생명의 시작, 광합성

생명의 시작은 광합성이다. 태양의 내부에서 수십만년을 힘들게 여행하면서 빠져나온 광자는 8분동안 우주 공간을 자유롭게 날아온 후, 지구위의 녹색 존재의 손바닥에 내려앉는다. 광자의 에너지는 물분자를 분해하여 산소로 만들고, 양성자와 전자를 방출한다. 이 뜨거운 전자는 호흡과정과 유사한 전자 전달계를 통과하면서 NADP를 NADPH로, ADP를 ATP로 충전시키고 (명반응) 그것들은 다시 대기중의 이산화탄소(CO2)를 포도당으로 합성하게 한다 (암반응, Calvin cycle)

포도당을 합성하는 동화작용(anabolic)에서는 NADP가 포도당을 사용하는 이화작용(catabolic)에서는 NAD가 사용된다. NAD와 NADP의 차이는 NAD에 인산기 PO3가 붙어있느냐 없느냐의 차이일 뿐, 왜 광합성과 호흡에서 서로 다른 전자전달 택배회사를 이용하는지 알 수 없다.

 

태양에너지를 받아들이는 안테나는 Chlorophyll이다. 가운데 마그네슘이 있고, 4개의 질소가 주변을 둘러싸고 있는 분자이다. 생물체에 마그네슘이 존재함이 최초로 발견된 것이 이 엽록소이다. 이러한 다양한 모습에서 절묘한 정교함을 느낄 수도 있고 절묘한 우연을 느낄 수도 있다. 진화론자들은 눈은 눈이 되기 위해서 만들어진 것이 아니라고 얘기한다. 진화 단계의 이상한 단백질 덩이리가 생겼고, 그것은 눈이라는 기능을 하게 된 것이다.. NAD, NADP 딱히 그 둘이 필요할 것 같지도 않은데 있는 것처럼 말이다.

 

파장 680nm의 가시광은 P680 클로로필(엽록소)을 때린다. 이것은 클로로필의 전자의 에너지 상태를 양자적으로 jump 시킨다 (뜨거운 전자가 생긴다). 이 뜨거운 전자는 옆에 있는 페오피틴(pheophytin)이라는 분자에게 전달된다 (pheo는 다시 옆의 플라스토퀴논에 전달한다). 이제 전자를 잃어버린 P680(P680+)은 전자에 대한 강한 식탐(자연계에서 가장 강한 산화제라고 나온다)을 보이며 물분자를 산화시켜서 전자를 보충한다. 물은 산소와 양성자, 전자로 분해된다. 아래 그림을 보자.

 

 

 

이제 이 뜨거운 전자는 호흡과정에서 이미 살펴본 전자전달계 (ETC, electron transport chain)를 거치면서 양성자 농도차이를 생성하고, 그것을 이용하여 ATP를 충전시키고, NADP를 NADPH로 환원시킨다 (산화는 전자나 수소를 잃어버리는 것, oxidation이고, 환원은 전자나 수소를 획득하는 것, reduction이다. 헛갈리니 반복학습).

 

광합성은 photosystem II와 photosystem I으로 2단계로 진행된다. II에서는 P680이 680nm의 파장으로 전자를 여기시키고, I에서는 다시 이렇게 전달된 전자를 한번 더 P700이 700nm의 광자로 에너지를 높인다. 이것들이 다시 ETC를 통과하는 2단계로 진행된다. 보통 한번 말해서 잘 알아듣지 못한다. 적당히 때리고, 방심하고 있을 때 또 때려야 정신을 차린다. 

 

 

이 전체 과정을 광합성 명반응이라고 부르며 전체적인 화학식은 아래와 같다. 호흡도 크게는 해당/크렙스 회로와 전자전달계로 이루어져 있듯이, 그리고 전반부에는 주로 NAD라는 트럭에 전자와 수소를 싣는 것이 목적이었듯이, 광합성의 명반응도 주 목적은 암반응에서 글루코스(포도당)을 만들기 위한 ATP, NADPH의 생성이 주목적이다.

 

지금까지는 사실 포도당을 일도 만들지 못하였다. 실제로 포도당(glucose)의 생성은 암반응에서 Calvin cycle을 통해서 이루어진다. 대기 중의 이산화탄소, CO2가 포도당으로 변화되는, 공기가 빵으로 바뀌는 기적이 발생하는 것이다. 아래 그림이 캘빈싸이클이다. 3개의 CO2가 공기중에서 흡입되면, 9개의 ATP와 6개의 NADPH를 사용하여 1개의 G3P(glycealdehyde3phosphate)을 생성한다. G3P 2개를 모으면 이전에 얘기한데로 포도당이 생성된다. 즉, 6개의 이산화탄소 기체를 받아들여 포도당 한 분자를 생성한다.

 

사실 광합성이 그렇게 효율적인 방식은 아닐 수 있다. 수신된 광자들의 전체 에너지 중 약 5%만이 실제 포도당으로 합성된다. 일단, 사용하는 빛의 파장대도 제한되어 있기 때문이다. 생명은 생명활동에 꼭 필요한 만큼의 에너지를 사용할 뿐이다. 이제까지 말한 전체 내용에 대한 요약도이다. 

 

 

생명이란 무엇인가… 태양 에너지의 공급으로 인한 분자들의 연쇄 반응… 그것이 생명이다. 태양 에너지의 지속적인 공급으로 인한 열적 불평형 상태가 생명의 시작인 것이다. 현재까지 관측된 바로는 지구 상에서만 관찰되는 특이한 현상이다. 물론 이것으로 부터 신이 인간만을 위해서 이렇게 불필요하게 큰 우주를 만들고, 이렇게 많은 종류의 불필요한 생명의 탄생과 소멸을 만들었다고 생각하는 것은 신화적 상상력일 가능성이 높다고 개인적으로 생각한다.