광합성(光合成, 문화어: 빛합성)은 지구상의 생물이 빛을 이용하여 화합물 형태로 에너지를 저장하는 화학 작용으로, 지구상의 생물계에서 볼 수 있는 가장 중요한 화학 작용의 하나입니다. 지구상의 모든 생물은 삶을 유지하기 위해 에너지를 필요로 합니다. 박테리아의 번식을 비롯하여 콩이 싹을 틔우고 나무가 자라며, 우리가 태어나 숨을 거두는 순간까지의 이 모든 삶의 과정은 에너지에 직접적으로 의존하여 일어나고 있습니다. 우리가 일상생활에서 자동차를 움직이고 전기 기구를 사용하며 온갖 산업 시설을 가동시키기 위해서 석유, 석탄을 연소시킬 때, 혹은 원자의 분열에서 생겨나는 에너지를 빌어 쓰듯이, 생물이 존속하기 위한 기본 조건은 간략히 말하자면 에너지라 볼 수 있습니다. 에너지의 전환과 저장은 생물의 최소 단위인 세포에서 일어나며, 에너지는 화합물 형태로 저장됩니다. 모든 생물은 광합성으로 생성된 산물을 생체 내 연료로 사용하고 있으며 이것을 공급하는 방법이 엽록체에서 일어나는 광합성입니다. 광합성으로 에너지를 얻는 생물을 광영양 생물(光營養生物, phototroph)이라고 합니다.

  1년 동안 지구에 도달하는 태양에너지는 3.8×1024J라고 한다. 이게 도대체 얼마나 되는 양일까요. 인류가 1년 동안 쓰는 에너지가 5×1020J(2005년 기준)이므로 7000년간 쓰고도 남을 양입니다. 화석연료 고갈로 에너지 위기를 맞은 인류가 최근 태양에너지 활용에 주목하는 이유입니다. 사실 생명체는 아주 오래전부터(대략 36억 년 전으로 추정됨) 태양에너지를 이용해왔습니다.

  빛에너지를 화학에너지로 바꾸는 광합성을 통해서 입니다. 매년 광합성으로 포획한 에너지는 3.2×1021J로 태양에너지의 0.1%도 채 안 되지만 인류의 에너지 소모량보다는 7배나 더 많습니다. 물론 인류는 이 가운데 일부를 음식으로 섭취해 삶을 영위해 갑니다. 광합성하면 식물이 떠오르지만 광합성의 원조는 단세포 원핵생물인 박테리아입니다. 식물은 광합성 박테리아를 잡아먹어 세포내소기관인 엽록체로 만든 진핵생물의 후손입니다.

  그런데 조류(藻類)의 엽록체를 포획해 광합성을 하는 동물이 있습니다. 이 동물의 피부는 물론 초록색이다. 도대체 동물이 어떻게 광합성을 하게 됐을까요. 약 36억 년 전 광합성을 하고 부산물로 산소를 발생시키는 박테리아가 나타났고 그 뒤 이 박테리아를 포획해 세포 내 소기관인 엽록체로 만든 진핵생물이 식물로 진화해 오늘날 푸른 지구를 만들었습니다. 멋진 시나리오이기는 하지만 증명하기는 어려울 거라고 생각했던 이 가정이 실제 사건이었음을 강력히 지지하는 현상들이 속속 발견되고 있습니다.

  먹기 위해 사느냐, 살기 위해 먹느냐.
  바쁜 일상 속에서 자신을 잊고 살다 보면 이런 생각을 할 때가 있습니다. 이유야 어쨌든 동물인 사람은 먹어야 합니다. 문득 이런 꿈을 꿔봅니다. ‘우리 세포에도 식물처럼 엽록체가 있어서 햇빛만 받아도 포도당이 만들어지면 얼마나 좋을까.’ 물론 피부는 다소 징그러운 초록색이겠지요.

  식물이나 광합성을 하는 미생물을 ‘독립영양체’라고 부르고 사람을 비롯한 동물을 ‘종속영양체’라 부릅니다. 사람이 아무리 만물의 영장이라지만 ‘생산자’인 식물에 기대 살고 있는 셈입니다. 그런데 정말 모든 동물은 종속영양체일까요. 육상동물은 그럴지 모르지만 바다에는 동물이면서도 광합성을 하는 생명체가 있습니다. 바다에 사는 갯민숭달팽이 종류인 엘리지아(Elysia chlorotica)가 그 주인공입니다. 물론 엘리지아의 몸 빛깔은 초록색입니다.

  세포 속에 엽록체 상주시켜 엘리지아가 실제로 광합성을 한다는 사실은 1970년대 알려졌습니다. 해조류에 붙어 있는 모습이 얼핏 보면 작은 잎 같지만 꼬물꼬물 움직이기 때문에 ‘기어 다니는 잎’이라는 별칭을 얻었습니다. 도대체 어떻게 광합성을 하는지 그 비밀이 밝혀지기 시작한 건 1990년대 들어와서 입니다.

  엘리지아는 광합성을 하는 진핵생물인 바우체리아(Vaucheria litorea)가 먹이입니다. 바우체리아는 국수가락 같은 형태의 황록조류(藻類)입니다. 엘리지아는 바우체리아 세포속의 엽록체는 소화시키지 않고 소화관 주변의 세포 안으로 보냅니다. 세포에 자리 잡은 엽록체는 수개월 동안 죽지 않고 광합성을 해 포도당을 만들어냅니다. 그 결과 엘리지아는 더 이상 먹이를 찾아다니지 않아도 됩니다.

  엘리지아의 광합성 능력 획득 과정

엘리지아는 태어날 때 엽록체가 없기 때문에 먹이에서 엽록체를 얻어야 광합성을 할 수 있다.

1.  엘리지아 유생(몸길이 0.5mm)은 무색투명하다.
2.  몸길이가 5mm 정도가 되면 바우체리아를 먹기 시작한다.
3.  5일쯤 지나자 몸에 녹색기운이 완연하다.
4.  성체는 잎맥처럼 등에 퍼져 있는 소화관 주변 세포에 포획된 엽록체 때문에 짙은 녹색을      띤다.