생활 속 바이오(17) 식물을 닮아라-인공광합성 이야기

17; 식물의 광합성을 모방한다-인공광합성에 의한 에너지 생산

 

 

얼마 전에 남미 상공에서 바라본 아마존 밀림은 그 크기가 대단했다. 한반도의 35배나 되고 지구 산소의 20%를 만들어내니 과연 지구의 허파라 할만하다. 비행기로 한 시간이 넘게 나는 동안 온통 녹색으로 칠해진 그림을 보는 것 같아서 마음도 시원해졌다. 하지만 중간 중간 머리가 깎인 듯, 산림이 없어진 것이 보였다. 밀림 한 가운데는 건물들이 들어서기도 하고 이 곳을 연결하는 도로가 줄을 그은 듯 열대우림을 가로지르더니 커다란 마을과 그리고 큰 도시와 연결되었다. 매일 축구장 100개의 면적이 농장, 도로 건설등으로 사라진다. 이 속도라면 50년 후에는 아마존 지역의 밀림도, 지구 전체의 30%에 해당하는 동식물도 거의 사라 질것이 분명하다. 지구가 더워지고 있는 하나의 이유이다. 온난화를 방지하기 위한 여러 가지 방안이 연구되고 있지만, 그래도 기댈 곳은 태양의 에너지 아닌가? 만일 식물들의 광합성을 대신할 수 있게 된다면, 그래서 나무를 대신할 수 있게 된다면 이런 위기를 동시에 해결할 수 있지 않을까? (사진; 사라지는 열대우림)

(사진; 사라지는 열대우림; 2000, 2004, 2008 년도)

 

*광합성, 태양의 에너지를 식량으로 바꾸어주는 신비

 

 

지구는 거대한 온실이다. 이 안에서 모든 것이 순환된다. 순환되는 과정을 보면 식물의 역할이 참으로 중요함을 알 수 있다. 우리가 먹은 음식, 예를 들면 밥속의 탄소는, 이산화탄소가 되어서 하늘로 날아간다. 즉, 세포내에서 분해되어 무기물인 이산화탄소로 연소한다. 자동차가 유기물인 휘발유를 산화시켜 무기물인 이산화탄소가 나오는 것과 같다. 자동차의 경우, 산화 혹은 연소라고 부르지만, 사람의 경우, 호흡이라고 부른다. 숨을 쉰다는 의미이기도 하다. 결국 사람이 숨을 쉬는 것이 몸속에서 산화에 의한 이산화탄소를 세포밖으로, 허파 밖으로 내보내는 반응이기 때문에 호흡이라고 같은 이름으로 부른다.

 

 

하늘로 날아간 이산화탄소는 식물의 광합성에 의해서 다시 탄소유기물, 예를 들면 나무성분인 섬유소나 감자의 녹말로 전환된다. 즉 이산화탄소의 탄소가 녹말의 탄소로 순환 된것이다. 무기물인 이산화탄소가 유기물인 녹말로, 다시 이야기해서 낮은 에너지의 이산화탄소가 높은 에너지로 저장된 것이다. 물론 광합성의 결과이고 녹말에는, 따라서 태양에너지가 저장된것이라 할 수 있다. 결국 태양에너지가 녹말로 변환되어 우리를 먹여 살리고 있는 것이다. 이처럼 광합성이 지구내의 탄소순환에 중요한 역할을 한다.

 

 

광합성은 두 단계의 반응, 명반응과 암반응으로 되어있다. 밝다는 의미의 명반응은 빛이 관여하는 반응이다. 즉 빛의 에너지를 잡아서, 다음 반응에 쓸수 있는 화학에너지(NADPH)롤 만드는 것이 명반응이다. 반면에 암반응은 빛이 관여하지 않는다. 이 반응은 빛에서 만들어낸 에너지, 즉 앞의 명반응 결과인 NADPH 같은 고 에너지물질을 소모하면서 이산화탄소를 포도당으로 만든다. (사진; 광합성의 두단계).

 

 

빛 에너지를 잡아서 화학에너지로 만드는 명반응과 화학에너지를 포도당으로 만드는 암반응은 모두 식물 세포내의 정밀화학공장인 엽록체에서 일어난다. 10나노미터(1나노는 10억분의 1미터)크기의 엽록체가 식물세포내에는 100개 정도가 있다. 그러니 나무전체로 보면 나노사이즈의 공장으로 꽉 차 있는 것과 같다. (사진2) 이런 나무 전체가 빛을 받아들인다. 녹색으로 보이는 이유는 나뭇잎속의 엽록체, 그 안에 들어있는 엽록소 때문이다. 이것이 색깔을 결정한다. 빨강색과 파란색의 파장을 흡수하고 녹색은 반사하므로 녹색으로 보인다. 즉 나뭇잎은 이 두 가지 광선을 흡수하고 이 광선이 가지고 있는 에너지를 물을 분해하는데 사용한다. 이 에너지는 물 분해에서 발생한 전자에 옮겨진다. 이 전자를 옆의 분자에게 차례로 전달하면서 전자의 에너지를 화학물질로 만든다. 이 과정은 수력발전과 비슷하다. 즉 빛의 에너지로 생긴 전자를 댐 위로 올린다. 올리는데 필요한 에너지는 물론 태양에너지이다. 높은 에너지를 가진 댐위의 물이 아래로 내려오면서 중간 중간 여러개의 발전기를 돌린다. 발전을 하듯, 높은 에너지의 전자가 높은 에너지를 가진 화학물질인 NADPH나 ATP를 만든다.

(그림; 광합성의 2단계, 빛이 참여하는 명반응과 빛이 없는 세포내의 암반응)

(그림; 식물내의 엽록체 알갱이)

  

 

이 명반응은 태양에너지를 잡는 반응인데 마치 태양전지와 원리가 비슷하다. 태양전지는 태양에너지를 광촉매등을 사용, 전자를 즉, 전기를 발생시킨다. 광합성은 엽록소가 태양전지의 물질 역할을 한다. 효율은 태양전지가 높다. 광합성효율이 낮은 것에 대한 여러가지 추측이 있다. 대표적인 것으로는 식물은 자기가 살기에 필요한 태양에너지만 잡는다는 것이다. 즉 잎의 모든 표면에서 태양빛을 모두 잡으면 잎은 더워서 죽는다는 것이다. 만약 에너지를 모두 잡았다고 하면, 이것을 화학물질로 빨리 전달시켜야 한다. 명반응은 이런 면에서 보면 아주 효율적이지는 않다. 조물주가 왜 그리 만들었는지, 아니면 왜 그리 진화되었는지 정확한 이유를 알려면 좀 더 고민해야 할 일이다.

 

 

정말 잘 만들어진 것은 포도당을 만드는 암반응이다. 명반응에서 만들어진 고에너지물질을 이용해서 이산화탄소로부터 포도당을 만드는 과정에는 많은 일꾼들이, 많은 과정을 거친다. 이 단계가 많으면, 이론적으로는, 효율이 좀 더 높아질수 있다. 급작한 반응은 에너지손실이 많기 때문이다. 이 암반응을 따라 올수 있는 모방기술은 아직 인간이 근처에도 가지 못하고있다.

 

이렇게 태양의 에너지를 결국 포도당으로 만드는데 사용되는 원료는 놀랍게도 물, 그리고 이산화탄소이다. 태양의 에너지가 물을 분해해서 나오는 에너지로 포도당을 만든 것이다. 물론 부산물로는 우리가 숨쉴 수 있는 산소를 제공해준다. 이건 완전히 꿩먹고 알먹기, 도랑치고 가재잡기 이다. 광합성은 그런 의미에서 자연이 주는 가장 고귀한 선물이다.

 

 

*인공광합성, 에너지와 식량위기를 해결한다.

 

 

광합성은 두 가지 골치 아픈 문제를 동시에 해결 할 수 있는 매력적인 반응이다. 바로 지구온난화와 에너지위기이다. 이산화탄소는 사람의 호흡에 의하여 나오기도 하지만 공장에서 무언가를 만들려고 보일러를 돌려도, 아니면 자동차를 몰고 다녀도 모두 나온다. 즉 지구내의 공장들이 많아지고 에너지소비가 늘면서, 이산화탄소가 점점 증가하고 지구는 온실 같아져서 온도가 오른다. 남극의 빙산이 녹는다. 소위 지구 온실효과이다. 연구자들은 이를 해결하려고 광합성에 눈을 돌린다.

 

 

지구는 태양이 먹여 살린다. 즉 지구의 모든 에너지는 태양에서 온다. 태양을 모방한 것이 핵융합반응이라면, 광합성을 모방하려는 것이 인공광합성이다. 인공광합성은 태양에너지를 이용하려는 3가지 방안중의 하나이다. 첫째는 태양열을 전기로 바꾸는 태양전지장치. 이는 이미 많이 발전되어 주위에 세워진 태양전지판을 많이 볼 수 있다(사진 3; 태양전지판넬) 둘째는 태양에너지를 광촉매로 잡고, 이것으로 물을 분해하여 산소와 수소로 변환시킨후 수소를 연료전지를 이용하여 전기를 발생시키는 것이다. 이 부분은 연구결과가 조금씩 적용되고 있다. 셋째는 태양에너지를 광촉매를 이용, 물을 분해시키고 발생한 전자로 NADPH같은 고에너지 물질에 저장하고 이를 사용하여 메탄올같은 기초화학 원료를 만드는 것이다. 셋째 반응이 광합성과 가장 유사하다.

 

 

인공광합성은 식물의 광합성과 다른 점이 두 개가 있다. 하나는 빛을 잡는 것이 엽록소가 아닌 광촉매 라는것, 그리고 잡은 에너지로 만드는 것이 포도당이 아닌 메탄올이라는 것이다. 포도당 대신 메탄올로 만든 이유는 포도당을 만드는 과정이 너무 복잡하기 때문에 좀 더 간단한 화합물로 만들어 다른 물질의 초기원료로 쓸 수 있기 때문이다. (사진;인공 광합성 기술)

 

(사진; 태양에너지 잡는 판)

(그림; 인공광합성;(좌);식물의 광합성; 태양에너지를 엽록체가 잡아서 포도당으로 (증);인공광촉매가 잡아서 전지로 만든다 (우)인공광촉매가 잡아서 간단한 유기물을 만든다)

 

인공광합성은 식물의 광합성에 비하여 효율이 어떨까? 사람이 자연의 효율을 앞설 수 있을까? 지금까지의 결과로는 아직 인공광합성이 못 따라가고 있다, 특히 암반응에서. 하지만, 명반응, 즉 에너지를 잡는 효율에서는 광촉매를 이용한 부분이 좀 더 많은 태양에너지를 잡을 수있다.

 

식물이 태양에너지를 잡는 효율이 낮은 이유는 아직 설명이 안되고 있다. 하지만 너무 많은 에너지를 식물이 잡으면 열이 발생해서 현재의 입의 구조로는 잎이 타 버릴수도 있기 때문이라는 가설이 있다. 아마도 식물은 많은 에너지를 생산하는 것이 목적이 아니라 본인의 생존에 가장 적합한 방향으로 진화했기 때문이라는 학설도 있다.

 

 

식물은 태양빛중에서 눈에 보이는 가시광선 계열중에서 빨강과 파랑, 두가지 파장만을 흡수한다. 이것을 근거로 계산하면 잎에 도달하는 태양에너지의 11%가 이론적으로 광합성에서 포도당으로 변할 수 있다. 하지만 잎에서 반사되는 빛도 있고 해서 실제는 3-6% 정도의 효율을 보이고 있다. 이에 비하면 인공광합성은 암반응, 즉 잡은 태양에너지를 유기물질로 변화시키는 단계의 효율이 아주 낮아서 현재 기술로는 식물 광합성효율의 1/100에도 못 미치고 있는 것으로 계산되고 있다. 연구자들은 이 부분의 목표를 현재의 0.1% 효율에서 수년 사이에 3%를 목표로 하고 있다.

 

 

*인공광합성, 미래의 지구를 지킬수 있을까

 

 

태양이 지구에 주는 에너지의 극히 일부를 인간은 쓰고 있다. 효능이 좋은 집광소재를 만드는 것도 중요하지만 만약 식물이 태양열을 이용하여 감자를 만드는 효율을 두배로 높일수만 있다면 우리는 지금 식량 생산의 두배를 만들 수 있고 굳이 석유를 때서 지구를 덥게 하지 않아도 된다. 즉 태양이 주는 에너지로 감자를 두배 만들고 감자로 에탄올을 두배 만들어서 자동차를 굴리면 된다. 또 날아가는 이산화탄소를 원료로 사용하여 광합성을 한다면 이건 완전한 자원의 순환이다. 즉 지구는 스스로 살아갈 수 있다.

 

눈을 돌려 나무들의 광합성을 보자. 나무들은 녹색의 잎을 가지고 있다. 태양의 빛 중에서 빨강색과 파랑색을 흡수하여 에너지원으로 쓰기 때문이다. 그런데 자연에는 다른 색의 잎을 가지고 광합성을 해서 먹고 살아가는 생물이 있다. 바다로 가자. 바다가 깊어짐에 따라 통과하는 빛의 파장도 변한다. 여기에서 사는 식물은 홍색이나 갈색조류인 다시마같은 해조류이다. 이 들은 육지식물이 들이 흡수하지 않는 녹색빛을 흡수한다. 그렇다면 간단하게 태양열을 두 배로 사용할 수 있는 방법이 있다. 녹색식물에다 해조류의 광합성기작을 더하면 어떨까? 물론 가능한 이야기이다, 또 그 정도는 지금이 기술수준으로는 채 십년이 안 걸릴 것이다.

 

 

하지만 자연에 있는 식물은 나름대로의 생존의 목적이 있다. 이들을 유전공학을 이용, 변화시키는 것은 여러 가지 문제를 일으킬 수 있다.  대신, 인간이 해야 하는 일은 이런 식물들의 원리를 잘 파악해서 인공적으로 광합성을 할 수 있는 방법을 찾는 길이다. 식물들이 여러 종류의 빛을 받아들일수 있는 능력을 광촉매나 태양전지의 집광장치에 적용할 수 있다. 또한 포도당을 만드는 능력을 광촉매와 연결시켜 좀 더 쉽게 유기물을, 예를 들면 포도당을 만들어야 한다. 그렇게 되면 진정한 광합성을 모방한 인공잎을 탄생시킬 수 있다. 인공광합성은 인간이 도전하는 가장 고도의 기술이고 미래에 지구를 살리는 방안이 될것이다.

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