(A new optical study reveals how the glass-like shells of diatoms help these unicellular organisms perform photosynthesis even in dim conditions. Their shells contain holes that change the behavior of light depending on their size, spacing and configuration. Credit: Santiago Bernal, McGill University)
(The optical response of the tail portion of a diatom shell is shown. The left image shows the tapered, curvature of the tail. The middle image shows the profile of the confined light propagating longitudinally along the frustule, and the right image shows the transmission spectrum at various points in the tail shown in the left image. Credit: Santiago Bernal, McGill University)
태양 에너지는 풍력과 함께 가징 중요한 신재생 에너지로 현재도 전 세계 각지에 수많은 태양광 패널이 장착되고 있습니다. 하지민 지구 생명체는 이는 수십 억년 전부터 태양 에너지를 이용해 영양분을 만드는 일을 해왔습니다. 특정 분야에서 광합성 생물의 능력이 인간을 뛰어넘는 건 놀라운 일이 아닙니다.
맥길 대힉의 데이빗 플랜트와 마크 앤드류스 (McGill University's David V. Plant and Mark Andrews)가 이끄는 연구팀은 가장 단순한 식물이라고 할 수 있는 단세포 규조류 (Diatoms)의 투명한 보호막이 사실 태양광을 효과적으로 흡수해서 광합성 효율을 높여 준다는 사실을 발견했습니다.
규조류는 식물성 플랑크톤의 대표 주자로 지구 산소 생산량의 20-50%를 담당할 뿐 아니라 먹이 사슬의 기초를 담당합니다. 이들의 성공 비결 중 하나는 투명하면서 단단한 규산염 세포벽입니다. 햇빛은 통과시키지만 해로운 자외선과 기타 외부의 충격과 물질을 막아주기 때문입니다. 형형색색 아름다운 투명 껍데기 때문에 이들은 바다의 보석으로 불리기도 합니다.
연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션과 실제 껍데기의 광학적 구조를 분석해 이 투명 껍데기가 광합성 효율을 최대 9.83% 높여준다는 사실을 발견했습니다. 이 껍데기는 보호막일 뿐 아니라 통과하는 빛을 흡수하고 굴절시켜 그냥 지나가지 않고 세포 내부에서 광합성에 기여하게 합니다. 현미경으로 봤을 때 형형색색 아름답게 빛을 반사키는데는 그럴만한 이유가 있었던 것입니다.
(동영상)
연구팀은 매우 얇지만 빛을 효과적으로 흡수하는 규조류의 구조가 더 효과적인 태양광 패널을 개발하는 등 인간에게도 도움을 줄 것으로 기대하고 있습니다. 수억 년에 걸친 자연의 진화는 우리에게 좋은 스승이 될 것입니다.
참고
https://phys.org/news/2022-11-glass-like-shells-diatoms-energy-dim.html
Yannick D'Mello et al, Solar energy harvesting mechanisms of the frustules of Nitzschia filiformis diatoms, Optical Materials Express (2022). DOI: 10.1364/OME.473109
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