지구의 식물은 얼마나 건강할까?

 

[별들의 후손이 들려주는 천문학 이야기] Living Planet Programme (9) - FLEX 미션

2021.06.17 09:00 김민재 칼럼니스트

• 형광량 측정 – 식물은 얼마나 광합성을 잘하고 있을까?
• 식물의 엽록체(chloroplast) 안 엽록소(Chlorophyll)에서 빛 에너지를 흡수하여 물을 분해하고 (명반응이라 일컬음) 이산화탄소를 환원시켜서 (암반응이라 일컬음) 유기 양분인 포도당과 산소를 만드는 과정을 광합성(photosynthesis)이라고 한다. 이처럼 식물은 산화 환원 반응을 수반한 광합성을 통하여 에너지원을 얻는다. 이는 에너지를 생성하는 동물의 호흡 과정과 비슷하면서도 다르다. 호흡은 전자가 탄수화물로부터 이탈되면서 에너지 준위가 낮은 방향으로 이동되고 안정된 물 분자를 형성하기에 에너지를 방출하는 자발적 과정이다. 반면, 광합성은 물 분자로부터 이산화탄소로 전자를 이동시키기 위하여 (높은 에너지 준위로 전자를 이동시키기 위함) 반드시 빛 에너지가 필요한 비자발적 과정이다.
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• 광합성에 관한 간단한 모식도 ⓒsscbiology.weebly.com
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• 에너지 전이 과정을 일으키기 위하여 엽록소 분자들은 빛 에너지를 흡수하고 들뜬상태로 되어야 한다. 이때 불필요한 에너지가 방출될 때는 들뜬상태의 엽록소가 지니고 있는 에너지가 여러 가지 경로로 소실되며 바닥 상태로 돌아오게 된다. 예를 들면, 광계2 (Photosystem 2)에서는 물 분자를 쪼개 얻은 전자를 반응중심에서 취한 후 다음단계로 넘겨주는 역할을 진행하는데, 이 과정에서 빛 에너지 외에 불필요한 에너지 일부는 형광 형태의 에너지로 방출되게 된다. 이를 형광(fluorescence) 또는 엽록소 형광(Chlorophyll Fluorescence)이라고 부른다.
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• 형광 반응에 관한 간단한 모식도 ⓒMisra et al. 2012
• 엽록소가 흡수한 에너지들은 대략 열, 광합성 그리고 형광등에 이용되기에 형광은 식물의 생리 상태를 연구할 수 있는 매우 중요한 단서가 될 수 있다. 예를 들어서, 광합성 활성은 형광 세기와 관련이 있는데, 광합성 활성이 감소함은 형광의 증가를 뜻한다. 따라서 형광은 건강한 식생과 생리학적으로 교란된 식생 모두에서 민감한 광합성의 지표가 될 수 있다. 이처럼 형광 분석법은 식물을 파괴하지 않고도 식물에 관한 연구를 수행할 수 있기에 많은 식물 연구자들에게 각광받고 있는 방법이다.
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• 식물이 스트레스를 받으면 형광량이 늘어나고 광합성 양이 줄어든다. ⓒarborcheck
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• 전 세계 산림의 형광량을 어떻게 조사할 수 있을까?
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• 하지만 지구 식물들의 형광량 측정은 녹록지 않다. 지구상의 넓은 산림들이 방출하는 형광량을 어떻게 한꺼번에 조사할 수 있을까? 지구상의 산림 면적은 산업화 이전엔 약 59억 헥타르라고 알려져 있었으며, 각종 건설과 기후 변화 등 여러 요인으로 인하여 현재는 약 40억 헥타르 정도이다. 이는 여전히 지구 대지 면적의 1/3이나 차지하는 면적이며 이 넓은 산림 면적의 형광량을 조사하기란 여전히 불가능에 가깝다

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• 형광량 실험중 ⓒUniversity of Milano-Bicocca
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• .유럽 우주국(ESA)은 이를 위해서 지구 관측 위성을 이용하기로 결정했다. 전 세계 식물들의 형광량을 위성과 함께 측정한다면 글로벌한 식물 형광량 지도를 만들 수 있기 때문이다. 2015년 ESA는 Living Planet Programme의 일원이자 8번째 지구 탐험가 미션으로 전 세계 식물의 형광량을 조사하는 미션으로 FLEX (FLuorescence EXplorer) 위성을 선정했다. 최종 후보에 올랐던 2개의 미션 중 나머지 하나는 대기 중의 이산화탄소와 메탄을 측정하여 정량화하는 미션인 CarbonSat이었는데 빠르게 증가하는 전 세계 인구에 대비한 식량 및 섬유질 그리고 물 문제 해결 차원에서 FLEX 미션이 선택되었다고 한다.
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• FLEX 미션의 과학적인 목표
• FLEX 임무는 식생 형광(vegetation fluorescence)을 매핑하여 식생 형광, 광화학 반사율(photochemical reflectance index), 표면 온도 등을 정량화함으로써 식물의 광합성 활동을 정량화하는 미션이다.

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• FLEX 위성의 상상도 ⓒFLEX/ESA
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• 식물의 실제 광합성 효율을 알 수 있다면 식물이 얼마나 건강한지, 식물이 받는 스트레스는 어떠한지 알 수 있으며 이는 더 나아가 지구의 탄소 순환에 대한 더 나은 이해도를 가져다줄 수 있다. 예를 들어서, 형광은 대기 중 배출되는 이산화탄소를 토양의 탄산염/유기물 등의 담체에 고정하여 지하나 지상에 저장하는 과정인 탄소 격리(Carbon sequestration)와 밀접한 관계가 있다. 또한 식물 형광량 글로벌 지도를 통해서 인류는 농업 관리를 효율적으로 할 수 있으며 식량 안보에도 도움을 줄 수 있다. 따라서 위 미션은 단순히 학문적인 의미만 포함하는 미션이 아니다. 지구 시스템 역학에 대한 이해를 향상시켜주는 생물학적 지표 미션인 동시에 세계 인구에 대한 식량 생산 및 수요에도 관련이 있는 범지구적인 미션이라고 할 수 있다.

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• FLEX미션은 식물의 보이지 않는 스트레스를 관측 할 수 있다 ⓒUniversity of Milano-Bicocca/FLEX/ESA
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• FLEX만의 특징과 페이로드
• FLEX는 2016년에 발사된 기상 위성 Copernicus Sentinel-3 임무와 함께 비행할 예정이다. Sentinel-3는 전 세계 해양의 온도 및 표면 연구를 수행하고 있는 위성인데 위 위성에는 OLCI (Ocean and Land Colour Instrument) 및 SLSTR (Sea and Land Surface Temperature Radiometer)장비가 탑재되어 있다. Sentinel-3위성은 기상을 연구하는 미션인 만큼 구름의 영향이 최소화되는 시기를 알려줄 수 있기에 FLEX의 관측을 훨씬 더 수월해질 수 도와줄 수 있다. FLEX는 2024년 3월 기아나 우주 센터에서 Vega C 로켓과 함께 발사될 예정이며 최소 3년 반 동안 산림을 관측할 전망이다.

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• FLEX 위성과 함께 지구를 관측하는 Sentinel-3위성의 상상도 ⓒFLEX/ESA
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• FLEX는 500-780nm의 가시광선 스펙트럼 범위의 데이터를 수집하는 고해상도 형광 이미징 분광계 (FLORIS: Fluorescence Imaging Spectrometer)를 탑재한다. 위기기는 산소 흡수 대역 (759 – 769nm 그리고 686 – 697nm), 엽록소 흡수 및 광화학 반사율 지수 (PRI: Photochemical Reflectance Index) 대역에서 0.5에서 2.0 nm마다 정밀하게 관측한다.

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  Sentinel-3 위성 상상도ⓒSentinel-3/ESA

• 과학이 사회 문제를 해결한다. 
• ESA의 사무총장인 얀 베르너 박사 (Dr. Jan Wörner)는 위 미션을 통해서 농업 관리와 지속 가능한 바이오 경제 개발이 가능해질 것이라고 밝히며 식생의 실제 생산성 정보 제공은 물론이고 우리 생태계를 이해하는 데 도움을 줄 수 있을 것으로 기대를 모았다.
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• FLEX 위성의 상상도 ⓒFLEX/ESA
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• FLEX 임무는 과학적 이해를 높이는 동시에 관련 사회 문제를 해결하는 현재 가장 혁신적인 미션 중 하나이다. 이 때문에 ESA의 지구 관측 관리국장 볼커 라이빅 박사 (Dr. Volker Liebig)는 FLEX 미션의 선택이 지구 탐험가 임무 중에서 가장 중요한 이정표 중 하나라고 밝혔다. 또한 FLEX 임무를 선택함으로써 독일, 프랑스 등의 ESA 회원국들은 지구에 관해서 더 잘 이해함은 물론이고 과학계가 사회에 도움을 주겠다는 약속을 지킬 수 있는 기회라는 점이 의미 있다고 밝힌 바 있다.
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• • 김민재 칼럼니스트
  •  minjae.kim07@gmail.com