올해 상반기에는 생물학 공부를 했었다. 생각 이외로 생물 분야에도 가끔 트리즈의 원리와 연관된
내용이 보였는데 식물 분야에서는 그야말로 딱 들어맞는 사례가 있다.
식물에는 암반응이 존재한다. 이는 명반응에서 생성된 ATP와 NADPH를 이용하여 탄소를 고정시켜
포도당을 합성하는 과정을 뜻한다. 이러한 반응은 캘빈 회로를 통해 진행된다.
캘빈회로에서 탄소를 고정하는 단계는 다음과 같다.
6CO2 + 6RuBP -> 12PGA
이때, 이산화 탄소 고정에는 루비스코라는 효소가 간여한다. 이러한 탄소 고정단계는 대부분의 지역에서는 무리없이 잘 작동한다. 하지만 무덥고 건조한 날씨에서는 문제가 발생하게 된다.
문제 : 무덥고 건조한 지역에서 생장하는 식물은 내부 수분을 보존하기 위해 기공을 닫아야 한다.
기공이 닫히면 잎 내부의 이산화탄소가 감소하게 되고 그렇게되면 루비스코가 이산화탄소가
아닌 산소와 결합하게 되어 광호흡이 발생하게 된다. 이때 ATP 즉, 에너지를 소모하게 되어
포도당 생성을 할 수 없게 된다.
즉, 무덥고 건조한 날씨에서는 내부 수분을 보존하기 위해서는 기공을 닫아야 하고
포도당을 합성하기 위해서는 기공을 열어야 하는 물리적 모순이 발생한다.
해결책
1) C4식물 (공간적 분리)
루비스코 대신 PEP 카르복실화 효소를 이용해 이산화탄소를 고정한다. 루비스코는 산소와
이산화탄소 둘 다 친화성이 좋은 반면, PEP 카르복실화 효소는 이산화탄소에 대한 친화도는
우수한 반면 산소와의 친화도는 없기 때문이다.
따라서 대부분의 기공이 닫힌 경우라 할지라도 PEP 카르복실화 효소를 이용해 조금씩 유입되는
이산화탄소를 효율적으로 고정할 수 있다. 이렇게 고정한 이산화탄소는 공간적으로 분리되다시피
한 다른 부분으로 보내어 6CO2 + 6RuBP -> 12PGA 과정(캘빈 회로)을 거칠 수 있도록 한다.
http://faculty.southwest.tn.edu/rburkett/GB-1%20photosynthesis.htm
2) CAM식물 (시간적 분리)
사막과 같은 곳에서 생장하는 식물이 주로 활용하는 방식이다. 다른 식물과 반대로 낮에는 기공을
닫고 밤에만 기공을 연다. 밤에는 온도가 낮기 때문에 기공을 열어서 이산화탄소를 유기물 형태로
변환하여 액포에 축적시키고 낮에 명반응을 통해 생성된 ATP와 NADPH를 가지고 포도당을 합성
하는 방식을 취한다. 이러한 방식을 사용하면 포도당의 합성 속도는 느려지지만 어쨌든 생존은
가능하게 된다.
http://plantphys.info/plant_physiology/c4cam.shtml
[일반식물, C4식물, CAM식물 비교]
http://pages.uindy.edu/~sdavis/b165/lectures/photosynthesishandout.htm
