광합성과 세포 호흡 — 서로 반대인 두 식은 어떻게 이어질까

교과서에서 광합성과 세포 호흡의 식을 나란히 보면 좀 허탈합니다. 한쪽의 화살표 왼쪽에 있던 것이 다른 쪽에서는 오른쪽에 있을 뿐이니까요. 그런데 두 식이 거꾸로라는 사실이 바로 핵심입니다. 광합성과 호흡은 같은 물질을 한 번은 만들고 한 번은 부수면서, 태양의 빛에너지를 생물이 쓸 수 있는 에너지로 옮겨 나르는 한 쌍의 과정입니다.

두 식은 서로 반대입니다

광합성은 엽록체에서, 세포 호흡은 미토콘드리아에서 일어납니다.

• 광합성의 재료(이산화 탄소, 물)가 호흡의 산물이고, 광합성의 산물(포도당, 산소)이 호흡의 재료입니다.
• 에너지는 한 방향으로만 갑니다. 빛에너지 → 포도당 속의 화학 에너지 → ATP 와 열.

물질은 두 과정 사이를 돌지만 에너지는 돌지 않습니다. 호흡에서 나온 열은 다시 광합성에 쓰이지 못하고 주변으로 흩어집니다. 그래서 생태계는 태양에서 에너지를 끊임없이 받아야 유지됩니다.

광합성 — 빛에너지를 포도당에 담습니다

광합성은 작은 분자로 큰 분자를 만드는 동화 작용입니다. 간단한 재료를 복잡한 물질로 조립하려면 에너지가 들어가야 하므로 흡열 반응이고, 그 에너지를 엽록소가 흡수한 빛이 댑니다(물질대사와 효소).

만들어진 포도당은 녹말로 바뀌어 저장되거나, 식물 몸을 이루는 물질의 재료가 되거나, 식물 자신의 호흡에 쓰입니다. 광합성에서 나오는 산소는 이산화 탄소가 아니라 물이 분해되어 생긴 것입니다.

재료는 따로따로 들어옵니다. 물은 뿌리에서 흡수되어 물관을 타고 잎까지 올라오고, 이산화 탄소는 잎 뒷면에 많은 작은 구멍인 기공으로 들어옵니다. 광합성으로 생긴 산소도 같은 기공으로 빠져나갑니다. 빛이 없으면 엽록소가 에너지를 받지 못하므로 재료가 있어도 광합성은 멈춥니다.

세포 호흡 — 포도당에서 에너지를 꺼냅니다

세포 호흡은 큰 분자를 작은 분자로 나누는 이화 작용이고 발열 반응입니다. 포도당이 산소와 반응해 분해될 때 나오는 에너지의 일부는 ATP 에 저장되고, 나머지는 열로 방출됩니다. 근육의 수축, 물질 운반, 체온 유지처럼 생명 활동에 바로 쓰이는 것은 포도당이 아니라 ATP 입니다.

숨으로 들이마신 산소가 쓰이는 곳이 바로 이 반응이고, 숨으로 내쉬는 이산화 탄소도 여기서 나옵니다. 우리 몸의 거의 모든 세포가 미토콘드리아에서 쉬지 않고 이 일을 합니다.

세포 호흡은 식물도 합니다. 식물의 세포에도 미토콘드리아가 있고, 뿌리·줄기·잎의 모든 살아 있는 세포가 밤낮없이 호흡합니다. 낮에 식물이 산소를 내보내는 것은 호흡을 멈춰서가 아니라, 광합성으로 만드는 산소가 호흡으로 쓰는 산소보다 많기 때문입니다.

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 일어나는 곳. 광합성 엽록체, 세포 호흡 미토콘드리아.
• 물질대사의 종류. 광합성 동화 작용·흡열, 세포 호흡 이화 작용·발열.
• 에너지 전환. 광합성 빛에너지 → 화학 에너지, 호흡 화학 에너지 → ATP 의 화학 에너지·열에너지.
• 기체 출입. 빛이 강할 때 잎은 이산화 탄소 흡수·산소 방출, 빛이 없을 때는 산소 흡수·이산화 탄소 방출.
• 빛의 세기를 줄여 가면 광합성량이 호흡량과 같아지는 때가 옵니다. 이때 잎은 겉으로 기체를 주고받지 않는 것처럼 보입니다.
• 기체가 드나드는 곳. 잎의 기공. 물은 뿌리에서 흡수해 물관으로 올라옵니다.
• 동물 세포에 있는 것 고르기. 미토콘드리아 있음, 엽록체 없음.

자주 헷갈리는 것

• "식물은 낮에는 광합성, 밤에는 호흡을 한다" — 호흡은 낮에도 합니다. 낮에는 광합성이 더 많아 가려질 뿐입니다.
• "세포 호흡은 숨쉬기다" — 숨쉬기(호흡 운동)는 폐로 산소를 들이고 이산화 탄소를 내보내는 일이고, 세포 호흡은 세포 안에서 포도당을 분해하는 화학 반응입니다. 숨쉬기는 세포 호흡에 필요한 기체를 나르는 일입니다.
• "호흡으로 나온 에너지는 전부 ATP 가 된다" — 일부만 ATP 에 저장되고 나머지는 열로 나갑니다. 우리 체온이 그 열입니다.

정리합니다. 광합성은 빛에너지로 이산화 탄소와 물에서 포도당과 산소를 만들고, 세포 호흡은 포도당과 산소로 ATP 와 열을 꺼내며 이산화 탄소와 물을 돌려줍니다. 두 식이 서로 반대라서 물질은 둘 사이를 돌고, 에너지는 빛에서 ATP 와 열로 한 방향으로 흐릅니다.