생물의 에너지원인 광합성, 영양섭취, 화학합성

생물의 에너지원

생물의 에너지원인 광합성

생물의 에너지원인 광합성은 어떻게 이루어질까요? 빛은 파동이라는 모양으로 전달되며 진동수와 파장과 같은 모든 파동의 속성을 보여줍니다. 그러나 빛은 물질과 만나면 파동이 아니라, 입자의 특징을 나타냅니다. 일정량의 에너지를 갖는 빛의 입자를 광자라고 합니다. 적외선과 같은 장파장의 빛은 가시광선이나 자외선과 같은 단파장의 빛보다 적은 양의 에너지를 가집니다. 적외선은 생물의 온도조절에 필수적입니다. 이것은 물질에 대한 적외선의 작용으로 물질 전체 분자의 운동을 증가시키기 때문입니다. 또한 이것은 물질의 온도 증가로 나타납니다. 하지만 적외선은 광합성을 일으킬 만큼 충분한 세기의 에너지를 가지고 있지 않습니다. 햇빛 스펙트럼의 다른 한쪽에 나타나는 자외선의 경우 많은 유기물의 탄소결합을 끊을 수 있는 충분한 양의 에너지를 가지고 있습니다. 자외선은 유기물 간의 결합을 끊을 수 있기 때문에 광합성을 하는 생화학적 기구 복합체를 파괴할 수도 있습니다. 이러한 양 극단 "사이에" 있는 가시광선을 광합성 활성 복사(PAR)라고 합니다. 파장이 400~700nm사이 인 PAR은 광합성에서 광의존성 반응을 하기에 충분한 세기의 에너지를 가지면서 유기물을 파괴하지도 않습니다. PAR은 해수면에서 햇빛 스펙트럼 에너지의 약 4%를, 적외선은 53%를, 나머지는 자외선이 차지합니다. 생태학자들은 PAR을 광자흐름의 밀도로 측정합니다. 광자유량밀도는 단위시간당 단위 면적을 통과하는 광자의 수입니다. 광자유량밀도를 측정하는 것은 생태학적으로 의미가 있는데 이는 엽록체가 빛을 광자형태로 흡수하기 때문입니다. 광합성 동안 식물, 조류, 세균의 광합성 색소는 광자를 흡수하고 그 에너지를 전자로 전이시킵니다. 이어서 전자에 의해 수송된 에너지는 ATP나 NADPH를 합성하는 데에 사용됩니다. 이 분자들은 당을 합성하기 위해 전자와 에너지를 내놓게 됩니다. 이러한 경로로 광합성 생물은 햇빛의 전자기 에너지를 고에너지 유기분자로 전환시키며, 대부분의 생물권에서 생물의 먹이원이 됩니다. 광합성 생물에서 특정 생화학 경로를 통해 이러한 에너지 전환이 일어나게 됩니다. 광합성생물들은 태양에너지와 탄소를 유기분자에 저장합니다. 광합성 생물과 다른 독립영양생물은 유기분자에서 에너지와 탄소를 얻는 생물들에게 진화의 길을 열어주었습니다. 그리고 이러한 새로운 영양단계가 정말로 출현하였습니다.

영양섭취생물

영양섭취생물인 종속영양생물은 탄소와 에너지 모두 유기분자에서 얻습니다. 그들은 궁극적으로 독립영양생물의 탄소와 에너지 고정에 의존합니다. 종속영양생물들의 섭식방법은 다양하게 진화하였습니다. 그 중 중요한 3개의 범주인 식물을 먹고사는 초식동물, 주로 식물의 잔해물인 죽은 유기물을 먹고사는 잔재물섭식자, 동물을 주로 먹고사는 육식동물이 있습니다. 먼저 초식동물은 먹이를 먹을 때 영양적인 면에서 상당한 문제에 직면하게 됩니다. 초식동물은 식물의 물리화학적 방어수단을 극복해야 합니다. 식물의 물리적 방어수단으로 쉽게 인식되는 가시는 일부 초식동물이 그 식물을 먹지 못하게 하거나 덜 먹게 합니다. 식물은 더 미세한 방어수단을 다양하게 가지고 있습니다. 풀은 많은 양의 연마용 이산화규소를 조직에 가지고 있어 섭취가 용이하지 않습니다. 그래서 초식동물 중 특정 치아를 갖는 동물만이 섭취가 가능합니다. 많은 식물의 조직에는 적지 않은 셀룰로오스나 리그닌이 들어 있어 단단하며 섬유질의 섭취가 쉽지 않은 잎을 생성합니다. 거의 모든 동물들은 셀룰로오스나 리그닌을 소화시키지 못합니다. 이것을 소화시키는 동물은 거의 소화기관에 서식하는 박테리아, 균류 또는 원생생물의 도움을 받습니다. 식물에서 셀룰로오스와 리그닌은 초식동물에 대한 1차 화학적 방어기작입니다. 하지만 어떠한 방어기작도 완전한 것은 없습니다. 대부분의 식물 방어기작이 통하는 초식동물은 몇몇 종류일 뿐 모두에게 통하지 않습니다. 예를 들어, 담배는 알칼로이드계 독소인 니코틴을 사용하여 초식성 곤충이 먹지 못하게 합니다. 곤충의 대부분은 니코틴을 먹으면 죽습니다. 그러나 어떤 곤충은 담배의 니코틴 독성을 피하는 기작을 생성하였습니다. 간단하게 니코틴을 배설하는 곤충이 있는 반면, 어떤 곤충은 독성이 없는 분자로 변환시킵니다. 식물의 방어기작과 이를 극복하는 초식동물의 적응은 매우 복잡하게 얽혀있습니다. 또한 죽은 식물의 일부인 잔재물을 먹고사는 잔재물섭식자는 에너지와 양분을 찾는 과정에서 초식동물과 비슷한 문제를 가지는데 이 생물체들이 섭취하는 음식은 탄소와 에너지는 풍부하나 질소는 적은 것들입니다. 육식동물은 포식자가 피식자를 섭취하는데, 포식자는 영양이 풍부하나 잘 도망가고 방어기작이 발달한 먹이를 잡아먹습니다. 이 때문에 포식자와 피식자는 공동진화를 하였습니다. 이러한 과정에서 포식자는 방어가 적은 개체를 제거했고, 피식자의 방어 수준은 높아졌습니다. 방어기작의 수준이 높아질수록 약한 포식자의 자손은 점점 줄어들었습니다. 따라서 포식동물의 사냥기술을 더 진화하게 되고, 피식자 개체군은 더 강한 자연선택을 받게 됩니다. 

화학합성

화학합성으로 살아가는 생물들에 대해 이야기 합니다. 1977년에 과학자들이 일상적인 탐구를 하던 중에 갈라파고스 단층에서 획기적인 결과를 가져올 현상을 관찰하게 되었습니다. 이 발견은 생물권의 구조에 대한 그 시대의 관점을 바꿔놓았습니다. 생태학자들은 해양생물에 제공되는 에너지는 거의 광합성으로 이루어진다고 여기고 있었습니다. 그러나 어떤 과학자들이 우연히, 완전히 다른 에너지원인 화학합성에 의해 에너지를 얻어 유지되는 세계를 관찰하게 되었습니다. 그들이 발견한 곳에서는 소화계 없이 4m까지 크는 거대한 벌레, 물을 걸러먹는 대합조개 그리고 육식성 게들이 서로 뒤섞여서 살고 있었습니다. 이 생물들은 해양판이 갈라진 해저 단층에서 심해 화산활동으로 인해 양분이 유출되는 곳에서 서식하고 있었습니다. 단층의 상호 연결된 시스템은 해저 수만 킬로미터까지 연결되었습니다. 이후의 탐험에서는 화학합성 군집이 해저의 화산지점에서 많다는 것을 발견하였습니다. 이러한 해저 독립영양생물들은 화학합성세균에 의존합니다. 대부분 황산화자로 세균은 이산화탄소를 탄소의 원료로 사용하고 황원소, 황화수소 또는 티오아황산염을 에너지원으로 사용합니다. 이러한 생물이 해저 화산구멍에 있는 것은 황이 풍부한 많은 양의 열수가 유출되는 것과 관련이 있습니다. 이 구멍 주위의 자원을 이용하는 항산화세균은 두 가지 형태가 있습니다. 하나는 자유롭게 사는 형태이며, 다른 하나는 거대한 관벌레와 같은 다양한 무척추동물의 조직 안에 서식하는 형태입니다. 황산화세균에 의존하는 다른 군집은 열수 분출구 안이나, 담수 호수의 깊은 곳이나, 뜨거운 샘의 표면이나, 동굴 안에서 발견됩니다. 다른 화합합성 세균은 암모늄, 아질산염, 철이온, 수소 또는 일산화탄소를 산화시킵니다. 이 중에서 암모늄을 아질산염으로, 아질산을 질산으로 산화시키는 질화세균은 생물권에서 생태적으로 가장 중요한 생물임이 분명합니다. 이 세균의 중요성은 질소 순환에서의 역할 때문입니다. 또한 전체 생물권의 환경에서 중요한 역할을 담당합니다.