광독립영양생물

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광독립영양생물

[ photoautotroph ]

생물은 영양학적으로 광독립영양생물(photoautotroph), 광종속영양생물(photoheterotroph), 화학독립영양생물(chemoautotroph), 화학종속영양생물(chemoheterotroph)의 네 가지로 분류된다. 광독립영양생물은 빛을 에너지원으로 이산화탄소를 고정하여 세포 내 물질과 세포의 대사작용에 필요한 화학에너지를 합성한다. 생태계에서 광독립영양생물은 종종 종속영양생물(heteroph)의 먹이원으로 이용된다. 육상식물과 조류(algae), 원생생물, 식물성프랑크톤, 남세균(cyanobacteria)이 이에 속한다. 광독립영양생물(photoautotroph)는 그리스어 photo(light), auto(self), troph(nourishment)의 합성어이다.

목차

  1. 1.역사
  2. 2.광독립영양생물의 분류
    1. 2.1.산소발생(oxygenic) 광독립영양생물
    2. 2.2.비산소발생(anoxygenic) 광독립영양생물
  3. 3.관련 용어
  4. 4.참고문헌

역사

생물의 영양학적 명명법은 Cold Spring Harbor 심포지엄에서 논의된 내용을 Lwoff 등 다수의 학자가 미생물을 위주로 정리하여 1946년에 제안하였고,1) Chlorella vulgaris를 광독립영양생물의 예로 제시하였다. 생태학적으로 지구상의 생물이 생명을 유지하기 위하여 광독립영양생물이 필요한 것으로 알려져 왔지만 절대 화학종속영양생물의 발견으로 이 개념이 완벽하지 아닌 것으로 알려졌다.

광독립영양생물의 분류

생물을 분류하는 방법 중 한가지는 탄소와 에너지를 획득하는 방법에 의한 것이다. 독립영양생물(autotroph)은 이산화탄소(CO2)와 같은 무기탄소에서 탄소를 얻고, 종속영양생물(heterotroph)은 다른 생물이 생산한 유기물에서 탄소를 획득한다. 광영양생물(phototroph)은 태양의 빛 에너지를, 화학영양생물(chemotroph)은 무기 또는 유기 화합물의 산화시킴으로써 에너지를 얻는다. 전자를 얻는 방법에 따라 환원된 무기 분자로부터 전자를 얻는 무기영양생물(lithotroph)과 환원된 유기 분자로부터 전자를 얻는 유기영양생물(organotroph)로 구분한다.

광독립영양생물은 빛 에너지로 이산화탄소를 동화하여 세포내 화학에너지로 변환시키는 생물로, 태양에너지를 이용하여 환원상태의 유기화합물에서 탄소를 얻어 세포 에너지와 생합성에 이용하는 광종속영양생물과 구분된다. 광종속영양생물은 탄수화물, 지방산 등을 탄소원으로 이용한다. 광독립영양생물에서 빛 에너지는 생물막에 존재하는 일련의 전자이동체(electron carrier)를 거치는 전자전달 과정을 통하여 화학에너지로 전환되는 광합성을 포함한다. 광합성은 산소를 발생하는 것(oxygenic)과 산소를 발생하지 않는 형태(anoxygenic)의 두 종류로 나뉜다.

산소발생(oxygenic) 광독립영양생물

조류를 포함하는 식물, 남세균으로 엽록소 a(chlorophyll a)를 주요 광합성 색소로 사용하고 비순환성 광인산화반응(non-cyclic photophosphorylation)의 부산물로 산소를 발생한다. 엽록소를 포함하는 2개의 반응중심부위를 포함하는 Z scheme으로 일컬어지는 광계2와 광계1을 거치고 빛 에너지를 이용하여 전자공여체인 물분자를 산화시켜 산소를 방출하고 수소이온(proton, H+)을 발생시킨다. H+는 ATP를 생성하고 NADP+ 를 환원시켜 NADPH를 만든다.

산소발생 광독립영양생물에서 빛을 사용한 산소방출과 수소이온을 통한 에너지전달 과정과 비산소발생 광독립영양생물에서 빛을 사용한 에너지전달 과정. (출처: 한국식물학회)

비산소발생(anoxygenic) 광독립영양생물

보라색 황세균(purple bacteria), 녹색황세균(green sulfur bacteria), 헬리코박테리아가 포함되며 빛에 의하여 광합성색소인 엽록소(chlorophyll) 또는 세균엽록소(bacteriochlorophyll)를 흥분(excitation)시켜 전자를 전달한다. 비산소발생 광합성 생물은 산소를 발생시키지 않으며, 대표적으로 황세균은 혐기적 광합성을 통하여 전자공여체로 황화수소(H2S)로부터 황을 생산한다. 세균엽록소는 광합성생물의 엽록소보다 긴 파장의 빛을 흡수하며, 깊은 물속에서 조류가 흡수하지 않는 광의 파장을 이용한다. 녹조의 일종인 Ulva는 긴 파장의 빛을 흡수하지 못하지만 보라생황세균은 해조류를 통과한 긴 파장의 빛을 이용하여 광합성을 할 수 있다. 비순환적인산화를 거치는 산소발생 광독립영양생물과 달리 순환적인산화(cyclic photophosphorylation)을 통하여 전자는 반응중심으로 되돌아 가고 NADPH를 생산하지 않는다.

관련 용어

광종속영양생물, 엽록소, 화학독립영양생물, 화학종속영양생물

참고문헌

1. Lwoff A, van Niel CB, Ryan PJ 등 (1946) Nomenclature of nutritional types of microorganisms. Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology, 5th Ed, Vol XI. Cold Spring Harbor, NY, 302–303