1. 잎의 해부학적 구조로 빛은 최대한 흡수된다
태양에서 1.3kWm¯²의 방사에너지가 지구로 도달하지만 이 에너지의 5% 정도만이 광합성을 하는 잎에 의해서 탄수화물로 바뀐다. 비율이 이처럼 낮은 까닭은 입사광의 주요 부분이 광합성색소에 의하여 흡수되기에는 너무 짧거나 긴 파장을 가지고 있기 때문이다. 흡수된 빛에너지의 대부분은 열로 소실되며 이보다 훨씬 적은 양이 형광으로 소실된다.
태양의 방사에너지는 여러 파장의 빛으로 구성된다는 내용을 상기해 보자. 400~700nm까지의 파장만이 광합성에 사용되며, 따라서 85~90%의 PAR이 잎으로 흡수된다. 엽록소가 스펙트럼의 청색과 적색 부위를 흡수하므로 투과하거나 반사되니 빛은 녹색이 풍부하여 식생은 녹색을 띠게 된다.
잎의 해부학적 구조는 빛을 흡수하도록 고도로 특수화되어 있다. 최외각 세포층인 표피는 일반적으로 가시광선을 통과시키며, 각각의 세포들은 볼록하다. 볼록한 상피세포들은 종종 렌즈로서 역할을 하며, 빛의 초점을 맞추어 주변의 빛보다 엽록소에 도달하는 빛의 양을 몇 배 더 크게 한다. 초본식물에서는 일반적으로 표피가 렌즈 역할을 하게 되며 특히 빛의 수준이 매우 낮은 숲의 하층에서 자라는 열대식물에서 이런 형상이 두드러진다.
표피의 밑에서 광합성을 수행하는 가장 위층의 세포를 책상세포라고 한다. 이들은 한 층 내지 세 층의 두께를 가지는 평형한 원통형으로 존재하는 기둥 모양을 하고 있다. 일부 식물들은 몇 층의 원주형 책상세포를 갖는데 첫 번째 층이 높은 엽록소 농도를 가져서 잎의 안쪽으로 입사광을 거의 통화시키지 않는다면 식물이 여러 층의 세포층 세포를 가지는 것이 얼마나 효율적인지 반문할 수 있다. 체효과와 광 채널링 때문에 예상한 것보다 더 많은 빛이 실제로 책상세포의 첫 번째 층을 투과하게 된다.
체효과는 엽록소가 세포 전체에 걸쳐 고루 분포하기보다는 엽록체에 국한되기 때문에 나타난다. 엽록소가 이처럼 포장되면 엽록소 분자 사이에 공간이 생기고, 엽록체 사이에 공간이 만들어지는데 이곳에서는 빛이 흡수되지 않는다. 이를 체효과라 한다. 책상세포 내의 일정량의 엽록소에서 흡수되는 빛의 총량은 동일한 양의 엽록소가 용액에 분산되어 있을 때보다 적다.
광 채널링은 입사광의 일부가 빛을 잎의 내부로 용이하게 전달하도록 배열되어 있는 책상세포의 중앙액포를 통하여, 그리고 세포들 사이의 공간을 통하여 전파되는 것이다.
책상세포 아래쪽으로는 해면 엽육세포가 있는데, 이 세포들은 모양이 불규칙하고 주변에 공간이 많다. 공기와 물의 경계층에서 빛은 반사되거나 회절되어 진행 방향이 불규칙해지는데 이 현상을 빛의 산란이라 한다.
세포와 공기 경계에서 반사가 일어나면 광자 진행 경로의 길이가 크게 늘어나서 흡수 확률이 증가되기 때문에 빛의 산란은 잎에서 특히 중요하다. 따라서 잎 안에서의 진행경로의 길이는 잎 두께의 4배 이상이다. 책상조직은 빛을 직진하게 하고, 해면엽육은 빛을 가능한 한 산란시키는 특성 때문에 잎 전체로 보면 빛은 더욱 균질하게 흡수된다.
사막과 같은 일부 환경에서는 빛이 너무 많이 비치기 때문에 해를 입을 수 있다. 이런 환경에서 잎은 흔히 털, 염선 그리고 잎의 표면에서 빛의 반사를 증가시키는 큐티클 층 바깥의 왁스와 같은 독특한 해부학적인 특징을 지녀, 빛을 덜 흡수한다. 이러한 적응의 결과로, 빛의 흡수는 40%나 감소되어 너무 많은 빛을 흡수하면 발생할 수 있는 과열 등의 문제들이 최소화된다.
2. 식물은 햇빛을 두고 경쟁한다
식물들은 일반적으로 햇빛을 두고 경쟁한다. 잎은 줄기와 기둥을 곧추세워 빛을 흡수하고, 광합성률과 생장에 영향을 주는 수관을 형성한다.
다른 잎들로 인해 그늘이 지는 잎의 광합성률은 훨씬 낮다. 일부 식물들은 빛을 거의 통과시키지 않는 매우 두꺼운 잎을 갖고 있다. 민들레와 같은 다른 식물들은 잎들이 서로 그리고 줄기에 매우 가까이 방사상으로 자라는 로제트형의 생장 습성을 갖기 때문에 이 아래에서는 어떤 잎도 자랄 수 없다.
교목들은 빛을 가로채는 뚜렷한 적응 현상을 나타낸다. 교목의 정교한 분지 구조는 햇빛을 최대로 가로챈다. PAL은 대부분 잎에 의해서 흡수되어 숲의 수관을 뚫고 침투할 수 있는 경우가 드물다.
음지 서식지의 다른 측면은 수관의 불연속 층을 뚫고 들어오는 부분적인 햇빛인 태양반점인데, 이는 태양의 움직임에 따라 음지 잎을 가로질러 이동한다. 밀집한 숲에서 태양반점은 임상의 잎에 도달하는 광지속을 초당 열 배 이상으로 변화시킬 수 있다. 이런 잎에서 태양반점은 낮 동안에 이용할 수 있는 전체 광에너지의 50%에 해당하지만 이 중요한 에너지는 불과 몇 분간만 이용할 수 있을 뿐이다.
태양반점은 식물체의 상층부 잎에 의해서 그늘이 짓는 밀집한 식물 집단의 하층부 잎의 탄소 대사에서 중요한 역할을 한다. 식물생리학자들과 생체학자들은 태양반점에 대한 광합성 장치와 기공의 빠른 반응에 실제적인 관심을 두어 왔는데, 왜냐하면 이들은 소량의 순간적인 햇빛을 포획하도록 특수화된 독특한 생리적 반응이기 때문이다.
3. 잎의 각도와 운동으로 빛의 흡수가 조절된다
잎은 수관 내의 빛 수준에 어떻게 영향을 미칠까? 태양에 대한 잎의 각도는 편평한 광센서에서 나타난 것과 동일한 방식으로 그것에 입사하는 햇빛의 양을 결정한다. 만일 태양이 바로 위를 비춘다면 수평의 잎은 가파른 각도를 갖는 잎보다 더 많은 햇빛을 받는다. 자연조건에서는 수관의 정상에 있는 햇빛에 완전히 노출된 잎은 엽신에 최대 광량보다는 적은 햇빛이 입사하도록 가파른 잎의 각도를 갖는 경향이 있다. 이렇게 하면 더 많은 햇빛이 수관 내로 침투할 수 있게 된다. 수관 내의 깊이가 증가할수록 잎의 각도는 감소한다.