광합성으로 포획되는 에너지는 육안 관찰이 가능한 가시광선의 에너지이다. 약 300년 전 뉴튼(Isaac Newton)이 제시하였듯이 가시광선은 보라색에서 시작하여 적색에 이르는 색깔 스펙트럽으로 구성되었다. 19세기 영국의 물리학자 맥스웰(James Clerk Maxwell)에 의하면 가시광선은 전자기 스펙트럼이라고 하는 광범위한 복사선 스펙트럼의 일부라고 하였다(그림8.8). (따로그림) 전자기 스펙트럼 내의 복사선은 입자성과 파동성이라고 하는 성질들 동시에 갖고 있다. 빛의 입자를 광자(photon)라고 하며 모든 복사선은 특징적인 파장을 가진다. 파장이란 한 파동의 마루부터 다음 파동의 마루까지의 거리를 말한다. 감마선, X선, 자외선, 가시광선의 파장은 매우 짧으며 나노미터(nm, 10의 -9승m)의 단위로 측정된다. 가시광선은약 400nm(보라색)부터 700nm(적색)의 범위에 있다. 스펙트럼의 반대편에 있는 적외선은 열선으로 마이크로미터(㎛)에서 밀리미터(mm)의 범위에 있으며 라디오파의 파장은 미터 단위이다.

 파장이 길수록 광자가 운반하는 에너지 함량은 낮다. 가시광선의 범위에서는 보라색광이 가장 짧은 파장과 높은 에너지를 가지며, 적색광은 가장 긴 파장과 낮은 에너지 함량을 가진다. 보라색보다 짧은 파장의 자외선이나 X선과 같은 빛은 화합결합을 파괴하여 복잡한 유기분자를 손상시킬 만큼의 높은 에너지를 갖고 있다. 적외선의 파장을 가진 빛은 물에 의해 흡수되어 유기물 분자의 열이나 운동을 증가시킨다.

 가시광선은 유기물 분자의 전자를 들뜨게 할 수 있는 적정한 양의 에너지를 가지고 있기 때문에 광합성에서는 가시광선을 사용한다. 전자가 최저 에너지 상태에 있을 때 이것을 바닥상태(ground state)라고 한다(그림8.9a). (따로그림) 전자가 가시광선으로부터 에너지를 흡수하면 원자핵 주변의 더 높은 궤도로 올라가는데(rmfla8.9b) 이 상태를 들뜬상태(excited state)라고 한다. 들뜬 상태에 있는 전자의 에너지가 진행할 수 있는 경로에는 세 가지가 있다. (1) 전자가 낮은 에너지 상태로 바로 복귀하는 경로로서 이 때 에너지는 열이나 빛으로 방출된다(그림 8.9c). (2) 전자가 보다 낮은 에너지 준위로 내려올 때 에너지가 다른 분자에게 전달되어 그 분자를 들뜨게 하는 경로(그림8.9d). (3)들뜬 전자 자체가 이동되어 전자 수용체 분자에게 전달되는 경로(그림8.9e) 등이 그것이다. 유기물 분자가 가시광선을 흡수하면 전자는 보다 높은 에너지 준위로 올라간다. 빛을 흡수하는 분자들에는 어떤 것들이 있을까?

 색소란 빛을 흡수하는 물질을 말한다. 대부분의 색소는 가시광선중 특정 파장만을 흡수하며 흡수하지 못하는 파장은 반사시킨다. 엽록소a(chlorophyll a)는 남세균 뿐 아니라 광합성 원생생물과 식물엽록체에서 가장 풍부한 광흡수 색소이다. 엽록소a는 녹생광을 반사하는데 식물이 녹색으로 보이는 것은 이 때문이다. 색소의 빛 흡수패턴을 흡수 스펙트럼(absorption spectrum)이라고 한다. 엽록소a의 흡수 스펙트럼을 보면 가시광선 영역에서 주로 적색과 청색 및 보라색 영역을 흡수함을 알 수 있다(그림8.10). 엽록소 a가 가시광선을 흡수하면 전자가 들뜬다. 들뜬 전자는 엽록소 분자를 떠나 전자 수용체에게 전달된다.

 엽록소b와 카로티노이드(carotenoids)는 일종의 보조 색소(accessory pigment)들이다. 보조 색소의 흡수 스펙트럼은 엽록소a와 다르며 보조 색소들은 광합성에 필요한 가시광선의 범위를 확장시킨다(그림 8.10참조). 이들이 흡수한 에너지는 엽록소a로 전달된다. 엽록소a와 보조 색소들은 모두 광합성을 일으키기 위해 에너지를 흡수한다.

-일반식물학(월드사이언스)