 380∼770nm이다. 단색광인 경우 700∼610nm는 빨강, 610∼590nm는 주황, 590∼570nm는 노랑, 570∼500nm는 초록, 500∼450nm는 파랑, 450∼400nm는 보라로 보인다. 대기를 통해서 지상에 도달하는 태양복사의 광량은 가시광선 영역이 가장 많다. 사람의 눈의 감도(感度)가 이 부분에서 가장 높은 것은 그 때문이라고 한다.

▶ 적외선(赤外線, Infrared Ray)

적외선은 가시광선이 빨.주.노.초.파.남.보 順으로 프리즘을 통해 나타날 때 빨강색 바깥쪽에 나타난다고 해서 적외선이라고 부른게 되었다. 태양이나 물체가 내는 복사열의 대부분은 이 적외선으로 이루어져 있으므로 적외선을 열선이라고도 한다.

적외선의 파장범위는 가시광선의 장파장 끝의 0.76∼0.8㎛를 하단으로 하고, 상단은 1mm정도까지이다. 적외선은 1800년에 허셀(F.W.Herschel)이 가시광선 스펙트럼의 끝보다 긴 파장쪽에 열효과가 큰 부분이 있음을 발견하게 되어 알려지게 되었고, 1835년 앙페르는 이것이 가시광선과 같은 종류의 광파임을 밝혀냈다.-

적외선의 구분은 일정하지 않다. 파장의 기준을 어떻게 정하느냐에 따라 차이가 있기 때문이다. 적외선은 거의 대부분이 고체에 흡수되어 버린다. 그러나 암염(NaCl)이나 칼륨염(KCl)은 적외선을 잘 투과시키는 성질이 있어 적외선용의 분광기에는 이들 물질로 만든 렌즈나 프리즘이 사용된다.-

적외선은 열작용 외에 사진작용이나 형광작용을 방해하기도 한다. 사진건판에 전등빛을 비춰주고 다음에 적외선을 비춰주면 그 부분만은 환원되지 않는다. 즉 현상해도 적외선이 비춰지지 않은 부분처럼 까맣게 되지 않는다. 또 어떤 종류의 형광물질에 빛을 비춰주고 다시 적외선을 비춰주면 적외선이 비춰진 부분만은 형광이 없어져버린다.-

적외선을 이용한 적외선 사진은, 눈으로는 안개 따위들 때문에 잘 보이지 않는 원거리의 경치등이 명확히 찍혀지는 특징이 있으므로 측량 등에 널리 사용되고 있다.-

▶ 자외선(紫外線, Ultraviolet Rays)

자외선은 태양광의 스펙트럼을 사진으로 찍었을 때 가시광선의 단파장보다도 바깥쪽에 나타나는 눈에 보이지 않는 빛으로 약 1백∼3천9백70Å에 이르는 파장으로 된 넓은 범위의 전자파를 말한다. 적외선을 열선이라 하는데 반해 자외선은 화학작용이 강하므로 화학선이라고도 한다.

자외선은 대부분 대기중의 산소, 오존, 수증기, 분진등에 의해 흡수되거나 산란되기 때문에 극히 적은 부분만이 지상에 도달한다. 피부가 자외선에 노출되면 그 화학작용으로 그을리게 된다. 그러나 다량의 자외선에 노출되었을 경우에는 자외선의 화학작용에 의해 신체조직이 변형되어 암을 유발하기도 한다.

그래서 실험실에서 실험동물의 돌연변이나 면역작용의 이상을 일으킬 때에 강한 자외선을 사용한다. 그러나 자외선이 반드시 나쁜 것만은 아니다. 자외선은 살균력을 가지고 있어 대장균, 디프테리아균, 이질균 등을 죽일 때 사용된다.

또한 구루병(비타민 D2결핍증)을 방지하는 작용도 있는데, 이는 체내에서 에르고스테롤(프로비타민 D2)이 자외선에 의해 비타민D2로 변하기 때문이다. 자외선은 X선의 장파장 끝인 10nm정도부터 4백nm의 파장을 가진 전자기파를 통칭하는 것으로 빛의 스펙트럼일 경우 보라색의 바깥쪽에 해당하므로 이렇게 부른다.

자외선이 가진 에너지는 분자를 해리 시켜 화학반응을 일으키거나 원자와 분자를 이온화 시키고 일부 전자를 들뜨게 하기에 충분한 정도의 크기이다. 물질에 따라서는 흡수한 에너지를 그 물질에 특유한 형광으로 내보내는데 형광등은 바로 이 성질을 이용한 것이다.

자외선이 갖는 강력한 광화학작용은 살균작용에 이용되며, 물리나 화학 연구 분야에서는 원자와 분자결정의 분광학적 연구에 필요한 광원으로 중요하게 사용된다.