이전 편.

1 https://gall.dcinside.com/board/view?id=tree&no=4087642

2 https://gall.dcinside.com/board/view/?id=tree&no=408835&page=1




사실 첨삭편이라고는 써도, 전편들과 비슷한 내용도 있을거고 다른 부분도 있음.

그 이유는 새로 참고한 자료들이 이전 편들과는 연식 차이가 꽤 나기 때문.

변명이지만 전편들을 쓸 때는, 정보의 신뢰성만을 기준으로 조사했어서 과거 자료인줄도 몰랐다.

이번에는 PAR 파장의 개념에 대한 확장 (ePAR) 과 보충,

그것들을 총괄한 결론으로 나눠 써보려 함.

내용에 관심이 없다면 5. 결론만 참고해도 괜찮을 것 같습니다.

틀린 부분이 있다면 지적 부탁드려요.

관련 자료를 제공해준 신입님에게 감사합니다.


참고한 자료 :

ePAR : https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2021.693445/full

LED 효율 : https://ntrs.nasa.gov/citations/20210016720

UV-B : http://www.kjoas.org/view/kjoas_201412_003.pdf

UV-A : https://www.koreascience.or.kr/article/JAKO201633056056940.pdf




1 서론.


1편에서 대강, 2편에서 조금 깊게 다루었던 PAR / 광합성유효방사.

그건 태양빛의 파장 중에서도 특히 광합성에 유효한 파장의 범위라는 뜻.

그런데 그 범위를 확장하자는 말이 나온다.

왜냐? 바로 본 편의 주인공이 될 far-red / 근적외선 때문임.

한번 알아보도록 하자.


+ 아래 나오는 수치들은 모두 본 자료가 출처임을 밝힘.




2 태양빛과 PAR, ePAR.

먼저 사진 하나 보고 가자.


viewimage.php?id=39afd523&no=24b0d769e1d32ca73deb83fa11d028313eb0d568a1e85ef2a8b7b1d72144b7ce4d8a68d5b7c338d345260fb63c3c0b3e32e086c8ca448d4146e504d3040ee98d


전자기파의 범위 중, 태양빛. 그리고 그 안의 가시광선을 나타낸 사진임.

가시광선 기준으로 왼쪽은 자외선 / 오른쪽은 적외선.

그게 뭐야? 라고 묻는다면 이런 설명을 덧붙혀도 될 듯.

자외선은 썬크림으로 막는 거. 적외선은 식물로 막을 수 있다는, 흔히 알려진 ' 전자파 '.

깊게 갈 것 없이 이렇게만 알아둬도 충분하다.


그 중에서도 PAR의 파장은 400 ~ 700nm인데, 이것 역시 사진을 보고 가자.


viewimage.php?id=39afd523&no=24b0d769e1d32ca73deb83fa11d028313eb0d568a1e85ef2a8b7b1d72144b7ce4d8a68d5b7c338d345260fb63c3c0b3e32e086c89f488c4010e15787040ee98d


400 ~ 700nm 이므로 색깔은 대강 보라색부터 검붉은색 사이.

하지만 PAR의 범위 너머, 732nm 이상의 파장에서도 흥미로운 현상이 나타났는데,

바로 광계 1 을 작동시킨다는 것.

아니 x발 잠깐만.

광계가 뭔데?

복잡하지만 광합성의 시작 과정이라고 보면 된다.

간단하게 빛을 화학 에너지로 바꾸는 공정.

그리고 1과 2가 있는데 1은 700nm, 2는 680nm에서 가장 효율적이라고만 알면 됨.

아무튼간에 간단히 쓰면 700nm 너머의 빛은 far-red 라고 씀.

그리고 광계 1을 작동시킴.


그러면, 광계던 뭐던간에 광합성에 영향을 주는게 맞다면,

왜 지금까지는 PAR 개념에서 제외되었나?

혼자서는 힘을 못 썼기 때문이다.

또 당시 연구 분위기가 720nm 아래의 파장이 대세였기에 그 이상은 상대적으로 뒷전이었던 것도 있었고.

여하튼 이 녀석은 이런저런 이유로 ' 광합성 ' 영역에서는 제외되다시피 밀려났었다.

심지어 1957년, 빛을 680nm 이상 + 이하 로 조합하면 시너지로 효율이 올라간다고 발표되었음에도 말이다.

/ Emerson Enhancement Effect

그리고, 그러다보니 어느샌가 PAR 범위는 정해져버렸고..

far-red 파장은 그렇게 PAR 범위에서 빠지게 되었음.

하지만


LED 기술이 발전하며 상대적으로 밀려났던 파장의 빛도 관심을 받기 시작한다.

그리고 알려진 사실.

기존 전구 조합 ( 적 + 청 / 백 ) 에 735nm 에서 peak인 LED 를 더하면 광계 2와 광합성의 효율이 증가한다는 사실.

덧붙히자면 여기서 ' 파장 ' 이 아닌 ' LED ' 란 단어를 쓴 이유.

기술의 발전으로 LED에선 빛의 파장 범위를 좁힐 수 있게 되었지만,

그럼에도 LED 안에는 여러 파장들을 포함하고 있기 때문.

우리가 " 밥을 먹는다 " 라고 할 때 일반적으로 쌀 뿐만이 아니라 반찬도 포함한다는 것과 비슷함.

그냥 넘어가도 상관은 없는 부분.

중요한 것은 far-red 라는, 700 ~ 750nm의 파장이 과학계에 다시 등장한 것이다.

어쨌든.

마을에서 왕따당하던 나루토가 참선생 이루카를 만나 웅장해지기 시작한 것처럼,

far-red 파장도 발전된 LED를 만나 이렇게 연구되기 시작한 것이다.

그 찐따같던 far-red 파장도 과연 ㅡ빛ㅡ 으로 거듭날 수 있을지?


결과만 놓고 본다면, 앞서 정의한 PAR의 범위를 보면 알겠지만,

far-red 파장은 PAR에 편입되지 못했다.

왜? 효율이 나온다면서?

그 내용을 간략하게 짚어보자.

실험은 3가지로 진행되고, 각각 다른 각도의 결과를 보여줬다.


1번은 위에 쓴 내용.

적 + 청 혹은 백색의 배경빛에 far-red 파장의 빛을 섞었을 때 광계 2 효율과 광합성 속도가 증가했다.


2번은

기존 PAR 파장, 그 총 광량중 30% 를 far-red 로 대체했을 때 기존 PAR 파장만으로 비췄을만큼 효과적이었다.


3번은

400 ~ 750nm 에서 총 광량은 똑같이, far-red 의 비율은 15% 내외의 차이를 둬서 CQY를 측정함.

CQY는, 광량 1몰당 고정된 이산화탄소의 몰이라고 하는데..

그냥 광합성 효율이라고 알아둬도 될 것 같다.

여하튼 이 실험에서도 정확한 수치는 나오지 않았지만 far-red의 중요성을 확인했다고 함.


하지만 그럼에도 이 far-red은 PAR에 포함되지 못했다.

그래서 이 far-red 파장을 포함한 새로운 PAR 개념을 만들었는데,

그것이 ePAR. 즉 400 ~ 750nm 의 파장인 것이다.




3. ePAR.


이 부분은 far-red 가 왜 기존 PAR 개념에 편입되지 못했는지에 대해 다뤄봄.

흥미가 없다면 그냥 4로 넘어가도 무방.

DLC / Design Lights Consortium 이라는 비영리 조직이 있다.

간단히 말하면, 해썹처럼, 조명ㅡ 특히 LED 를 위주로 한 인증을 해준다고 보면 될 듯.

자세한 건 https://www.standardpro.com/demystifying-the-dlc-certification/ 참고.

여하튼. far-red 가 PAR에 포함되지 못한 건 이 DLC의 결정이라고 한다.

왜?

그 결정에 대한 이유와 자료에서의 반박을 정리해보겠음.


1. 1번 실험 결과,

기존 배경 빛의 색깔에 따라 효율이 달라질 수 있다.

> 이건 1번 실험에서 적+청 빛과 백색에서의 far-red의 효율 상승폭이 약간 달랐기 때문인데,

자료에 따르면 백색 빛에는 이미 4% 의 far-red 파장이 섞여있었기 때문일거라 함.


2. 1번 실험 결과,

배경 빛의 광량이 증가할수록 far-red의 효과가 떨어져 효율적인 측정이 불가능할 것이다.

> 하지만 해당 실험에서는 이미 각 파장에 따른 far-red 의 광합성 속도 증가폭 역시 실험했다.

그 결과 다양한 파장에서 절대적인 광합성 속도 상승을 발견할 수 있었음.

그렇기에 당연히 광량 증가에 따른 far-red의 효율 하락은 잘못 해석한 것.


3. 2번 실험 결과,

상승효과는 far-red와 PAR 파장의 시너지가 아닌 far-red 만의 개별적인 것이다.

> 이미 far-red 파장의 단독 적용은 별 효과가 없다는 것은 인증되었음.

하지만 기존 PAR 파장에 far-red를 30%나 섞었는데도 결과는 단독 PAR 파장만큼 효과적이었던 것을 봐서,

이것 역시 잘못 해석한 것.


4. 전체적인 far-red 파장별 반응에 대한 걱정. ( 파장별 반응결과가 확실하지 않은 것을 말하는 것 같다. )

> 먼저 17년도에 진행한 실험을 살펴보면,

678에서 최대 732nm 까지 상승한 파장은 광계 1 반응을 이끌어 광합성 효율을 상승시켰다.

하지만 752nm 이상은 별 효과가 없었음. ( 당시 LED로는 732 ~ 752nm 의 구현이 불가능. )

그리고 이후 2020년도의 실험을 보면,

각 peak점이 711, 723, 746nm 인 LED에서 peak점이 높을수록 효율이 낮아지는 것을 발견했음.

하지만 peak 711nm 인 LED는 29%가 700nm미만, peak 746nm 인 LED는 24%가 750nm 이상이었다.

즉 peak 711nm 은 기존 PAR 파장이 29% 섞여있어 당연히 수치가 컸던 것이고

peak 746nm 은 24% 가 이미 큰 영향이 없다고 밝혀진 750nm 이상이었기에 작았던 것.

거기다, 애초에 이런 LED는 파장 스펙트럼의 FWHM 이 18 ~ 24nm 나 되기 때문에 결정적인 결과를 내놓지는 못한다.

( FWHM은 https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%98%EC%B9%98%EC%A0%84%ED%8F%AD 참고.)

그리고 PAR에 포함시키기 위해서 far-red 파장별 정확한 값을 내놓으라는 건 PAR의 정의에도 맞지 않음.

왜냐?

PAR 범위를 채택할 당시 결정적이었던 조건은,

" 서로 다른 파장이 연결되어 서로 다른 광합성 결과를 만들어낸다 " 는 것이었기 때문.

far-red 를 PAR에 포함시키는 건, 완벽하지 않을 수 있지만 식물과 빛에 대해서 설명할 땐 지금보다 정확해질 것이다.


이렇게 말했지만, 어쨌든간에 PAR 개념의 확장은 실패했다.

그래서 ePAR / 400 ~ 750nm 라는 용어를 새로 만든 것이고.




4. 그래서, 다시 파장.


일단 ePAR에 대한 설명은 이 정도로 해두고, 다음은 2번째 자료.

이 2가지를 합쳐 중요한 부분만 뽑아보자면


1. PAR의 대표 3색깔. 적 / 청 / 녹 중에서 흡수율이 가장 떨어지는 것은 녹색.

2. 그러나 녹색은 투과율이 높아 잎 뒷면, 줄기 등에서도 광합성이 일어나 오히려 청색보다 효율이 높음.

3. 그러므로 광합성 효율은 적 > 녹 > 청. ( 적색은 청색보다 광자 효율이 약 25% 높다. )

4. 거기다 peak 660nm인 적색 LED는 peak 450nm인 청색 LED보다 약 32% 전기를 절약할 수 있다.

5. 하지만 적색 단독으로는 비정상적인 성장이 관측됨. ( 청색 LED를 비추니 정상으로 돌아옴. )

6. 현재 식물등으로써의 색 배합은 적색의 비율이 가장 높지만, 청색과 다른 파장도 빼놓아선 안된다.


자외선에 관해서도 덧붙히자면,


3ebec223e0dc30b360abd3a75b857164ba44a70f34528ece0d7abe7320f7e8


사진처럼 역시 파장에 따라 UV- A / B / C 로 나뉜다.

개중 C는 가장 파장이 짧고 그만큼 에너지가 커 위험하다.

하지만 대부분 오존층과 대기에서 완전히 걸러진다고 함.

B는 내가 말하는 것보다 사진이 빠를 것 같아 가져옴.


7cef8368f5dc3f8650bbd58b3682716da47e

7cec8168f5dc3f8650bbd58b36887665f3d4



요약하자면 엽록소를 파괴하고 재합성을 막지만,

식물이 그에 적응하는 과정에서 항산화물질을 만들게 하고 잎과 줄기 자체를 두껍게 만들게 한다.

하지만 일정 수준을 넘어가면 극심한 생육장애가 일어나니 쓸수록 강해지는 것도 한계가 있는 모양.

식물등만 쐬워주다 갑자기 직사광선에 노출된 식물이 화상을 입는 이유가 이것이다.

마지막 A.


0c8ef407d6f676b660b8f68b12d21a1d07074aff4c


생장이 억제되는 면도 있었지만, 엽록소 및 기능성 화합물 함량이 증가했다고 한다.

다른 논문도 살펴보면 작물마다 차이는 있지만 기형 생장 억제 / 근소한 잎 굵어짐도 있었다 함.

B보다는 전체적으로 순둥해진 효과로 보인다.


정리.

이로써 우리는 각 파장에 따른 여러가지 효과를 알아보았다.

본인이 1편에서 올렸던 것과는 다른 결과로,

식물은 PAR 파장뿐만이 아니라 태양빛의 각 대역을 골고루 사용하고 있었다.

그렇다는 건, 식물의 생장에 있어서는 PAR ( +ePAR ) 가 가장 효과적일 수 있지만,

정상적인 생장에 있어서는 다른 파장도 필요하다는 말이 되겠다.

각 파장마다 부수적인 효과는 다르겠지만 건강하려면 편식을 시켜서는 안 되겠다.




5. 결론.


위에서는 이론을 다뤘으니 약속대로 실제 적용을 위해 Q&A를 만들어 봄.



7cf3c028e2f206a26d81f6e74281736e


7ff3c028e2f206a26d81f6e645887c6d73


7ef3c028e2f206a26d81f6e64485726a

1: https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=nnibr_re_kr&logNo=221448417929

2: https://www.eurekalert.org/news-releases/700054

3: https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=news&id=277753




6. 마무리.

변명이지만, 본인이 전문가가 아닌 관계로 쓰는데 8시간쯤 걸림.

그래서 마지막으로 갈수록 말이 꼬이거나 어색할 수도 있는 점 참고 부탁.

처음 식물등 알아볼 때 막막함이 생각나 최대한 알기 쉽게 쓴다고 했는데 어떨지는 잘 모르겠음.

아무튼간에, 그래도 위 자료들로 나름의 결과는 낼 수 있어서 만족.

거기다 남에게 설명하려면 최소한 어느 정도의 지식이 필요한건가 하는 것을 절실하게 깨달았음.

설명해주는 사람들이 정말 대단해보였음.


마지막으로,

왜 이렇게까지 해야 하는지에 대해 혼자만의 회의감이 많이 들었었음.

그냥 취미인데 굳이 이렇게까지 해야 하나 싶기도 하고.

알아봤자, 헤헤 전구 주광색.. 정도로밖에 안 쓸텐데 왜?

그럼에도 결론은 잘했다는 생각. 분명 실생활에서 전문적으로 쓸 일은 없겠지.

하지만 무의미한 호기심이라도 이런 것으로 삶에 더 많은 잔뿌리를 뻗게 되는 것 아닐까.

그리고 한편으로는, 매일매일을 이런 순수한 호기심으로 살아갈 과학자들이 부럽기도 했다.

여러분들의 가정에 빛이 들기를 바람.

신입님에게 감사합니다.