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제 5강 식물의 광합성

1. 실험목표1) 광합성의 의미를 이해할 수 있다.2) 식물의 광합성에 영향을 주는 환경요인을 설명할 수 있다.

2. 실험 소개지구상의 모든 생물은 생명의 유지를 위해 에너지를 필요로 한다. 독립영양 생물인 녹색식물의 잎에서

는 엽록체가 빛을 흡수하여 태양으로부터 온 빛에너지를 화학에너지로 전환하는 광합성이 일어나며, 이를 통해 생명활동에 필요한 에너지를 얻는다. 박테리아의 번식을 비롯하여 콩이 싹을 틔우고 나무가 자라며, 우리가 태어나 자라기 위해 필요한 모든 에너지가 생산자인 식물이 광합성을 통해 모아준 에너지에 의존하고 있다고 볼 수 있을 만큼 광합성은 지구상의 생물계에서 일어나는 가장 중요한 화학 반응이다.

이번 실험에서는 광합성에 영향을 미치는 다양한 요인들을 생각해보고 그에 맞는 실험을 설계하고 수행해본다.

3. 광합성1) 광합성의 정의

식물의 잎이 녹색으로 보이는 이유는 식물 잎 세포의 엽록체에 포함된 엽록소가 녹색 파장의 빛을 반사시키고 파란색과 붉은색 파장의 빛을 주로 흡수하기 때문이다. 녹색식물은 이렇게 태양으로부터 얻은 빛에너지를 이용하여 뿌리에서 흡수한 물, 잎의 기공을 통해 흡수한 이산화탄소를 재료로 하여 당류나 전분과 같은 탄수화물을 합성하는 탄소동화작용을 한다. 이와 같이 탄소동화작용이 고등식물에서 볼 수 있는 바와 같이 빛에너지에 의존하는 경우에 이를 광합성(photosynthesis)이라 한다. 광합성에 의해 만들어진 탄수화물이나 그밖에 변해서 생긴 여러 가지 유기물질 즉, 넓은 의미의 동화 생산물은 높은 화학적 에너지를 간직하고 있으므로 광합성은 태양의 빛에너지를 화학에너지로 바꾸어 식물체 내에 축적하는 과정이라 할 수 있다. 광합성의 결과 포도당을 포함한 6탄당과 전분이 만들어지며 주로 포도당이 주로 생성되기 때문에 광합성을 나타내는 반응식은 흔히 다음과 같이 나타낸다.

6CO2 + 12H2O + 빛 에너지 → C6H12O6 + 6H2O + 6O2 – 688kcal

식물 세포의 엽록체

그림 1. 광합성의 과정

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2) 광합성이 일어나는 장소(1) 광합성의 중요성 : 지구상의 모든 생물은 광합성으로 만들어지는 유기물과 산소를 이용하여 살아가

고 있다.(2) 광합성이 일어나는 장소

- 잎의 책상조직과 해면조직, 공변세포에 있는 엽록체에서 광합성이 일어난다.- 엽록체에는 엽록소라는 녹색의 색소가 있어 빛에너지를 흡수한다.☞ 곰팡이나 버섯은 엽록체가 없어서 광합성을 하지 못하므로 기생생활을 한다.

(3) 엽록체- 녹색식물에 존재하며 럭비공 모양의 녹색 알갱이로 엽록소가 들어있다.- 엽록체에서 실제로 광합성이 일어난다.- 엽록체는 잎의 책상조직에 가장 많으며 해면조직과 공변세포에도 들어있다.

3) 광합성으로 만들어지는 물질(1) 광합성으로 만들어지는 양분 : 녹색식물의 엽록체는 빛, 이산화탄소, 물을 이용하여 포도당, 녹말

등의 탄수화물이 만들어진다.① 포도당 : 광합성의 결과 최초로 만들어지는 물질로 대부분의 식물은 바로 녹말로 변하여 저장기

관에 저장된다.② 녹말 : 포도당이 변하여 동화 녹말로 저장된다. (고구마, 나팔꽃)③ 탄수화물의 이용 : 식물이나 동물은 탄수화물이 몸 안에서 분해될 때 나오는 에너지를 이용하여

살아간다.④ 광합성의 중요성 : 광합성에서 만들어지는 녹말은 녹색식물뿐만 아니라 엽록체가 없는 식물이나

동물이 살아가는데 필요한 양분이 된다.

4) 광합성에 영향을 끼치는 환경요인광합성은 여러 가지 환경요인에 따라 그 속도가 달라진다. 직접적으로 영향을 미치는 환경 요인으로는

온도, 빛의 세기, 빛의 파장, 이산화탄소의 농도 등의 외부에서 오는 조건과 엽록소 함량, 식물체의 함수량, 원형질의 성상, 동화 물질의 엽육 세포 내 체적, 기공의 수와 분포 등의 내부 요인에 영향을 받게 된다.

그림 2. 광합성에 영향을 미치는 주요 환경요인

빛의 세기(광도)의 영향 면에서 식물 세포의 호흡은 빛의 영향을 거의 받지 않지만 광합성은 빛이 약해지면 약해진다. 따라서 특정 약광점에서는 호흡과 광합성의 가스교환이 상쇄되어 외관상 가스교환이 없는 것과 같이 보이는 경우가 있다. 이와 같은 광도를 보상점이라고 하는데 일반적으로 양생식물은 600～

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1,000 Lux가 보상점이 되고, 음생식물은 150～200 Lux가 보상점이 된다. 여름 한낮의 강한 햇빛은 70,000 Lux이므로 보상점은 이와 같은 햇빛의 0.3～1.2 %에 불과하다. 최대동화를 일으키는 광도는 양생식물이 9,000 Lux정도이다.

대기중의 이산화탄소 함량은 0.03 %이며, 0.1 %가 될 때까지 광합성 속도가 증가하다가 그 이후에는 일정해 진다.

온도의 영향을 보면 온도가 높아짐에 따라 광합성이 왕성해지는 것보다도 호흡이 더 활발해지므로 순동화량은 오히려 저하된다. 최적 광합성 온도는 10～35 ℃이며 일반적으로 35 ℃까지는 온도가 상승할수록 광합성이 증가하지만 그 이상의 온도에서는 온도가 증가함에 따라 오히려 광합성량이 감소하는 경향이 있다.

산소의 농도와 광합성의 관계는 산소 농도가 높아지면 식물의 호흡이 활발해지므로 광합성을 진행하는데 필요한 수소이온 등의 물질이 호흡에 이용되어 상대적 광합성의 가동이 원활하지 않다는 설이 있다.

뿌리를 통해 흡수된 수분은 그 흡수량의 1% 밖에 광합성에 이용되지 않는다. 그러나 수분의 부족은 공변세포의 팽압을 저하시켜 기공을 닫히게 하고, 이산화탄소의 부족을 초래하므로 광합성에 영향을 미치게 된다.

4. 식물의 호흡1) 식물도 동물과 마찬가지로 모든 세포가 호흡을 통해 필요한 에너지를 얻는다.

(1) 기체교환이 일어나는 장소① 기공 : 기공을 통해 산소와 이산화탄소 교환② 피목 : 줄기에 있는 흠집과 같이 터진 부분으로 겨울에는 호흡을 함.

2) 낮과 밤의 광합성과 호흡(1) 낮 : 광합성이 호흡보다 더 활발하므로 이산화탄소를 흡수하고 산소를 내보낸다.(2) 밤 : 빛이 없어 광합성이 일어나지 않고 호흡만 함으로 산소를 흡수하고 이산화탄소를 내보낸다.

3) 식물의 호흡과 에너지(1) 광합성으로 생성된 유기양분을 호흡을 통해 분해하여 에너지를 얻는다.(2) 호흡의 결과 발생한 에너지로 체온유지, 생장, 생식 등 모든 생명활동에 이용된다.

영양소 + 산소 → 물 + 이산화탄소 + 에너지

4) 호흡과 광합성

구 분 호 흡 광합성장 소 모든 세포 엽록체

일어나는 때 밤, 낮 낮기체 교환 산소흡수, 이산화탄소방출 이산화탄소흡수, 산소방출

물질의 변화 유기물→무기물 무기물→유기물에너지 에너지 발생 에너지 저장

작용 결과 양분 분해 양분 합성

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<강의용� PPT자료>

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<학생활동지>

식물의 광합성

년 월 일 반 이름

1. 실험목표1) 식물의 잎을 이용하여 광합성률을 측정할 수 있다.2) 식물의 광합성에 영향을 주는 독립변인으로 하는 탐구를 수행할 수 있다.

v 실험 준비물Ÿ 기구: 삼각플라스크, 고무마개, 광원(백열등 또는 할로겐 램프), 수조, 페트리접시,

진공펌프 또는 aspirator, 코르크 보로 또는 펀치Ÿ 재료: 식물의 잎, 1.0% 중탄산나트륨(NaHCO3) 용액

v 실험 방법① 광원과 찬물로 채워진 유리 수조를 준비한다.② 1.0% NaHCO3 용액을 3개의 페트리 접시에 2/3 정도 각각 채운다.③ 250mL 삼각플라스크에 100mL의 1.0% NaHCO3 용액을 채운다.④ 3~4장의 식물 잎을 포개 놓고 잎맥이 없는 부위를 선택하여 코르크 보로로 직경 0.5~1cm 정도의

원형 잎 디스크를 만든다.⑤ 약 40개 정도의 잎 디스크를 삼각플라스크에 들어있는 1.0% NaHCO3 용액 위에 겹치지 않게 띄우

고 유리관이 달린 고무마개로 막고 진공을 가해 잎 디스크를 가라앉게 한다.⑥ 진공을 차단하고 3~4회 플라스크를 흔들어 잎 디스크들이 다시 뜨는지 확인한다. 만일 잎 디스크가

다시 뜨면 진공을 다시 가해 완전히 바닥에 가라앉게 한다.⑦ 바닥에 가라앉은 잎 디스크를 10개 정도 핀셋으로 조심스럽게 1.0% NaHCO3 용액이 들어있는 3개

의 페트리 접시로 옮겨 바닥에 가라앉게 한다.⑧ 20분 동안 광합성이 진행되도록 하면서 떠오른 잎 디스크의 수나 잎 디스크가 떠오르는 시간 등 측

정하여 종속변인으로 사용한다.

« 식물의 잎은 주로 엽육 세포들과 공기로 채워져 있는 수많은 세포 간극(intercellular space)으로 되어 있어 물 위에 뜬다. 그러나 여기에 진공을 가해 공기를 제거하면 세포 간극이 공기 대신 물로 채워져 가라앉게 된다. 그러나 광합성이 진행되어 산소가 생성되면 세포 간극은 다시 산소에 의해 채워지면서 수면 위로 뜨게 된다.

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v 조별 활동 내용실험에 앞서 조별로 광합성에 영향을 미칠 것으로 생각되는 독립변인들을 알아보고, 관심 있는 탐구 문

제를 정한 후 문제의 해결을 위한 실험을 설계하고 수행한다.예) 빛의 세기에 따라 광합성률은 어떻게 변할까?

ü 조별로 광합성 실험 장치를 위한 잎 조각 만들기ü 실험 전에 통제변인과 조작변인을 생각하고, 실험 결과 예상해보기ü 각 조별로 선택한 환경요인에 따라 실험을 설계하고 실험하기 ü 실험 후에 결과를 정리하고 개선된 실험을 설계하기ü 계획한 실험 설계대로 실험을 실시하되 실험을 하는 중에 방법을 변경해도 좋다. ü 실험 결과를 표와 그래프로 나타낸다.※ 데이터를 표로와 그래프로 정리하여 나타내고 보상점, 광포화점 등을 분석해본다.

2. 탐구 문제 선정 및 실험 설계

Ÿ 탐구문제 : 식물의 광합성 속도에 영향을 미치는 환경요인에는 무엇이 있을까?

1) 독립변인 탐색하기

2) 탐구문제에 대한 답으로서 독립변인과 종속변인 사이의 인과적 관계 기술(가설설정)하기

3) 변인 설정① 측정해야 할 것(종속변인)에 대한 조작적 정의:

② 광합성에 영향을 미치는 환경요인들 중에서 우리 조가 알고 싶은 것 한 가지(조작변인):

③ 선택한 조작변인 외에 통제시켜야 할 변인들(통제변인):

4) 실험 설계하기가설의 검증을 위한 실험의 수행 과정을 설계한다. 이 때 반드시 변인통제를 고려한다.

5) 우리 조가 설정한 가설이 맞다면 실험 수행 후 실험결과가 어떻게 나올지 예상하기

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3. 탐구 문제 선정 및 실험 설계1) 조작변인에 대한 실험 결과를 다음 표에 기록한다.

조작변인

( )

떠오르는 시간평균

2번째 3번째 4번째 5번째

2) 표에 정리된 내용을 그래프로 나타내보자.

평균

(초)

환경요인( )

3) 결과 해석 및 결론 도출① 선택한 독립변인과 광합성량과의 관계를 설명해 보자.

② 실험 결과가 예상과 일치하는가? 만약 그렇지 않다면 그 이유는 무엇이라고 생각하는가?

4) 논의① 이 실험에서 잎 디스크가 떠오르는 이유는 무엇인가?

② 이 실험에서 NaHCO3 수용액을 사용하는 이유는 무엇인가?

③ 이 실험에서 광원과 실험장치 사이에 수조를 둔 이유는 무엇인가?

④ 잎 디스크가 떠오르는 속도(또는 떠오른 잎 디스크의 수)와 광합성량과의 관계를 설명해보자.

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4. 더 생각해보기1) 식물들에서 광합성이 잘 일어나게 하려면 어떤 환경 조건이어야 할까? 다른 조의 실험결과와 종합

하여 설명해보자.

2) 소나무, 사탕수수, 선인장 등 모든 식물들에서 광합성이 잘 일어나는 환경조건은 같을까? 아니면 식물의 종류에 따라 다를까? 답하고 그 이유를 써보자.

3) 더욱 정확한 실험 결과를 얻기 위해 각 조가 실시했던 실험 방법을 개선하여 설계해보자.

▶ 가설 :

▶ 조작변인 :

▶ 통제변인 :

▶ 실험 방법 :