광합성의 ‘현장’을 현미경으로 들여다봤다！〜물풀 잎에서 녹말을 찾아서〜
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험입니다.
식물은 빛을 이용해 전분을 만든다. 교과서에서는 그렇게 배우지만, “정말 그럴까?” 하고 궁금해진 적 없으신가요? 이번에는 그 광합성의 “현장”을 직접 눈으로 확인해 보는 실험을 해봤습니다. 현미경 속 잎을 들여다보았을 때, 작은 알갱이들이 선명하게 검게 물드는 순간은 저도 모르게 “우와!” 하고 감탄이 나올 정도였습니다.
준비물
현미경, 검정말, 슬라이드글라스, 커버글라스, 핀셋, 아이오딘 용액, 전기냄비, 조명
실험 준비 〜빛을 받은 잎과 받지 않은 잎 만들기〜
이번 실험에서는 서로 다른 조건의 잎 두 종류를 준비했습니다. 검정말은 실험 1.5일 전에 채집했습니다. 그리고 1.5일 동안 암실에 둔 잎을 준비했습니다. 빛을 완전히 차단해 잎 속의 전분을 최대한 모두 사용하게 만들기 위해서입니다.
선반 안에 넣어 빛을 차단했습니다.
또 다른 잎은 1.5일 동안 인공 조명을 비춰 충분히 광합성을 하게 했습니다. 이렇게 “빛을 받은 잎”과 “빛을 받지 않은 잎”의 차이가 이번 실험의 핵심입니다. 사용한 조명은 이것입니다. (식물 재배용 조명(amazon)）
이 조명은 식물의 광합성을 위해 만들어진 전용 조명입니다. 지도서에는 적외선(파장이 긴 빛)을 비추는 것이 좋다고 적혀 있었습니다. 그런데 왜 긴 파장의 빛이 더 효과적일까요? 사실 광합성에는 “광화학계 I”과 “광화학계 II”라는 두 가지 반응 시스템이 있고, 각각 잘 흡수하는 빛의 파장이 조금씩 다릅니다. 특히 원적색광(약 700nm 부근)은 광화학계 I을 효율적으로 작동시킨다고 알려져 있습니다.
이 현상이 검정말만의 특징인지, 아니면 모든 식물에 공통된 특징인지 궁금하네요. 혹시 아시는 분이 계시면 꼭 알려주세요.
잎을 삶는다 〜왜 삶는 걸까?〜
준비한 잎을 전기냄비로 5분간 삶았습니다. 전기냄비가 정말 큰 활약을 했네요.
“왜 굳이 삶지?”라고 생각하셨다면 아주 좋은 질문입니다. 잎을 삶으면 세포가 무너지면서 아이오딘 용액이 세포 안까지 쉽게 스며들게 됩니다. 또 잎이 부드러워져 관찰하기도 훨씬 쉬워집니다. 알루미늄 용기를 두 개 준비해 한쪽에는 빛을 받은 잎, 다른 한쪽에는 암실의 잎을 넣어 구분하면서 처리했습니다.
아이오딘 용액으로 염색하기 〜전분의 ‘위치’를 찾아라〜
삶은 잎을 핀셋으로 한 장 꺼내 슬라이드글라스 위에 올리고 키친타월로 물기를 제거했습니다. 그리고 아이오딘 용액을 떨어뜨린 뒤 약 1분 정도 기다렸습니다. 그 후 커버글라스를 덮고 현미경으로 관찰했습니다. 아이오딘 용액은 전분과 반응하면 청보라색에서 검은색으로 변하는 성질이 있습니다. 이것을 “아이오딘-전분 반응”이라고 합니다. 즉, 검게 변한 부분에는 전분이 있다는 뜻입니다.
먼저 아이오딘 용액을 사용하지 않고 관찰해 보았습니다. 슬라이드글라스 위에 올리고 커버글라스를 덮은 뒤 관찰했습니다.
확대해 보면,
엽록체로 보이는 부분은 아직 염색되지 않았습니다.
다음은 아이오딘 용액을 떨어뜨린 뒤 관찰한 모습입니다. 이쪽은 암실에 두었던 잎입니다.
조금 색이 변한 것 같기도 하네요.
이번에는 계속 빛을 비춰준 잎입니다.
확대해 보면,
검게 물든 것은 잎 세포 안에 있는 엽록체였습니다. 맞습니다. 광합성이 일어나는 “현장”은 바로 이 엽록체였던 것입니다. 비교해 볼까요?
엽록체의 염색 정도가 확실히 다릅니다. 엽록체는 식물 세포에만 존재하는 작은 초록색 입자입니다. 이곳에서 빛 에너지를 이용해 물과 이산화탄소로부터 전분(당)과 산소가 만들어집니다. 이번 실험에서는 빛을 받은 잎의 엽록체만 아이오딘 용액에 의해 검게 변했고, 암실의 잎은 거의 변하지 않았습니다. 이 결과를 통해 광합성이 실제로 엽록체 안에서 일어난다는 사실을 눈으로 직접 확인할 수 있었습니다.
현미경 속에서 보였던 작은 검은 알갱이. 바로 그 작은 공간에서 태양빛을 이용해 지구 생명체 대부분이 사용하는 에너지의 원천이 만들어지고 있습니다. 우리가 먹는 밥 속 전분 역시 식물이 광합성으로 만들어 낸 것이죠. 엽록체는 지구의 생명을 떠받치는 아주 작은 공장이라고도 할 수 있습니다. 여러분도 꼭 현미경으로 “광합성의 현장”을 들여다보세요.
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