Квітучі дивовижні: кактуси - одні з небагатьох видів рослин, які можуть процвітати в пустелі. Алан Левін / Флікр, CC BY-SA

Сонячне світло, запряжене рослинами в процесі фотосинтезу, живить майже все життя на землі. Спеціальні пристосування дозволяють певним рослинам протягом доби зберігати акумулятор вуглекислого газу для використання у фотосинтезі протягом дня, надаючи їм соковиту перевагу в умовах сухих пустель.

Процеси, що становлять життя - такі як ріст, ремонт, переміщення та відтворення - потребують джерела енергії. Безпосереднім джерелом цієї енергії для багатьох живих є хімічна енергія.

Високоенергетичні молекули на основі вуглецю, такі як цукри та жири, розщеплюються для живлення процесів життєдіяльності. Ці високоенергетичні молекули природним чином не зустрічаються у навколишньому середовищі. Сором’язливі та нечесні організми, такі як людина, покладаються на крадіжку високоенергетичних молекул у інших організмів, поїдаючи їх. У кінцевому рахунку, однак, потрібно більше молекул з високою енергією, щоб замінити розбиті.

Хоча цукри і жири, на жаль, не дощують з космосу, багаті енергією фотони (наступне найкраще) роблять у вигляді сонячного світла. Більш відповідальні організми, ніж ми, такі як рослини та водорості, здійснюють фотосинтез. Цей процес використовує енергію від сонячного світла для регенерації високоенергетичних молекул від продуктів їх розпаду, вуглекислого газу (СО)₂), який постійно викидається в атмосферу всіма живими істотами.

У найбільш поширеній формі фотосинтезу, СО₂ протягом дня забирається в листя через крихітні пори на поверхні рослини. Потім він прикріплюється, або «фіксується», прямо на молекулу цукру, використовуючи енергію від сонячного світла, щоб використовуватись як джерело хімічної енергії - або рослиною, або твариною, яка її їсть.

Крихітні пори пропускають вуглекислий газ у лист, але також дозволяють кисню потрапляти та виводити воду. Photohound

Але придбання СО₂ з атмосфери може бути проблематичним у деяких ситуаціях. Відкриття пір на поверхні рослини дозволяє СО₂ в, але також випускає кисень і виводить воду. Втрата води - проблема в сухих умовах - особливо вдень, коли СО₂ необхідний для фотосинтезу.

Крім того, у жарких умовах рослина менше здатна розрізняти кисень та СО₂ і може насправді приєднати кисень до молекули цукру. Після того, як молекула кисню закріпиться за цукром, його потрібно знову цінувати за значні енергетичні витрати, зменшуючи чисту енергію, яку рослини можуть отримувати від фотосинтезу.

Вуглекислотні батареї для підвищення ефективності

Еволюціонувало кілька груп рослин, які безпосередньо не фіксують атмосферний СО₂ робити цукри, але додайте СО₂ на інші молекули, які можна зберігати, транспортувати та розбивати, щоб вивільнити СО₂ знову, як батарея. Це дозволяє уникнути проблем втрати води та випадкової фіксації кисню.

Для використання цієї здатності склалися дві альтернативні стратегії: фотосинтез C4, який маніпулює концентрацією CO₂ у просторі та фотосинтез CAM, який маніпулює концентрацією у часі.

Фотосинтез C4 виконують види 7,600, більшість з яких є травами, включаючи кукурудзу та сорго. Це має еволюціонували незалежно щонайменше 60 разів, але є у менш ніж 0.5% видів рослин. Незважаючи на високу конкурентоспроможність у гарячих умовах, енергетичні витрати, пов'язані зі зберіганням вуглецю, означають, що рослини, що здійснюють звичайний фотосинтез, мають перевагу при більш низьких температурах.

Для фотосинтезу C4 використовується спеціальний фермент для фіксації атмосферного СО₂ на кислоту. Цей фермент набагато краще розрізняє СО₂ і кисню, ніж класичний фермент, що використовується у традиційному фотосинтезі. Кислота транспортується глибоко всередині рослини, де концентрації кисню значно нижчі, а СО₂ перевидається. У цьому середовищі з низьким вмістом кисню рослина робить менше помилок, що фіксують кисень, підвищуючи ефективність фотосинтезу. Цей обхідний спосіб проведення фотосинтезу є енерговитратним, але це більш ніж компенсується зменшенням дорогої фіксації кисню в гарячих умовах.

Рослини кактусів і ананасів використовують фотосинтез CAM, щоб залишатися соковитими. hiyori13 / Flickr, CC BY-SA

Інший альтернативний вид фотосинтезу - це CAM, або метаболізм крассулейцевої кислоти, який передує фотосинтезу C4 щонайменше 150 мільйонів років. Це було вперше виявлено в сім'ї Крассула рослин, але має еволюціонували незалежно в багатьох родах рослин, що налічує понад 9,000 видів.

Як і у C4, CAM також зберігає CO₂ в кислоті, але вона здійснює цю реакцію вночі, і замість того, щоб транспортувати молекули кислоти до іншої частини рослини, вона просто зберігає їх у вакуолі - зоні зберігання в основі кожної клітини рослини. Протягом дня, коли доступне світло, необхідне для фотосинтезу, рослині не потрібно відкривати свої пори: у нього вже зберігається запакований обід у його клітинах. Це дозволяє рослині здійснювати фотосинтез, не відкриваючи пори протягом дня, масово зменшуючи кількість втраченої води.

Ось так рослини CAM, такі як кактуси та ананаси, можуть залишатися соковитими та водянистими, незважаючи на спекотне середовище, у якому вони ростуть. Однак у більш вологих та прохолодних умовах проблеми, які вирішуються фотосинтезом CAM та C4, не такі серйозні - і енергетична вартість зберігання та повторне вивільнення CO₂ означає, що рослини є конкурентоспроможними лише для традиційно фотосинтезуючих кузенів у жарких чи сухих умовах.

Мабуть, саме останнє місце, яке можна було б очікувати, щоб знайти рослини САМ, - це підводне, досить вологе середовище за всіма даними. Тому з деяким сюрпризом з'явився CAM вперше повідомили на озері завод Ізоете супроводжуються відкриттями в Росії чотири інші пори водних рослин.

Крихітні водні рослини роду Isoetes проводять CAM для концентрації вуглекислого газу у підводному світі. Служба риби та дикої природи США

Незважаючи на дуже різні умови, рослини в озерах і пустелях, в кінцевому рахунку, мають одну і ту ж проблему - складність придбання СО₂. Хоча багато СО₂ може розчинятися у воді, вона дифундує набагато повільніше, ніж у повітрі, тому вода навколо рослини може виснажуватися СО₂. Водні рослини розвивали фотосинтез CAM, щоб вони могли продовжувати приймати СО₂ вночі, використовуючи його для доповнення того, що вони можуть придбати протягом дня.

Окрім досліджень, спрямованих на ввести фотосинтез C4 до рису, виявився значний інтерес до модифікації рослинних культур для проведення фотосинтезу CAM, щоб вони могли краще пережити посухи, викликані змінами клімату.

про автора

Деніел Вуд, докторант біології рослин, Університет Шеффілда

Ця стаття перевидана з Бесіда за ліцензією Creative Commons. Читати оригінал статті.

ІНГ