Blomstrande underbar: Kaktusar är bland de få växtarter som kan frodas i öknen. Alan Levine / Flickr, CC BY-SA
Solljus, utnyttjat av växter i fotosyntesprocessen, driver nästan allt liv på jorden. Speciella anpassningar gör det möjligt för vissa växter att lagra ett koldioxidbatteri över natten för användning i fotosyntes under dagen, vilket ger dem en saftig fördel vid torra öknen.
Processerna som utgör liv - till exempel tillväxt, reparation, rörelse och reproduktion - alla kräver en energikälla. Den omedelbara källan till denna energi för många levande saker är kemisk energi.
Koldioxidbaserade molekyler med hög energi, såsom sockerarter och fetter, bryts ner för att driva livets processer. Dessa högenergimolekyler förekommer inte naturligt i miljön. Arbetssäkra och oärliga organismer, såsom människor, är beroende av att stjäla hög energi molekyler från andra organismer genom att äta dem. I slutändan krävs dock fler högenergimolekyler för att ersätta de brutna ned.
Medan sockerarter och fetter tyvärr inte regnar ner från rymden, gör energirika fotoner (nästa bästa sak) i form av solljus. Mer ansvarsfulla organismer än oss, som växter och alger, utför fotosyntes. Denna process använder energi från solljus för att regenerera hög energimolekyler från deras nedbrytningsprodukt, koldioxid (CO2), som ständigt släpps ut i atmosfären av alla levande saker.
I den vanligaste formen av fotosyntes, CO2 tas upp i löv under dagen via små porer i växtytan. Det är sedan fastsatt, eller "fixerat", rakt på en sockermolekyl som använder energi från solljus, för att användas som källa till kemisk energi - antingen av växten eller av djuret som äter det.
Små porer släpper koldioxid in i bladet - men tillåter också syre och vatten ut. Photohound
Men förvärvar CO2 från atmosfären kan vara problematisk i vissa situationer. Öppnande av porerna på växtytan gör att CO2 in, men låter också syre och vatten ut. Vattenförlust är ett problem i torra miljöer - särskilt under dagen, vilket är när CO2 krävs för fotosyntes.
Dessutom, i heta miljöer, är anläggningen mindre diskret mellan syre och CO2 och kan faktiskt hamna ihop syre till sockermolekylen. När en syrgasmolekyl är fixerad till ett socker, måste det värderas igen vid betydande energiska kostnader, vilket minskar den netto energi som växter kan förvärva från fotosyntes.
Koldioxidbatterier för effektivitet
Flera grupper av växter har utvecklats som inte direkt fixar atmosfärisk CO2 att göra sockerarter, men bifoga CO2 på andra molekyler som kan lagras, transporteras och bryts ner för att frigöra CO2 igen, som ett batteri. Detta undviker problem med vattenförlust och oavsiktlig syrefixering.
Två alternativa strategier har utvecklats för att utnyttja denna förmåga: C4 fotosyntes, som manipulerar koncentrationen av CO2 i rymden, och CAM fotosyntes, som manipulerar koncentrationen i tid.
C4 fotosyntes utförs av 7,600-arter, de flesta av dem gräs, inklusive majs och sorghum. Det har utvecklats oberoende åtminstone 60 gånger, men är närvarande i mindre än 0.5% av växtarter. Även om det är mycket konkurrenskraftigt i heta miljöer, innebär de energiska kostnaderna för koldioxidlagring att växter som utför konventionell fotosyntes har kanten vid lägre temperaturer.
C4 fotosyntes använder ett speciellt enzym för att fixa atmosfärisk CO2 på en syra. Detta enzym är mycket bättre att diskriminera mellan CO2 och syre än det klassiska enzymet som används i traditionell fotosyntes. Syran transporteras djupt inuti växten, där koncentrationerna av syre är mycket lägre och CO2 återges. I denna miljö med låg syre gör anläggningen färre syrefixeringsfel, vilket ökar effektiviteten i fotosyntesen. Det finns en energisk kostnad för denna rundkantsväg för att göra fotosyntes, men detta kompenseras mer än av minskningen av kostsam syrefixering i heta miljöer.
Kaktus- och ananasplantor använder CAM-fotosyntes för att vara saftiga. hiyori13 / Flickr, CC BY-SA
Den andra alternativa typen av fotosyntes är CAM eller Crassulacean Acid Metabolism, som föregår C4 fotosyntes med minst 150 miljoner år. Detta var först upptäckt i Crassula-familjen av växter men har utvecklats självständigt i många linjer av växter, totalt över 9,000-arter.
Liksom C4-växter, lagrar CAM också CO2 i en syra, men den utför denna reaktion på natten, och i stället för att transportera syra molekylerna till en annan del av växten, lagras det dem enkelt i vakuolen - lagringsområdet i hjärtat av varje växtcell. Under dagen, när det ljus som krävs för fotosyntes är tillgängligt, behöver växten inte öppna sina porer: det har en matpaket som redan lagrats i sina celler. Detta gör att växten kan utföra fotosyntes utan att öppna porerna under dagen, vilket kraftigt minskar mängden vatten som förloras.
Således kan CAM-växter som kaktus och ananas vara suckulenta och vattna trots de heta miljöerna de växer i. I våtare eller svalare miljöer är problemen som löses av CAM och C4 fotosyntes inte lika stora - och den energiska kostnaden för lagring och återgivning av CO2 innebär att växterna endast är konkurrenskraftiga med sina traditionellt fotosyntetiserande kusiner i heta eller torra miljöer.
Kanske kan den sista platsen, som man förväntar sig att hitta CAM-växter, vara under vattnet, en ganska våt miljö av alla konton. Det var med någon överraskning därför att CAM var först rapporterade i sjön växten Isoetes följt av upptäckter i fyra andra släktträd av vattenväxter.
Små vattenplanter av släktet Isoetes utför CAM för att koncentrera koldioxid i undervattensvärlden. US Fish & Wildlife Service
Trots sina mycket olika miljöer delar växter i sjöar och öknar i sista hand samma problem - svårigheten att förvärva CO2. Medan mycket CO2 kan lösas i vatten, det diffunderar mycket långsammare än i luften, så vattnet runt en växt kan bli uttömd av CO2. Vattenväxter har utvecklat CAM fotosyntes så att de kan fortsätta ta upp CO2 på natten, använder det för att komplettera det som de kan förvärva under dagen.
Förutom forskning som syftar till att introducera C4 fotosyntes till ris, det har varit ett stort intresse för att modifiera grödor för att utföra CAM fotosyntes så att de bättre kan överleva torka som orsakas av klimatförändringar.
Om författaren
Daniel Wood, doktorand i växtbiologi, University of Sheffield
Denna artikel publiceras från Avlyssningen under en Creative Commons licens. Läs ursprungliga artikeln.
användning
