★4.햇빛과 광합성_음지의 생존

햇빛과 광합성

출처: 수목생리장 (이경준 저)

4장. 햇빛과 광합성 

 

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4-1. 태양광선의 생리적 효과

 

 

 

태양광선 = 자외선 + 가시광선(빨,주,노,초,파,남,보) + 적외선 + 전파

햇빛 - 태양광선 중에서 인간의 눈에 보이는 가시광선(파장 340~760nm)을 가르키는 말

 

자외선은 대기권을 통과하면서 오존층에서 대부분 흡수되고

적외선은 탄산가스와 수분에 흡수된다.

대기권을 통과한 태양광선을 가시광선이 주종을 이루며,

녹색식물은 (인간의 눈과 마찬가지로) 가시광선 부근의 광선을 이용하여 광합성을 한다.

 

 

햇빛의 3가지 성질 (햇빛의 생리적 효과와 관련)

 

1) 광질 (light quality) 

--> nm(파장을 의미, 가시광선의 발주노초파남보)

- 나무가 빽빽하게 자라 있는 산림의 경우, 햇빛이 임관(canopy)을 통과하여 임상(forest floor)에 도달할 때, 광질(파장의 구성성분)은 변한다.

- 단풍나무 활엽수림 밑의 임상에는 (파장이 긴) 적외선이 주종을 이루며  (그림4-2) ... 가시광선이 (단풍 임상에서) 거의 모두 흡수된다는 의미

   (그늘, 음지도 이와 유사하리라 추정됨)

- 소나무 침엽수림 밑의 임상에는 가시광선의 스펙트럼이 골고루 분포한다. ... 가시광선이 하부까지 전달된다는 의미

 

 

2) 광도 (light intensity)

--> lx(빛의 세기를 의미)

- 광합성 속도에 큰 영향을 미치므로, 식물로 하여금 광도에 따라서 적응하도록 유도한다.

- 광도에 따라, 양엽과 음엽의 형태가 다르게 분화, 음수와 양수로 진화

 

- 광도가 감소하면 수목의 줄기에 비하여 뿌리의 생장량이 상대적으로 감소한다.

 

태양에너지가 식물에 미치는 영향 - 고에너지 광효과/ 저에너지 광효과

고에너지 광효과- 광도가 1,000lx이상에서 나타나 광합성을 가능하게 한다. (광합성은 광도 1,000lx이상에서 가능하다.)

저에너지 광효과- 광도가 100lx이하에서도 생리적 효과를 나타내는 데, 광주기나 굴광성 등은 저에너지 효과 때문이다.

 

 

3) 일장 (day lenght, 광주기)

- 낮과 밤의 상대적 길이

- 식물의 개화에 주용한 영향을 미친다.

- 산림에서 자라는 수목은 개화가 광주기에 반응을 보이지 않는 예가 더 많으며, 대신 광주기는 생장개시 및 휴면에 더 중요한 영향을 미친다.

 

 

 

4-2. 광주기

개화

줄기생장

휴면타파

낙엽

직경생장

지역품종

 

 

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4-6. 광합성

 

광합성(photosynthesis) = 유럽에서는 탄소동화작용(carbon assimilation) 이라고 한다.

 

1) 엽록소

광합성 과정에서 여러가지 색소가 관여하는데, 그중에서 가장 핵심적인 색소임

엽록소는 엽록체라고 하는 작은 크기의 소기관이 들어 있는 색소

엽록체의 구조는 (엽록소를 함유하고 있는 부분인) grana 와 (엽록소가 없는 부분인) srroma로 구분되어 있으며, 각각 광반응과 명반을을 담당

엽록체는 주로 녹색잎의 엽육세포에 들어 있으나, 어린가지의 수피와 어린 과일에도 들어 있다.

엽로소에는 여러가지 종류가 있으나, 목본식물의 경우에는 엽록소a(청록색) 와 엽록소b(황록색)가 주종을 이루고 있다.

 

 

2) 흡수스펙트럼(absorption) 과 작용스펙트럼 (action)

엽록소는 (인간의 눈과 마찬가지로) 태양광선 중에서 가시광선 부근의 햇빛을 주로 흡수

가시광선 중에서도 적색 부근과 청색 부근의 빛을 흡수하고, 녹색 부근을 반사하기 때문에 녹색으로 보인다.

 

엽록소a, 엽록소b의 흡수스펙트럼을 보면, 녹색 부근의 빛을 흡수하지 않고 반사하는 것은 유사하다.

하지만, 파장이 다른 빛을 비춰서 파장에  따른 광합성작용 효율을 조사해 보면, 적색광선과 청색광선 뿐만 아니라 녹색광을 비춰줘도 광합성을 효율적으로 실시하여, 작용스펙트럼이 엽록소의 흡수스펙트럼과 제법 다르다는 것을 알 수 있다.

따라서, 엽록소 이외의 녹색광을 효율적으로 흡수하여 광합성에 기여하는 색소가 존재함을 시사한다.

 

★  입장정리 -->

 

-잎이 녹색을 띠는 것은 엽록소가 가시광선중에서 적색과 청색 부근의 빛을 흡수하고, 녹색 부근을 반사하기 때문이다.

-목본 식물에서는 엽록소 중에서 엽록소a, 엽록소b가 주종을 이루고 있다.

-엽록소a, 엽록소b는 녹색부근의 빛을 흡수하지 않고 반사하지만,

광합성작용의 효율을 조사해 보면, 적색광선과 청색광선 뿐만 아니라, 녹생광선을 비춰줘도 광합성을 효율적으로 한다.

(즉, 아래 그림을 보면, 빨강색과 파랑색구간에서 광합성율이 높게 나타나는 것은 사실이지만, 전체적으로 광합성이 나타난다. 실내작물에 빨강색, 파랑색(LED)을 비춰주는 것은 그 구간에서 광합성이 가장 높기 때문에 선택하는 것이다.)

 

 

 

 

 

 

 

4-7. 광합성에 영향을 주는 요인

 

1) 광도

 

광보상점

- 암흑 상태에서는 식물이 호흡작용만을 함으로써 CO2를 방출한다. 암흑 상태에서 서서히 광도가 증가하면 광합성을 시작하면서 CO2를 흡수하기 시작하는데, 어떤 광도에 도달하면 호흡작용으로 방출되는 CO2의 양과 광합성으로 흡수하는 CO2의 양이 일치하게 되는데, 이때의 광도를 의미함.

- 광도가 광보상점 이상 되어야 식물이 살아갈 수 있다.

- 광보상점은 수종에 따라서 다르고, 잎의 종류(양엽, 음엽 등)나 온도에 따라 다르지만, 대개 양엽의 경우 전광의 약 2%인 2,000lx 가량 된다.

- 양수와 음수 간에 광보상점에 큰 차이가 있어서, 양수인 소나무는 음수인 단풍나무류보다 10배 가량 높은 광도에서 광보상점에 도달한다.

(소나무류는 다른 나무의 그늘(or 음지)에서 살 수 없지만, 단풍나무류는 그늘(음지)에서 살 수 있는 근거가 여기에 있다.)

--> 수종간에 광보상점이 다르기 때문에(양수는 높고, 음수는 낮다.)

 

 

 

광포화점

- 광보상점 이상으로 광도가 증가하면 광도가 증가하는 만큼 광합성량이 비례적으로 증가하다가,

어느 지점에 오면 광도가 증가해도 더이상 광합성량이 증가하지 않는 포화상태의 광도에 도달하는데, 이때의 광도를 광포화점이라고 함

- 광포화점은 수종과 잎의 종류에 따라 다르지만, 일반적으로 개개의 잎이나 작은 묘목은 전광의 25~50% 정도에서 광포화점에 도달한다.

- 여름철 맑은 날의 전광의 광도를 100,000~200,000lx라고 가정할 때,

사과나무 잎은 21,000~43,000lx (약21%) 에서 포화점에 도달하며, 배나무 잎은 53,000lx (26.5%이상)에서 광포화점에 도달한다.

소나무 전체를 기준으로 하면 광포화점은 80,000lx이상(40%)이 된다.

 

 

 

 

★ 입장정리 -->

  

음지(그늘)에서 나무의 생존가능 여부 판단은 

광도(lx)로 판단하며, 이는 광보상점의 개념을 적용하면, 쉽게 이해가 된다.

광도중에서도 전광에 대한 %을 해석해 보면 된다.

(즉, 양지에서 광도(전광)를 측정하고, 해당 음지에서의 광도를 측정해서, %(비율) 관계를 따져보면 된다.

단풍나무류는 3.4%, 스트로브잣나무 10.4%, 서양측백 18.6%, 사과나무류 21%, 소나무류 30%이상 되어야 생존가능하다.)

 

 

 

 

양엽과 음엽 

- 하나의 나무에 붙어있는 잎이라도 위치에 따라서 광도의 차이가 있다.

 

양엽(sun leaf)

- 높은 광도에서 광합성을 효율적으로 하도록 적응한 잎. 광포화점이 높다. 책상조직이 빽빽하게 배열되어 있으며, 증산작용을 억제하기 위해 큐티클층(cuticle층)과 잎의 두께가 두껍다.

음엽(shade leaf)

- 낮은 광도에서도 광합성을 효율적으로 하기 위해 잎이 양엽보다 더 널으며, 엽록소의 함량이 더 많고, 광포화점이 낮고, 책상조직이 엉성하게 발달하고, 큐티클층과 잎의 두께가 얇다.

(나무를 음지에 심으면 잎이 커지는 이유임)

 

 

양수와 음수

양수(shade intolerant tree) - 그늘에서 자라지 못하는 수종

음수(shade tolerant tree)   - 그늘에서도 자랄 수 있는 수종

햇빛을 좋아하는 정도에 따라서 구분하는 것이 아니라, 그늘에서 견딜 수 있는 내음성의 정도에 따라서 구분한 것임

(음수도 어릴 때만 그늘을 선호하며, 유묘 시기를 지나면 햇빛에서 더 잘 자란다. 모든 수목은 성목이 되면 햇빛을 좋아한다고 할 수 있다.)

 

과수류는 일반적으로 양수로 구분하지만, 무화과나무와 감나무는 사과나무와 밤나무에 비해 내음성이 약간 있다.

 

양수는 음수보다 광포화점이 높다.

광도가 높은 환경에서는 양수가 햇빛을 효율적으로 이용하여 광합성을 더 많이 함으로써 음수보다 생장속도가 빠르지만, 낮은 광도에서는 음수보다 광합성량이 저조하다.

 

음수는 광포화점이 낮기 때문에 높은 광도에서는 광합성 효율이 양수보다 낮으나, 낮은 광도에서는 광합성을 효율적으로 실시함과 동시에 광보상점이 낮고 호흡량도 적기 때문에 그늘에서 경쟁력이 양수보다 높다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2) 기후요인

 

 

 

3) 탄산가스

 

 

 

4) 수종과 품종