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2015년 12월 8일 화요일

대기 중 이산화탄소 농도가 식물에 미치는 영향은



(By monitoring plant metabolism retrospectively, the Umeå-based research group has quantified how much increased atmospheric CO2 levels have contributed to plants' ability to capture the greenhouse gas carbon dioxide. Fireweed. Credit: Johan Gunséus)​
 식물은 대기 중 이산화탄소 농도에 의해 많은 영향을 받습니다. 이산화탄소 농도가 상승하면 어느 수준까지는 광합성도 같이 상승하기 때문입니다. 이는 이산화탄소 비료 효과(CO2 fertilization)라고 부릅니다. 하지만 대기 중 이산화탄소 농도 증가는 다른 여러 가지 현상도 같이 일으키기 때문에 반드시 식물의 탄소 고정이 더 많이 일어난다고 일반화하기는 어려울 수 있습니다.
 과학자들은 이산화탄소 농도 증가가 식물에 어떤 영향을 미치는지 많은 연구를 해왔습니다. 이는 지구 생태계 전반에 큰 영향을 미칠 뿐 아니라 앞으로의 기후 변화를 예측하는데 도움을 주기 때문입니다.
 최근 우메아 대학과 스웨덴 대학(Umeå University and the Swedish University)의 연구팀은 20세기 초와 현재의 식물의 이산화탄소 이용의 차이를 분석해서 이를 저널 PNAS에 발표했습니다. 연구팀은 100년 전 보존된 식물 표본과 현재 수집된 표본과의 차이를 동위원소를 이용해서 조사했습니다.
 연구팀이 초점을 맞춘 것은 C3 식물의 광합성과 광호흡(photorespiration) 비율의 변화였습니다. C3 식물은 벼, 밀, 보리 등을 포함해서 우리가 흔히 보는 식물로써 이산화탄소 고정 산물이 탄소를 3개 가진 3-PGA가 되는 식물입니다. 이 식물들의 대사를 이해하는 것은 지구 생태계 연구에서도 중요하지만, 농업 부분에서도 매우 중요한 일입니다.
 광호흡은 식물이 광합성을 하는 동안 빛을 쬐면서 같이 일어나는 호흡입니다. 이 호흡은 사실 밤사이 발생하는 암호흡과 다른 경로로 일어나며 CO2를 생산하기 때문에 식물의 탄소 고정을 떨어뜨리는 효과를 일으킵니다.
 대기 중 CO2 증가는 광호흡에 두 가지 작용을 미치게 됩니다. 일단 CO2 농도 자체는 광호흡을 억제하고 광합성을 촉진하는 역할을 하게 됩니다. 그러나 온도 상승은 광호흡을 증가시키는 역할을 합니다.
 연구팀은  NMR spectroscopy라는 새로운 기술을 사용해서 분자 내부에 동위원소비를 측정해서 1890년과 2012년 식물 샘플의 광호흡과 광합성의 비율을 비교했습니다. 그 결과 광호흡/광합성 비율이 100여년 전보다 현재 훨씬 내려간 것으로 조사되었습니다. 복잡한 이야기지만 결국 C3 식물이 광합성을 통해 더 많은 탄소를 고정하게 되었다는 이야기입니다.
 현재 대기중 이산화탄소는 400ppm이라는 상당히 높은 수치에 도달했습니다. 지난 50만 년 이상 기간 동안 식물들이 200-300 ppm 사이 농도에서 살았던 점을 생각하면 이는 눈에 보이지 않아도 아주 큰 변화입니다. 따라서 이와 같은 급격한 이산화탄소 농도 변화가 식물에 어떤 영향을 주는지 연구하는 일은 중요합니다.

 이번 결과는 일단 탄소 고정을 증가시키는 쪽, 그러니까 식물이 잘 자라는 쪽이라는 결론으로 해석할 수 있을 것 같습니다. 이는 이산화탄소 농도 증가를 억제하는 긍정적인 효과를 기대할 수 있습니다.
참고
 Detecting long-term metabolic shifts using isotopomers: CO2-driven suppression of photorespiration in C3 plants over the 20th century, Ina Ehlers, Angela Augusti, Tatiana R. Betson, Mats B. Nilsson, John D. Marshall, Jürgen Schleucher,www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1504493112

http://phys.org/news/2015-12-co2-atmosphere-photosynthesis-20th-century.html#jCp 

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