Kukkivat ihmeelliset: kaktukset ovat harvoja kasvilajeja, jotka voivat menestyä autiomaassa. Alan Levine / Flickr, CC BY-SA

Auringonvalo, jota kasvit käyttävät fotosynteesin aikana, valtaa lähes kaiken elämän maan päällä. Erikoissovellukset sallivat tiettyjen kasvien säilyttää hiilidioksidiakun yön yli fotosynteesiin päivän aikana, jolloin ne saavat mehevän edun kuivissa autiomaassa.

Elämää muodostavat prosessit, kuten kasvu, korjaus, liikkuminen ja lisääntyminen, edellyttävät kaikkia energialähteitä. Tämän energian välitön lähde monille eläville asioille on kemiallinen energia.

Korkean energian hiilipohjaiset molekyylit, kuten sokerit ja rasvat, hajoavat elämän prosessien tehostamiseksi. Nämä korkean energian molekyylit eivät luonnollisesti esiinny ympäristössä. Työ-ujo ja epärehelliset organismit, kuten ihmiset, luottavat siihen, että varastetaan suuria energia-molekyylejä muista organismeista syömällä niitä. Viime kädessä tarvitaan kuitenkin enemmän korkean energian molekyylejä, jotka korvaavat hajotetut.

Vaikka sokerit ja rasvat eivät valitettavasti sateudu avaruudesta, energiaa sisältävät fotonit (seuraava paras asia) tekevät auringonvalossa. Enemmän vastuullisia organismeja kuin meitä, kuten kasveja ja leviä, suoritetaan fotosynteesissä. Tämä prosessi käyttää energiaa auringonvalolta regeneroimaan korkean energian molekyylejä niiden hajoamistuotteesta, hiilidioksidista (CO₂), jota kaikki elävät asiat vapauttavat jatkuvasti ilmakehään.

Yleisin fotosynteesimuoto, CO₂ otetaan päivittäin kasvinpinnan pienien huokosten kautta. Sitten se liitetään tai ”kiinteästi” suoraan sokerimolekyyliin, jossa käytetään auringonvaloa, jotta sitä voidaan käyttää kemiallisen energian lähteenä - joko kasvi tai eläin, joka sitä syö.

Pienet huokoset päästävät hiilidioksidia lehteen - mutta sallivat myös hapen ja veden. Photohound

Mutta hankkimalla CO₂ ilmakehästä voi olla ongelmallista joissakin tilanteissa. Huokosten avaaminen kasvipinnalla antaa CO: n₂ sisään, mutta myös antaa hapen sisään ja vedellä. Veden menetys on ongelma kuivissa ympäristöissä - erityisesti päivän aikana, jolloin CO₂ tarvitaan fotosynteesiin.

Lisäksi kuumissa ympäristöissä kasvi ei pysty erottamaan happea ja CO: ta₂ ja voi itse asiassa päätyä kiinnittämään happea sokerimolekyyliin. Kun happimolekyyli on kiinnitetty sokeriin, se on arvostettava uudelleen merkittävillä energiakustannuksilla, mikä vähentää kasvien energiaa fotosynteesistä.

Hiilidioksidiparistot tehokkuuden takaamiseksi

Useat kasvien ryhmät ovat kehittyneet, jotka eivät suoraan kiinnitä ilmakehän CO: ta₂ tehdä sokereita, mutta kiinnitä CO₂ muihin molekyyleihin, jotka voidaan varastoida, kuljettaa ja hajottaa CO: n vapauttamiseksi₂ uudelleen, kuten akku. Tämä estää vesihukan ja vahingossa tapahtuvan hapen kiinnityksen ongelmat.

Kaksi vaihtoehtoista strategiaa on kehittynyt hyödyntämään tätä kykyä: C4-fotosynteesi, joka manipuloi CO-pitoisuutta₂ avaruudessa ja CAM-fotosynteesi, joka manipuloi pitoisuutta ajoissa.

C4-fotosynteesi suoritetaan 7,600-lajeilla, joista suurin osa on ruohoa, mukaan lukien maissi ja durra. Sillä on kehittynyt itsenäisesti vähintään 60-kertaa, mutta on läsnä vähemmän kuin 0.5%: ssa kasvilajeja. Vaikka hiilen varastointiin liittyvät energiakustannukset ovat erittäin kilpailukykyisiä kuumissa ympäristöissä, tavanomaisen fotosynteesin suorittavilla laitoksilla on reuna alemmissa lämpötiloissa.

C4-fotosynteesissä käytetään erityistä entsyymiä ilmakehän CO: n korjaamiseksi₂ happoon. Tämä entsyymi on paljon parempi erottamalla CO₂ ja happea kuin perinteisessä fotosynteesissä käytetty klassinen entsyymi. Happo kuljetetaan syvälle laitoksen sisälle, jossa happipitoisuudet ovat paljon pienemmät ja CO₂ vapautetaan uudelleen. Tässä vähähappisessa ympäristössä laitos tekee vähemmän happea kiinnittäviä virheitä, mikä lisää fotosynteesin tehokkuutta. Tähän liikenneympyrään liittyy energinen kustannus fotosynteesin tekemiseen, mutta tämä on enemmän kuin kompensoitu kalliiden hapen kiinnitysten vähenemisellä kuumissa ympäristöissä.

Kaktukset ja ananaskasvit käyttävät CAM-fotosynteesiä pysymään mehevinä. hiyori13 / Flickr, CC BY-SA

Toinen vaihtoehtoinen fotosynteesityyppi on CAM tai Crassulacean Acid Metabolism, joka edeltää C4-fotosynteesiä vähintään 150 miljoonalla vuodella. Tämä oli löydettiin ensin Crassulan perheestä kasvit, mutta sillä on kehittynyt itsenäisesti monissa linjoissa 9,000-lajeja.

C4-tehtaiden tavoin CAM säilyttää myös CO: n₂ happo, mutta se suorittaa tämän reaktion yöllä, eikä sen sijaan, että happomolekyylit kuljetettaisiin kasvin eri osaan, se yksinkertaisesti tallentaa ne vakuoliin - varastointialueeseen kunkin kasvisolun sydämessä. Päivän aikana, kun fotosynteesiin tarvittava valo on käytettävissä, laitoksen ei tarvitse avata huokosiaan: sillä on pakattu lounas, joka on jo tallennettu sen soluihin. Tällöin laitos pystyy suorittamaan fotosynteesin avaamatta huokosia päivällä, mikä vähentää merkittävästi menetetyn veden määrää.

Näin CAM-kasvit, kuten kaktukset ja ananakset, voivat pysyä mehevinä ja vetisinä huolimatta kuumista ympäristöistä, joissa ne kasvavat. Märkä- tai jäähdytinympäristöissä CAM- ja C4-fotosynteesin ratkaisemat ongelmat eivät kuitenkaan ole yhtä vakavia - ja energiakustannukset CO: n tallentaminen ja uudelleen vapauttaminen₂ tarkoittaa, että kasvit ovat kilpailukykyisiä vain niiden perinteisesti fotosynteesivien serkkujen kanssa kuumissa tai kuivissa ympäristöissä.

Siksi viimeinen paikka, joten voisi odottaa löytävänsä CAM-kasveja veden alla, melko märkä ympäristö kaikilla tileillä. Tästä syystä CAM oli hieman yllättynyt ensimmäinen raportoitu järviasemassa Isoetes seuraa löytöjä neljä muuta vesikasvien sukua.

Isoetes-suvun pienet vesikasvit suorittavat CAM: n hiilidioksidin keskittämiseksi vedenalaiseen maailmaan. Yhdysvaltain kala- ja villieläinpalvelu

Hyvin erilaisista ympäristöistään huolimatta järvien ja aavikkojen kasvit jakavat lopulta saman ongelman - CO: n hankinnan vaikeuden₂. Vaikka paljon CO₂ voidaan liuottaa veteen, se diffundoituu paljon hitaammin kuin ilmassa, joten veden ympärillä oleva vesi voi heikentyä CO: sta₂. Vesikasvit ovat kehittäneet CAM-fotosynteesiä, jotta ne voivat jatkaa CO: n ottamista₂ yöllä, käyttämällä sitä täydentämään sitä, mitä he voivat hankkia päivän aikana.

Tutkimuksen tavoitteena on ota käyttöön C4-fotosynteesi riisiin, on ollut merkittävää kiinnostusta viljelykasvien muuttamiseen CAM-fotosynteesin suorittamiseksi, jotta ne voivat paremmin selviytyä ilmastonmuutoksen aiheuttamista kuivuudesta.

Author

Daniel Wood, kasvibiologian tohtori, Sheffieldin yliopisto

Tämä artikkeli julkaistaan ​​uudelleen Conversation Creative Commons -lisenssin alla. Lue alkuperäinen artikkeli.

ta