Virágzó csodálatos: a kaktuszok azon kevés növényfajok közé tartoznak, amelyek a sivatagban virágozhatnak. Alan Levine / Flickr, CC BY-SA
A növények által a fotoszintézis során kiaknázott napfény a föld szinte minden életét táplálja. A speciális adaptációk lehetővé teszik bizonyos növények számára, hogy egy éjszakán át tároljanak egy széndioxid-elemet, hogy napközben fotoszintézisben felhasználják őket, és így szaftos előnyt élveznek száraz sivatagi körülmények között.
Az életet alkotó folyamatok - például növekedés, javítás, mozgás és szaporodás - mind energiaforrást igényelnek. Ennek az energiának a közvetlen forrása sok élőlény számára a kémiai energia.
A nagy energiájú szénalapú molekulák, például a cukrok és a zsírok, lebomlanak az élet folyamatainak működtetésére. Ezek a nagy energiájú molekulák természetesen nem fordulnak elő a környezetben. A félénk és tisztességtelen szervezetek, mint például az emberek, arra támaszkodnak, hogy a nagy energiájú molekulákat ellopják más szervezetekből. Végül azonban több nagy energiájú molekulára van szükség a lebontottak helyettesítésére.
Míg a cukrok és zsírok sajnos nem esnek az űrből, az energiadús fotonok (a következő legjobb dolog) igen, napfény formájában. Nálunk felelősségteljesebb szervezetek, például növények és algák hajtják végre a fotoszintézist. Ez a folyamat a napfényből származó energiát használja fel a nagy energiájú molekulák regenerálására bomlási hulladékukból, a szén-dioxidból (CO2), amelyet minden élőlény folyamatosan kibocsát a légkörbe.
A fotoszintézis leggyakoribb formájában a CO2 a nap folyamán levelekbe veszi a növény felszínén található apró pórusokon keresztül. Ezután egyenesen egy cukormolekulához kapcsolódik, vagy „rögzül” a napfényből származó energiát felhasználva, hogy vegyi energiaforrásként használja fel - akár a növény, akár az azt fogyasztó állat.
Az apró pórusok beengedik a szén-dioxidot a levélbe - ugyanakkor beengedik az oxigént és a vizet is. Fotókutya
De a CO megszerzése2 a légkörből származó helyzet bizonyos helyzetekben problémás lehet. A pórusok kinyitása a növény felületén lehetővé teszi a CO-t2 be, de beengedi az oxigént és a vizet is. A vízveszteség problémát jelent száraz környezetben - különösen napközben, amikor a CO2 szükséges a fotoszintézishez.
Ezenkívül forró környezetben a növény kevésbé képes megkülönböztetni az oxigént és a CO-t2 és végül oxigént köthet a cukormolekulához. Miután az oxigénmolekula a cukorhoz van rögzítve, újra jelentős energiaköltséggel kell értékelni, csökkentve a növények fotoszintézis útján megszerezhető nettó energiáját.
Szén-dioxid-akkumulátorok a hatékonyság érdekében
Több olyan növénycsoport alakult ki, amelyek nem rögzítik közvetlenül a légköri CO-t2 cukrokat készíteni, de a CO-t csatolni2 más molekulákra, amelyek tárolhatók, szállíthatók és lebonthatók a CO felszabadítása érdekében2 megint, mint egy elem. Ezzel elkerülhetők a vízveszteség és a véletlen oxigénmegkötés problémái.
Két alternatív stratégia alakult ki ennek a képességnek a kihasználására: a C4 fotoszintézis, amely manipulálja a CO koncentrációját2 térben, és a CAM fotoszintézis, amely manipulálja az időbeli koncentrációt.
A C4 fotoszintézist 7,600 faj végzi, többségében füvek, köztük kukorica és cirok. Megvan legalább 60-szor függetlenül fejlődött, mégis a növényfajok kevesebb mint 0.5% -ában van jelen. Noha forró környezetben rendkívül versenyképes, a szén-dioxid-tárolással járó energetikai költségek azt jelentik, hogy a hagyományos fotoszintézist végző növények előnyei alacsonyabb hőmérsékleten vannak.
A C4 fotoszintézis egy speciális enzim segítségével rögzíti a légköri CO-t2 savra. Ez az enzim sokkal jobban képes megkülönböztetni a CO-t2 és oxigén, mint a hagyományos fotoszintézis során alkalmazott klasszikus enzim. A sav mélyen a növény belsejébe kerül, ahol az oxigén koncentrációja jóval alacsonyabb, és a CO2 újra kiadják. Ebben az alacsony oxigéntartalmú környezetben a növény kevesebb oxigénmegkötő hibát követ el, növelve a fotoszintézis hatékonyságát. A fotoszintézis körforgalmi útjának energetikai költségei vannak, de ezt több mint ellensúlyozza a drága oxigénmegkötés csökkenése forró környezetekben.
A kaktuszok és az ananász növények a CAM fotoszintézisét használják, hogy szaftosak maradjanak. hiyori13 / Flickr, CC BY-SA
A fotoszintézis másik alternatív fajtája a CAM vagy a Crassulacean Acid Metabolism, amely legalább 4 millió évvel megelőzi a C150 fotoszintézisét. Ez volt először a Crassula családban fedezték fel növények, de van sok törzsben önállóan fejlődött növények száma, összesen több mint 9,000 faj.
A C4 üzemekhez hasonlóan a CAM is tárolja a CO-t2 egy savban, de ezt a reakciót éjszaka hajtja végre, és ahelyett, hogy a savmolekulákat a növény egy másik részébe szállítaná, egyszerűen tárolja őket a vakuolában - az egyes növényi sejtek szívében lévő tárolóhelyen. Napközben, amikor rendelkezésre áll a fotoszintézishez szükséges fény, a növénynek nem kell kinyitnia a pórusait: csomagolt ebédet tartalmaz már a sejtjeiben. Ez lehetővé teszi a növény számára a fotoszintézist anélkül, hogy napközben kinyitná a pórusait, masszívan csökkentve az elvesztett víz mennyiségét.
A CAM növények, például a kaktuszok és az ananászok így maradhatnak zamatosak és vizesek, annak ellenére, hogy melegek a környezetük. Nedvesebb vagy hűvösebb környezetekben azonban a CAM és a C4 fotoszintézis által megoldott problémák nem olyan súlyosak - és a a CO tárolása és újbóli felszabadítása2 azt jelenti, hogy a növények csak forró vagy száraz környezetben versenyképesek a hagyományosan fotoszintetizáló unokatestvéreikkel.
Talán a legutolsó hely, amelyre számíthatunk a CAM növények megtalálásához, a víz alatt van, minden szempontból elég nedves környezet. Némi meglepetéssel volt tehát a CAM először az Isoetes tavi növényben számoltak be után felfedezések következnek négy másik vízinövény nemzetség.
Az Isoetes nemzetség apró vízi növényei CAM-ot végeznek a szén-dioxid koncentrálására a víz alatti világban. Amerikai Hal- és Vadvédelmi Szolgálat
A tájakon és a sivatagokban található növények nagyon eltérő környezetük ellenére végső soron ugyanazt a problémát mutatják - a CO megszerzésének nehézségei2. Míg sok CO2 oldható vízben, sokkal lassabban diffundál, mint a levegőben, így a növény körüli víz kimerülhet a CO-ból2. A vízi növények úgy fejlesztették a CAM fotoszintézisét, hogy folytathassák a CO felvételét2 éjszaka, kiegészítve azzal, amit nappal megszerezhetnek.
A célt szolgáló kutatások mellett vezesse be a rizsbe a C4 fotoszintézist, jelentős érdeklődés mutatkozott a növénynövények módosítására a CAM fotoszintézisének elvégzésére, hogy azok jobban át tudják élni az éghajlatváltozás okozta aszályokat.
A szerzőről
Daniel Wood, a növénybiológia doktorandusz hallgatója, Sheffieldi Egyetem
Ezt a cikket újra kiadják A beszélgetés Creative Commons licenc alatt. Olvassa el a eredeti cikk.
ING
