Цветение чудесное: кактусы являются одними из немногих видов растений, которые могут процветать в пустыне. Алан Левин / Flickr, CC BY-SA

Солнечный свет, используемый растениями в процессе фотосинтеза, питает почти всю жизнь на земле. Специальные приспособления позволяют определенным растениям накапливать батарею углекислого газа в течение ночи для использования при фотосинтезе в течение дня, что дает им сочное преимущество в условиях сухой пустыни.

Процессы, которые составляют жизнь - такие как рост, ремонт, движение и размножение - все требуют источника энергии. Непосредственным источником этой энергии для многих живых существ является химическая энергия.

Высокоэнергетические молекулы на основе углерода, такие как сахара и жиры, расщепляются, чтобы привести в действие процессы жизни. Эти высокоэнергетические молекулы не встречаются в природе. Стеснительные и нечестные организмы, такие как люди, полагаются на кражу высокоэнергетических молекул у других организмов, поедая их. В конечном счете, однако, больше молекул высокой энергии требуется, чтобы заменить сломанные.

В то время как сахара и жиры, к сожалению, не падают из космоса, богатые энергией фотоны (следующая лучшая вещь) делают это в форме солнечного света. Более ответственные организмы, чем мы, такие как растения и водоросли, выполняют фотосинтез. Этот процесс использует энергию солнечного света для регенерации высокоэнергетических молекул из продуктов их распада, углекислого газа (СО₂), который постоянно выпускается в атмосферу всем живым.

В наиболее распространенной форме фотосинтеза СО₂ поглощается листьями в течение дня через крошечные поры на поверхности растения. Затем он прикрепляется или «фиксируется» прямо на молекулу сахара, используя энергию солнечного света, для использования в качестве источника химической энергии - либо растением, либо животным, которое его ест.

Крошечные поры пропускают углекислый газ в листья, а также пропускают кислород и воду. Photohound

Но приобретая СО₂ из атмосферы может быть проблематичным в некоторых ситуациях. Открытие пор на поверхности растения позволяет СО₂ в, но и впускает кислород и воду. Потеря воды является проблемой в сухих условиях - особенно в течение дня, когда СО₂ требуется для фотосинтеза.

Кроме того, в жарких условиях растение менее способно различать кислород и СО₂ и может на самом деле в конечном итоге присоединения кислорода к молекуле сахара. После того, как молекула кислорода прикреплена к сахару, его необходимо снова потреблять при значительных энергетических затратах, уменьшая чистую энергию, которую растения могут получить в результате фотосинтеза.

Углекислотные батареи для эффективности

Развились несколько групп растений, которые не фиксируют непосредственно СО в атмосфере₂ чтобы сделать сахар, но приложить CO₂ на другие молекулы, которые могут храниться, транспортироваться и разрушаться для выделения СО₂ опять как батарея. Это позволяет избежать проблем потери воды и случайной фиксации кислорода.

Для использования этой способности были разработаны две альтернативные стратегии: фотосинтез C4, который манипулирует концентрацией СО₂ в космосе, и CAM-фотосинтез, который манипулирует концентрацией во времени.

Фотосинтез C4 выполняется видами 7,600, большинство из которых являются травами, включая кукурузу и сорго. Она имеет развивались независимо, по крайней мере, 60 раз, но присутствует в менее чем 0.5% видов растений. Несмотря на высокую конкурентоспособность в жарких условиях, энергетические затраты, связанные с хранением углерода, означают, что растения, выполняющие обычный фотосинтез, имеют преимущество при более низких температурах.

Фотосинтез C4 использует специальный фермент для фиксации атмосферного СО₂ на кислоту. Этот фермент намного лучше различает СО₂ и кислород, чем классический фермент, используемый в традиционном фотосинтезе. Кислота транспортируется глубоко внутри растения, где концентрации кислорода намного ниже, а СО₂ переиздан. В этой среде с низким содержанием кислорода растение делает меньше ошибок в фиксации кислорода, что повышает эффективность фотосинтеза. Этот окольный способ фотосинтеза требует больших затрат, но он более чем компенсируется снижением дорогостоящей кислородной фиксации в жарких условиях.

Растения кактусов и ананасов используют фотосинтез CAM, чтобы оставаться сочными. hiyori13 / Flickr, CC BY-SA

Другим альтернативным видом фотосинтеза является CAM, или метаболизм Crassulacean Acid, который предшествует фотосинтезу C4, по крайней мере, к 150 миллионам лет. Это было впервые обнаружен в семье Крассула растений, но имеет развивались независимо во многих линиях растений, в общей сложности более 9,000 видов.

Как и заводы C4, CAM также хранит CO₂ в кислоте, но он выполняет эту реакцию ночью, и вместо того, чтобы транспортировать молекулы кислоты в другую часть растения, он просто хранит их в вакуоле - области хранения в сердце каждой клетки растения. В течение дня, когда свет, необходимый для фотосинтеза, доступен, растению не нужно открывать поры: в его клетках уже хранится упакованный ланч. Это позволяет растению выполнять фотосинтез, не открывая поры в течение дня, что значительно снижает количество потерянной воды.

Именно так растения CAM, такие как кактусы и ананасы, могут оставаться сочными и водянистыми, несмотря на жаркую среду, в которой они растут. Однако в более влажных или более прохладных средах проблемы, решаемые с помощью фотосинтеза CAM и C4, не столь серьезны - и затраты на энергию хранение и переиздание СО₂ означает, что растения конкурируют только со своими традиционно фотосинтезирующими кузенами в жарких или сухих условиях.

Таким образом, возможно, самое последнее место, где можно ожидать, что CAM-растения находятся под водой, довольно влажная среда по всем показателям. Поэтому с некоторым удивлением CAM был впервые в озере сообщили о растении Изоэте с последующими открытиями в четыре других рода водных растений.

Крошечные водные растения рода Isoetes проводят CAM для концентрации углекислого газа в подводном мире. Служба охраны рыбы и дикой природы США

Несмотря на очень разную среду обитания, растения в озерах и пустынях в конечном итоге сталкиваются с одной и той же проблемой - трудностью приобретения СО₂, Пока много СО₂ растворяется в воде, диффузия происходит гораздо медленнее, чем в воздухе, поэтому вода вокруг растения может истощаться₂, Водные растения развили фотосинтез CAM, так что они могут продолжать поглощать CO₂ ночью, используя его, чтобы дополнить то, что они могут приобрести в течение дня.

В дополнение к исследованиям, направленным на ввести фотосинтез C4 в риссуществует значительный интерес к модификации сельскохозяйственных растений для выполнения фотосинтеза САМ, чтобы они могли лучше переживать засухи, вызванные изменением климата.

Об авторе

Даниэль Вуд, аспирант по биологии растений, Университет Шеффилда

Эта статья переиздана из Беседа под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.

ИНГ