Kwitnące cudownie: kaktusy należą do nielicznych gatunków roślin, które mogą się rozwijać na pustyni. Alan Levine / Flickr, CC BY-SA

Światło słoneczne, okiełznane przez rośliny w procesie fotosyntezy, zasila prawie całe życie na ziemi. Specjalne adaptacje pozwalają niektórym roślinom na przechowywanie baterii dwutlenku węgla przez noc do wykorzystania w fotosyntezie w ciągu dnia, co daje im soczystą przewagę w suchych warunkach pustynnych.

Wszystkie procesy, które składają się na życie – takie jak wzrost, naprawa, ruch i reprodukcja – wymagają źródła energii. Bezpośrednim źródłem tej energii dla wielu żywych istot jest energia chemiczna.

Wysokoenergetyczne cząsteczki oparte na węglu, takie jak cukry i tłuszcze, są rozkładane, aby zasilać procesy życiowe. Te wysokoenergetyczne cząsteczki nie występują naturalnie w środowisku. Nieśmiałe i nieuczciwe organizmy, takie jak ludzie, polegają na kradzieży cząsteczek o wysokiej energii z innych organizmów poprzez zjedzenie ich. Ostatecznie jednak potrzeba więcej cząsteczek o wysokiej energii, aby zastąpić te, które uległy rozkładowi.

Podczas gdy cukry i tłuszcze niestety nie spadają z kosmosu, fotony bogate w energię (kolejna najlepsza rzecz) robią to w postaci światła słonecznego. Bardziej odpowiedzialne od nas organizmy, takie jak rośliny i glony, wykonują fotosyntezę. Proces ten wykorzystuje energię ze światła słonecznego do regeneracji cząsteczek o wysokiej energii z ich produktu odpadowego rozpadu, dwutlenku węgla (CO₂), który jest stale uwalniany do atmosfery przez wszystkie żywe istoty.

W najczęstszej formie fotosyntezy CO₂ jest pobierany do liści w ciągu dnia przez maleńkie pory na powierzchni rośliny. Jest on następnie dołączany lub „utrwalany” bezpośrednio na cząsteczce cukru za pomocą energii słonecznej, aby zostać wykorzystanym jako źródło energii chemicznej – albo przez roślinę, albo przez zwierzę, które ją zjada.

Maleńkie pory przepuszczają dwutlenek węgla do liścia, ale także umożliwiają dopływ tlenu i odprowadzanie wody. Ogar

Ale pozyskiwanie CO₂ z atmosfery może być problematyczne w niektórych sytuacjach. Otwarcie porów na powierzchni rośliny pozwala CO₂ do środka, ale także przepuszcza tlen i wodę. Utrata wody jest problemem w suchym środowisku – szczególnie w ciągu dnia, kiedy CO₂ jest wymagana do fotosyntezy.

Ponadto w gorącym środowisku instalacja ma mniejszą zdolność rozróżniania tlenu i CO₂ i może faktycznie doprowadzić do przyłączenia tlenu do cząsteczki cukru. Gdy cząsteczka tlenu jest związana z cukrem, musi zostać ponownie odcięta przy znacznych kosztach energetycznych, zmniejszając energię netto, którą rośliny mogą pozyskać z fotosyntezy.

Baterie z dwutlenkiem węgla dla wydajności

Wyewoluowało kilka grup roślin, które nie wiążą bezpośrednio atmosferycznego CO₂ zrobić cukry, ale dołączyć CO₂ na inne cząsteczki, które mogą być magazynowane, transportowane i rozkładane w celu uwolnienia CO release₂ znowu jak bateria. Pozwala to uniknąć problemów związanych z utratą wody i przypadkowym wiązaniem tlenu.

Aby wykorzystać tę zdolność, powstały dwie alternatywne strategie: fotosynteza C4, która manipuluje stężeniem CO₂ w przestrzeni i fotosynteza CAM, która manipuluje koncentracją w czasie.

Fotosyntezę C4 przeprowadza 7,600 gatunków, w większości traw, w tym kukurydzy i sorgo. To ma wyewoluował niezależnie co najmniej 60 razy, jednak występuje w mniej niż 0.5% gatunków roślin. Chociaż bardzo konkurencyjne w gorących środowiskach, koszty energetyczne związane z magazynowaniem węgla oznaczają, że rośliny prowadzące konwencjonalną fotosyntezę mają przewagę w niższych temperaturach.

Fotosynteza C4 wykorzystuje specjalny enzym do utrwalania atmosferycznego CO₂ na kwas. Enzym ten znacznie lepiej rozróżnia CO₂ i tlen niż klasyczny enzym stosowany w tradycyjnej fotosyntezie. Kwas transportowany jest w głąb rośliny, gdzie stężenie tlenu jest znacznie niższe, a CO₂ jest ponownie wydana. W tym środowisku o niskiej zawartości tlenu roślina popełnia mniej błędów związanych z wiązaniem tlenu, zwiększając wydajność fotosyntezy. Ten okrężny sposób przeprowadzania fotosyntezy wiąże się z kosztami energetycznymi, ale jest on z nawiązką równoważony spadkiem kosztownego wiązania tlenu w gorących środowiskach.

Kaktusy i ananasy wykorzystują fotosyntezę CAM, aby zachować soczystość. hiyori13/Flickr, CC BY-SA

Innym alternatywnym rodzajem fotosyntezy jest CAM (Crassulacean Acid Metabolism), który poprzedza fotosyntezę C4 o co najmniej 150 milionów lat. To było po raz pierwszy odkryto w rodzinie Gruboszów roślin, ale ma ewoluował niezależnie w wielu rodach roślin, łącznie ponad 9,000 gatunków.

Podobnie jak instalacje C4, CAM przechowuje również CO₂ w kwasie, ale przeprowadza tę reakcję w nocy i zamiast transportować cząsteczki kwasu do innej części rośliny, po prostu przechowuje je w wakuoli – obszarze magazynowym w sercu każdej komórki roślinnej. W ciągu dnia, kiedy dostępne jest światło potrzebne do fotosyntezy, roślina nie musi otwierać porów: w swoich komórkach ma już zapakowany prowiant. Pozwala to roślinie przeprowadzać fotosyntezę bez otwierania porów w ciągu dnia, znacznie zmniejszając ilość utraconej wody.

W ten sposób rośliny CAM, takie jak kaktusy i ananasy, mogą pozostać soczyste i wodniste pomimo gorącego środowiska, w którym rosną. Jednak w wilgotniejszych lub chłodniejszych środowiskach problemy rozwiązywane przez fotosyntezę CAM i C4 nie są tak poważne – a koszty energetyczne magazynowanie i ponowne uwalnianie CO₂ oznacza, że ​​rośliny konkurują ze swoimi tradycyjnie fotosyntezującymi kuzynami tylko w gorącym lub suchym środowisku.

Być może więc ostatnim miejscem, w którym można by się spodziewać, że można znaleźć rośliny CAM, jest pod wodą, pod każdym względem dość wilgotne środowisko. Z pewnym zaskoczeniem CAM był po raz pierwszy odnotowano w zakładzie nad jeziorem Isoetes a następnie odkrycia w cztery inne rodzaje roślin wodnych.

Małe rośliny wodne z rodzaju Isoetes przeprowadzają CAM, aby skoncentrować dwutlenek węgla w podwodnym świecie. US Fish & Wildlife Service

Pomimo bardzo różnych środowisk, rośliny w jeziorach i na pustyniach mają ten sam problem – trudności w pozyskiwaniu CO₂. Podczas gdy dużo CO₂ można rozpuścić w wodzie, dyfunduje znacznie wolniej niż w powietrzu, więc woda wokół rośliny może zostać zubożona w CO₂. Rośliny wodne wyewoluowały fotosyntezę CAM, dzięki czemu mogą nadal pobierać CO₂ w nocy, używając go do uzupełnienia tego, co mogą zdobyć w ciągu dnia.

Oprócz badań mających na celu: wprowadzić fotosyntezę C4 do ryżu, istnieje duże zainteresowanie modyfikacją roślin uprawnych w celu przeprowadzenia fotosyntezy CAM, aby mogły lepiej przetrwać susze spowodowane zmianą klimatu.

O autorze

Daniel Wood, doktorant z biologii roślin, University of Sheffield

Artykuł został opublikowany ponownie Konwersacje na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.

ING