마티스(Mathis): 잎은 왜 초록색일까?(Pourquoi les feuilles sont-elles vertes? 2003)

[마실가]

잎은 왜 초록색일까? Pourquoi les feuilles sont-elles vertes? 2003

폴 마티스, 김성희, 민음IN 008, 2006, P. 70

-폴 마티스(Paul Mathis, s.d.) [프랑스 국립농학원 박사, 원자력연구위원회 광합성 연구소..]

- 번역: 김성희, 부산대 불어교육과 동대학원 졸업/

- 감수: 이재열, 서울대 농생물학과 졸업, 독일 기센대학 박사. 경북대 미생물학과교수

*초록색 잎은 엽록소의 빛의 일부를 이용하고 파장이 짧은 녹색계열을 반사하기 때문이다. 간단히 말하면 그렇다. 엽록소를 이루고 있는 것은 단백질 분자이고, 그 단백질을 이루고 있는 것은 아미노산(un amino-acide)이다. 아미노산은 탄소의 연쇄고리로 이루어져 있다. 정확하게는 탄산기(groupe carboxyle –COOH)와 아미노기(un groupe amine –NH2)로 이루어져 있는 아미노산이 탄소(C)를 기준으로 연쇄되어 있다.

진화론 상으로, 아미노산이 어째거나 전달핵산(ARN)과 정보핵산(ADN)의 연쇄고리를 만들었다. 이것이 식물계통에서 먼저이라는 것을 - 정확하지는 않지만 - 인정하고 있다. 그런데 이 초기 아미노산의 연쇄에서 생긴 단백질이 자기를 복제하는 단백질을 만들었다면 식물의 원조로 생각해야 할 이유가 없을 것 같다. 즉 그 단백질이 식물에 속하는 동물에 속하는 지는 나중에 시물과 동물이 분류되고 나서 결과론으로 설명한 것이다. 이 만들어진 것은 기획(계획, 목적)이 있는 것이라고 하는 것도 어어 불성설이다. [ADN: adénine (A), thymine (T), guanine (G) et cytosine (C) / ARN; adénine (A), uracile (U), guanine (G) et cytosine (C)]

만들어진 복사물과 만드는 복사물의 기체는 움직임이기에 생명은 움직임이 먼저일 것이다. 물론 이렇게 말할 것이다. 움직임 전에 아미노산을 이루는 탄산기는 움직임이 아니지 않는가라고 대꾸할 수도 있다. 그런데 두 가지 방향으로 대답할 수 있을 것이다. 하나는 그래 겉보기에 탄산기는 움직이지 않는 무기물이며, 움직임은 만든 것은 단백질 덩어리이다. 그래서 덩어리로부터 생명이라고 한다. 그전에는 생명이 아니지 않는가. 생명은 움직임이다.. 다른 하나는 좀 더 세부적으로 내면적으로 들어가서 그 분자들 자체가 움직이고 있지 않는가 얼마나 많은 운동 즉 3조의 진동을 하고 있지 않는가. 운동이 먼저다.

이 책은 바칼로레아 시리즈 006 󰡔우리는 어떻게 볼까?(Comment voyons-nous? 2005)󰡕(실비 쇼크롱 와 크리스티앙 마랑다즈, 김성희, 민음IN, 2006), 007 󰡔바다는 왜 파랄까?(Pourquoi la mer est-elle bleue?, 2002)󰡕(피에르 라즐로, 김성희, 민음IN, 2006) 008 󰡔잎은 왜 초록색일까?(Pourquoi les feuilles sont-elles vertes? 2003)󰡕폴 마티스, 김성희, 민음IN, 2006) 순으로 읽는 것이 좋다.

(47VLA)

*** 내용

차례 5

󰋮 질문: 잎은 왜 초록색일까? 7

“잎 초록색인 것은 초록색 색소가 들어 있기 때문이며, 그 중 대표적인 것이 엽록소이다” (7)

- 잎은 왜 모두 똑같은 색깔을 가지고 있지 않은가? (8) [잎이 꽃으로 변형되었다는 설은 맞는가?]

‘녹색연합’ ... ‘녹색에너지’ .. ‘녹색혁명’ ... ‘그린 벨트’ .. 등 녹색[푸른]이 쓰인다. .. 정원사가 .. 식물을 키우는데 재주가 있다(avoir la main verte) (8-9) [파란은 청색으로 푸른은 녹색으로 구분이 될까?]

광합성에 대한 공부가 끝나면, 잎이 봄에 연한 초록색이었다가 가을이 되면 빨간색이나 노란색으로 변하는 이유가 무엇인지, 또 바다에서 자라는 해조류(미역, 김 등)에서 볼 수 있는 색깔의 차이는 왜 나타나는 지.. (10)

1. 잎 속으로 떠나는 여행 11

- 작은 초록색 럭비공 13 / 엽록체 15 / 엽록소 19

유조직(柔組織, parenchyme) [그리스어 파랑케오(παρεκχέω/parenkheô, épancher auprès; para = à côté, et egkheô = répandre). - épancher: 흘러나오다. 발산하다.]

식물세포 속에는 .. 세포핵 .. 세포액으로 가득한 액포라는 조직:(내용물은 당 염류 유기산, 단백질, 색소 등), .. 미토콘드리아, .. 녹말입자 .. 이들 중에서 초록색은 하나도 없다. 초록색은 럭비공 모양을 한 5마이크로미터 크기의 작은 알갱이에 국한되어 나타나는데, 그것이 바로 엽록체[le chloroplaste]이다. (14)

광학 현미경으로는 초록색 럭비공모양의 엽록체만을 볼 수 있고.. 전자현미경으로 엽록체의 내부구조를 알 수 있다. (15-16)

엽록체의 외부는 .. 두 겹으로[외막과 내막] 싸여 있고, 내막은 생체분자로 이루어진 걸쭉한 액체인 스트로마(stroma)를 둘러싸고 있으며, 스트로마에는 얇은 원판 모양의 막으로 된 주머니들인 틸라코이드(thylakoid)가 겹겹이 쌓여서 그라나(grana)를 이룬채 떠 있는 것을 볼 수 있다. (16-17)

분리된 단백질은 대부분 색깔이 없는데, 두 종류는 선명한 초록색을 띤다. ‘안테나 복합체’와 ‘반응중심 복합체’라고 불리는 것들이다. .. 대략 아미노산 백 여개가 결합하여 단백질 하나를 이룬다. (18)

단백질은 두 가지 주요한 특성이 있다. 하나는 원자들이 나노미터 단위로 일정하게 정렬되어 있는 그 구조이고, 또 하나는 아주 다양한 생화학적 반응을 가증하게 해 주는 그 기능이다. 이렇게 생화학적 반응을 일으킨다는 점에서 볼 때 단백질은 효소(酵素, l'enzyme)에 해당한다 (18) [구조와 기능은 하나의 단위체 속에서 두 가지 속성이라 할 수 있다. 하나는 너비적 의미를 다른 하나는 운동적 의미를 지닌다]

크로마토그라피(la chromatographie): 색층 분석..

엽록소(La chlorophylle, 1816년에 사용) 그리스어(χλωρός / khlôrós, « vert »)와 (φύλλον / phúllon (« feuille »)의 합성어이다.

엽록소는 생체분자이다. .. 대표적 생체분자로는 혈액의 기본 성분인 헤모글로빈을 들 수 있다. 혈액이 빨간 것은 바로 헤모글로빈 때문이다. 헤모글로빈은 한 가운데에 철이 놓여있다는 것을 제외하면 엽록소와 분자구조가 거의 똑같다. 한편 엽록소a 와 엽록소b는 매우 비슷한 화학구조를 가지고 있다. (22)

잎이 초록색으로 보이는 것은 엽록소a 와 엽록소b, 그리고 카로티노이드의 혼합에 의한 것이다. (23)

2. 색깔이란 무엇인가? 25

- 왜 어떤 분자들은 색을 띠고 있을까? 27 / 분자는 왜 선택적으로 빛을 흡수할까? 34

우리는 빛을 전자기파로 볼 수도 있고, 광자[光子, 광자, photon]라는 입자가 모여 있는 것으로 볼 수도 있다. (27) -역주: 파동과 광자 이를 한가지 현상의 두가지 특징으로 이해해서는 안 된다 이는 한 가지 현상을 동시에 두 가지로 설명한 것일 뿐이다.(28) [빛의 이 두 가지 현상, 아니 효과를 이중화라고 부를 수는 없을까? 마주치는 측면에 따라 다른 효과의 발생이 아닌가? - 의식이 현재에서 일으키는 이중화 현상과는 다르다. (47VKG)]

빛은 공간을 가로질러 퍼져나가는 진동현상의 하나이고 ... 전파속도, 진동수, 파장 등 세 가지 매개 변수를 특징으로 한다. (28)

인간을 비롯한 포유동물의 망막에는 레티넨[le rétinène]이라는 색소가 있는데, 그것은 옵신과 결합하여 세 가지 다른 방식으로 로돕신[la rhodopsine, 파랑, 초록, 빨강]이라는 단백질을 이룬다.(32) [물리학자는 광자의 에너지 또는 파장에만 관심이 있고, 인간의 눈은 색깔을 구분한다. 색깔은 주관적이라 할 수 있다.]

엽록체 하나에도 대략 6억 개의 엽록소 분자가 들어 있다는 사실을! (34)

󰋮분자는 왜 선택적으로 빛을 흡수할까? 34

[물 분자가 왜 파란 색으로 보일까에 대해 󰡔바다는 왜 파랄까?(Pourquoi la mer est-elle bleue?, 2002)󰡕(피에르 라즐로, 김성희, 민음IN, 2006. P. 63)에서 잘 설명한다. 공명이다. 들뢰즈의 공명도 이러하지 않겠는가?]

빛을 파동으로 보면 빛의 진동수와 분자의 고유 진동수와 일치하는 경우 빛은 분자와 공명 상태에 들어간다. 즉 그러한 공명 조건에 일치하는 빛만 분자에 흡수되는 것이다. 빛을 광자로 보면, 분자를 바닥상태(안정 상태)에서 들뜬 상태(불안정 상태)로 옮겨가게 하는 에너지와 빛의 에너지가 일치할 경우 빛은 그 분자에 흡수될 수 있다.(35)

광자가 분자를 자극하면 어떤 일이 벌어질까? .. 분자에서는 다음과 같은 세 가지 상황이 일어날 수 있다. / 첫째 분자는 광자를 다시 방출할 수 있다... 물질이 광자의 자극에 의해 빛을 내는 이 현상을 ‘형광’[une fluorescence]이라고 부른다. / 둘째 자극은 받은 분자는 빛을 다시 방출하지 않고 바닥상태로 돌아갈 수도 있다. 대신에 초과에너지는 모두 불규칙 운동, 즉 열로 바꾸어 놓는다. 검은 물체가 햇빛을 흡수했을 때 바로 이런 현상이 발생한다. 따뜻해지는 것 말이다. / ..셋째 현상은 아주 드물게만 발생하는데, 바로 화학 반응을 하는 것이다. .. [빛이 눈에 망막에 부딪혀 신경계에서는 화학작용이 일어난다] (37)

형광현상이나 열 변환 현상은 약 10억분의 1초만에 이루어진다. 따라서 유익한 화학반응은 그 보다 훨씬 더 짧은 시간에, 즉 10억분의 1초의 10분의 1도 안되는 시간 안에는 이루어져야 한다는 말이다. ...그 화학반응의 이름은 바로 광합성이다. (38) [눈의 신경계에서 화학작용과 유사한 화학반응이 엽록소의 ‘광합성’[l'assimilation chlorophyllienne, = photosynthèse)인 셈이다. 나로서는 상사 운동[상사공명]이 시각신경계와 엽록소의 광합성에서 이루어지고 있다고 표현하고 싶다. 진화론에서 눈의 발생의 여러 가지 현상은 상사운동이 아닐까? (47VKI)]

3. 광합성이란 무엇인가? 39

- 광합성이란 무엇인가? 41 / 색소는 어떤 일을 할까? 43 / 포도당은 어떻게 만들어질까? 48

광합성이란 잎이 빛의 광자 에너지를 이용해서 식물이 자라도록해주는 분자를 만들어 내는 것을 말한다. (41)

광합성이라는 기계가 잘 돌아가려면 무엇보다도 먼저 광자를 최대한 많이 흡수해야 한다. 안테나 복합체가 하는 역할이 바로 그것이다. (43)

안테나 복합체는 색소로 가득 찬 단백질이다. ..엽록소a가 7개, 엽록소b가 5개, 카로티노이드 3개가 들어 있다. (43)

반응중심 복합체 역시 단백질인데, 안테나 복합체에 비해 크기가 크다. 여기에는 엽록소a가 40개, 엽록소b는 하나도 없으며, 카로티노이드 8개 정도 들어 있다. 40개 엽록소a 가운데 2개가 아주 특수한 역할을 맡는다. P라 불리는 그 특별한 엽록소a 한쌍은 샌드위치 모양으로 바짝 붙어서 ‘전자운반체’라고 불리는 서로 다른 화학성질을 가진 두 가지 분자들, 즉 전자 공여체D와 전자 수용체A에 둘러싸여 있다. (44-45). [프랑스어로(nicotinamide adénine dinucléotide phosphate, NADPH) ]

그런데 엽록소a는 안테나 복합체에도 들어있고 반응중심복합체에도 들어있는데, 왜 화학반응은 반응중심복합체에서만 일어나고 안테나 복합체에서는 일어나지 않는 것일까? 화학적인 면에서 볼 때 완전히 똑같은 분자인데도 말이다. 그 답은 단백질 구조의 차이에 있다. (45-46) [구조의 차이는 결합의 방향(위치)의 차이에서 오는 것이다. 외부를 담당하는 측면이 어느 분자가 담당하는가에 따라 다르다. 결국 생산하는 기계인 소집단도 마찬가지이고 정부도 마찬가지 일거다. 사회체라는 기계가 뭉치는 방식(방향)에 따라 정당도 다르다. (47VKI)]

(아마 안테나 복합체가 없었다면 일반조건에서 P[Ph 양성에너지?]는 1초에 1번 정도밖에 기능하지 못했을 것이다. 하지만 안테나 복합체 덕분에 P는 1초에 100번까지 광합성기계를 돌리고 있다) 인류도 필요에 맞는 크기의 안테나 복합체를 만들어서 태양에너지를 사용할 수 있는 날이 올까? (47)

최초의 질문과 관련지어 생각해 보면, 결국 잎의 색깔을 결정하는 것은 바로 안테나 복합체이다. ... 극단적으로 말하면 광합성을 하는 데에는 엽록소a만 있으면 된다고 생각할 수도 있다. 엽록소b와 카로티노이드는 ‘보조 색소’에 지나지 않는다.(47-48)

물론 카로티노이드의 경우, 그 보조적인 역할 말고 중요한 기능도 수행한다. 빛의 양이 지나치게 많을 때 발생할 수 있는 피해로부터 엽록체를 보호하는 것이다. 이 문제는 의학적인 활용도가 높기 때문에 중요하지만 이 책의 주제에서 벗어나는 것이므로 자세하게 다루지는 않겠다. (48)

반응중심복합체에서 DPA... 두 가지 주요한 반응이 일어난다. .. / 첫째, 엽록체 안에 있는 물 분자가 분열하고, 그 결과 산소(O2)가 생성된다. .. / 둘째 반응이란 공기 중에 있는 이산화탄소(CO2)를 흡수하여 유기분자로 바꾸는 것이다. (48-49)

엽록체가 이산화탄소를 흡수하여 생성하는 유기분자로 가장 중요한 것 중 하나가 포도당[un glucose]이다. 포도당은 식물이 다른 생체분자들 만들 때 반드시 쓰인다. (49)

포도당은 녹말[un amidon]이라는 저장물질로 바뀌어 알갱이 형태로 엽록체 안에 쌓인다. 그러다가 광합성이 약해질 경우, 특히 밤처럼 광합성이 전혀 일어나지 않을 때 녹말은 설탕[un saccharose, en. sucrose]같은 단순 당으로 분해되며, 엽록체에서 호출되어 식물이 필요한 곳에 사용된다. (50)

4. 가을엔 왜 단풍이 들까? 51

- 단풍은 왜 생길까? 53 / 식물의 색은 왜 모두 다를까? 59 / 식물의 색깔을 바꿀 수 있을까? 60

대체로 작은 크기[새싹, 흰색 노란색]를 보이는 잎은 엽록소가 아니라 엽록소의 전구체(前驅體, le précurseur), 즉 원(原)엽록소를 가지고 있다. 원엽록소는 광자에 의해 발생하는 화학반응을 통하여 엽록소로 바뀐다. .. 잎의 성장과 함께 .. 진한 초록색으로 바뀐다. (53-54)

늦봄의 길어진 낮은 꽃을 피우게 하는 호르몬 신호를 보낸다. 늦여름 짧아진 낮은 다른 호르몬 신호를 보내는데... 이러한 현상은 두 가지 색소인 ‘피토크롬’과 ‘크립토크롬’ 때문에 생긴다. (54)

가을로 접어들면서 잎에 가장 먼저 나타나는 변화는 엽록체가 노화 엽록체로 바뀌는 것이다. .. / 첫째 엽록소를 잃은 단백질이 불안정한 상태가 되어 아미노산으로 분리된다. .. / 둘째로 엽록소 자체가 파괴된다. .. 효소들은 엽록소를 색깔이 없는 단순한 물질로 차근차근 바꾸어 놓는다. (56)

그렇다면 단풍의 원인은 무엇일까? .. / 첫째 엽록소의 파괴로 인하여 카로티노이드의 노란색이 드러나기 시작한다. .. / 둘째, 가을이 되면 많은 식물의 잎이 안토시안[화청소花靑素 en. anthocyan, fr. ??]을 대량으로 합성해 낸다. ... 셋째, 많은 식물에서 볼 수 있는 복잡한 분자인 타닌 때문이다. (57)

가을이 되면 잎은 분명한 목적이라도 있는 것처럼 안토시안을 만들어낸다. .. 최근에 나온 가장 그럴듯한 설명은 진딧물을 쫒아내기 위해서라는 것이다. 진딧물이 강렬한 색을 때는 잎을 싫어하니까 말이다. (58) [이런 이야기는 TV 기록물에서 많이 나온다.]

상록수라고 불리는 그 나무들은 추운 날씨에도 얼지 않고 광합성을 할 수 있게 해 주는 특수 주직을 가지고 있다. (59)

반대로 빛 한가운데 자라는 식물은, 특히 높은 산에서 자라는 식물은 빛이 너무 많아서 고통을 겪기 때문에 안토시안을 만들어낸다. (60)

[빨간 색의 잎을 ..] 그 식물에는 안토시안의 생성을 촉진하는 효소를 이루는 유전자가 강하게 나타나 안토시안 분자가 많아진 것이라고 할 수 있다. 오래전부터 실험되고 있는 유전자 조작 과일의 경우도 이와 마찬가지이다. (61)

[붉은 양배추의 경우] .. 안토시안이라는 장식적인 색소가 빛의 상당부분을 흡수해 버렸을 테니까 말이다. 하지만 이것은 어디까지나 예상이 그렇다는 것이고, 정확하게는 아무도 모른다. (61-62) [아직도 아는 것보다 모르는 것이 더 많다...]

5. 잎은 왜 꼭 초록색이어야 했을까? 63

- 바다 식물은 왜 초록색만이 아닐까? 65 / 육지 식물은 왜 초록색으로 진화했을까? 67

해조류는 그렇지 않다[녹색이 아니다]. .. 초록색(녹조류)[les algues vertes], ..빨간색(홍조류)[les algues rouges], ... 갈색(갈조류).. (65)

녹조류에는 육지 식물의 잎과 유사한 한테나 복합체가 있는 반면, .. 갈조류 경우에 그 안테나에는 카로티노드가 많이 들어 있는데, ...홍조류의 경우에는 완전히 다른 안테나 복합체가 들어 있다. ‘피코빌리프로틴’[phycobilines] (65-66) , ,

식물의 진화에 대해서는 정확하게 알려져 있지 않다. 해조류가 입을 가진 식물보다 먼저 나타난 것은 거의 확실하다.

[육지 식물의 다양한 종에서] 홍조류에 볼 수 있는 피코빌리프로틴이라는 특성을 얻게되는 일은 없었다./ 왜 그랬을까? 글쎄, 진화의 수수께끼 같은 것이라고 할 수 있을까? 어떤 순간 예측할 수 없는 방식으로 새로운 특성을 가지게 되는 능력이 생명체에게 있는 지는 알 수 없는 일이다.(68-69)

* 더 읽어 볼 책들

- 이흥우, 󰡔엥겔만이 들려주는 광합성 이야기󰡕(노트포함), 자음과모음, 2005.10.20 [1883년 독일 생리학자 엥겔만(Theodor Wilhelm Engelmann, 1843-1909)은 실험을 통해 백색광을 구성하고 있는 여러 파장의 빛 중 광합성에 주로 이용되는 파장(les ultraviolets)의 빛을 알아냈다.]

* 논술. 구술 기출 문제

(47VLA)

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