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)​

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 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.

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 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.

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 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.

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 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.

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 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.

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 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.

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 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.

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 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.

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 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.

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참고

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 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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