광의존적 반응과 광비의존적 반응
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광합성 양의 증가와 감소는 합성되는 녹말의 양이 많이 적어 측정할 수 없으므로, 물풀에서 나오는 기포의 발생량이 많고 적음으로 쉽게 확인할 수 있다. 스탠드를 앞뒤로 이동시켜 빛의 양을 조절함으로써 광합성 속도에 영향을 미치는 환경요인을 확인하였다. 어느정도 이상이 되면 기포 수는 더 이상 증가하지 않는다. 25C 경우, 스탠드와 물풀의 사이 거리가 감소할 수록(빛의 세기가 증가할수록) 발생하는 기포수는 증가했다. 반면에 0C 경우, 스탠드와 물풀의 사이 거리와 상관없이 발생하는 기포수는 "0"이었다.
광합성에 소요되는 에너지는 햇빛(가시광선 영역)이다. 엽록체 안에 존재하는 엽록소에서는 특정한 파장의 빛(청색파장(450nm 부근)과 적색파장(650nm 부근))을 흡수하면 엽록소 분자 내 전자가 들떠서 전자전달계에 있는 다른 분자에 전달된다. 전자전달계에서는 들어온 전자 에너지로 산화 환원 반응을 진행하여 ADP를 ATP로 바꿔주는 광인산화 반응을 한다.
엽록소 만으로는 빛의 스펙트럼 중 일부분만 이용할 수 있으므로, 식물은 엽록소 외에도 다른 많은 종류의 색소 화합물(카로티노이드, 크산토필 등)을 통하여 다양한 파장의 빛 에너지를 흡수하거나 너무 강한 빛을 거리기도 한다.
1900년 대 초 블랙만(Frederick Frost Blackman)은 매티(Gabrielle Matthaei)와 함께 빛의 세기와 온도가 탄소고정률에 미치는 효과를 조사하였다. 일정한 온도에서 광합성률은 초기에는 빛의 세기에 따라 증가하다가 어느정도 빛이 강해지면 더 이상 증가하지 않고 일정해졌다. 이 실험은 매우 중요한 2가지 사실을 보여준다.
첫째, 이 실험 광화학반응(photochemical reaction)이 일반적으로 온도에 영향을 받지 않는다는 이전의 통념을 뒤집고 새로운 이론을 제시했다. 온도에 영향을 받지 않고 빛의 세기의 영향 을 받는 광의존적반응(Light-dependent reaction)과 온도에 영향을 받는 광 비의존적반응(Light-independent reaction) 2개의 반응 과정이 전체 광합성 과정에 관여한다는 것을 알려주었다.
둘째, 블랙만의 실험은 제한 요소(limiting factors)의 개념을 설명해준다. 빛이 강하더라도 온도가 낮을 경우 광합성량이 증가하지 않았다. 따라서 한 가지 결과에 여러 원인이 작용할 경우 여러 가지 중 한 가지 원인이 전체 결과를 결정짓는 제한 요소로 작용할 수 있다는 것을 블랙만의 실험을 통해 알 수 있다.
식물체 내에 흡수된 이산화탄소는 포도당의 탄소 골격을 구성하게 된다. 이산화탄소 농도가 증가하면 광 비의존적 반응이 증가하여 다른 요소에 의해 저해되기 전까지 탄수화물로 저장되는 탄소량이 늘어난다. 이러한 탄소 고정량 증가의 원인 중 하나는 광 비의존적 반응에서 이산화탄소를 조정하는데 관여하는 효소인 루비스코(RuBisCo)이다.
루비스코는 탄소고정 뿐만 아니라 광호흡에도 관여하므로(루비스코는 이산화탄소 뿐만 아니라 산소와도 결합한다.) 이산화탄소의 농도 증가는 루비스코의 광호흡 반응을 촉진할 수 있다. 루비스코에 의한 광호흡 반응이 감소되면 전체적으로 봤을 때 식물의 탄소고정량이 늘어나므로 식물에게 이롭다.