Ανθίζοντας θαυμάσια: οι κάκτοι είναι από τα λίγα είδη φυτών που μπορούν να ευδοκιμήσουν στην έρημο. Alan Levine / Flickr, CC BY-SA

Το φως του ήλιου, που χρησιμοποιείται από τα φυτά στη διαδικασία της φωτοσύνθεσης, ενισχύει σχεδόν όλη τη ζωή στη γη. Οι ειδικές προσαρμογές επιτρέπουν σε ορισμένα φυτά να αποθηκεύουν μια μπαταρία διοξειδίου του άνθρακα κατά τη διάρκεια της νύχτας για χρήση στη φωτοσύνθεση κατά τη διάρκεια της ημέρας, προσφέροντάς τους ένα χυμώδες πλεονέκτημα σε συνθήκες ξηρής ερήμου.

Οι διαδικασίες που αποτελούν τη ζωή - όπως ανάπτυξη, επισκευή, κίνηση και αναπαραγωγή - απαιτούν όλες μια πηγή ενέργειας. Η άμεση πηγή αυτής της ενέργειας για πολλά ζωντανά πλάσματα είναι η χημική ενέργεια.

Μόρια με υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα, όπως σάκχαρα και λίπη, διασπώνται για να τροφοδοτήσουν τις διαδικασίες της ζωής. Αυτά τα μόρια υψηλής ενέργειας δεν εμφανίζονται φυσικά στο περιβάλλον. Οι ντροπαλοί και ανέντιμοι οργανισμοί, όπως οι άνθρωποι, βασίζονται στην κλοπή μορίων υψηλής ενέργειας από άλλους οργανισμούς τρώγοντας τα. Τελικά, ωστόσο, απαιτούνται περισσότερα μόρια υψηλής ενέργειας για να αντικατασταθούν αυτά που διασπώνται.

Ενώ τα σάκχαρα και τα λίπη δυστυχώς δεν βρέχονται από το διάστημα, τα πλούσια σε ενέργεια φωτόνια (το επόμενο καλύτερο πράγμα) κάνουν, με τη μορφή ηλιακού φωτός. Πιο υπεύθυνοι οργανισμοί από εμάς, όπως φυτά και φύκια, εκτελούν φωτοσύνθεση. Αυτή η διαδικασία χρησιμοποιεί ενέργεια από το φως του ήλιου για να αναγεννήσει μόρια υψηλής ενέργειας από το προϊόν της διάσπασης, το διοξείδιο του άνθρακα (CO₂), το οποίο απελευθερώνεται συνεχώς στην ατμόσφαιρα από όλα τα έμβια όντα.

Στην πιο κοινή μορφή φωτοσύνθεσης, CO₂ απορροφάται στα φύλλα κατά τη διάρκεια της ημέρας μέσω μικροσκοπικών πόρων στην επιφάνεια του φυτού. Στη συνέχεια συνδέεται, ή «στερεώνεται», κατευθείαν σε ένα μόριο ζάχαρης χρησιμοποιώντας ενέργεια από το ηλιακό φως, για να χρησιμοποιηθεί ως πηγή χημικής ενέργειας - είτε από το φυτό, είτε από το ζώο που το τρώει.

Οι μικροί πόροι αφήνουν διοξείδιο του άνθρακα στο φύλλο - αλλά επίσης επιτρέπουν το οξυγόνο μέσα και το νερό έξω. Φώτο

Αλλά η απόκτηση CO₂ από την ατμόσφαιρα μπορεί να είναι προβληματική σε ορισμένες περιπτώσεις. Το άνοιγμα των πόρων στην επιφάνεια του φυτού αφήνει CO₂ μέσα, αλλά επίσης αφήνει οξυγόνο και νερό. Η απώλεια νερού είναι ένα πρόβλημα σε ξηρά περιβάλλοντα - ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια της ημέρας, που είναι όταν CO₂ απαιτείται για τη φωτοσύνθεση.

Επιπλέον, σε ζεστά περιβάλλοντα, το εργοστάσιο είναι λιγότερο ικανό να κάνει διάκριση μεταξύ οξυγόνου και CO₂ και μπορεί να καταλήξει να συνδέσει οξυγόνο στο μόριο του σακχάρου. Μόλις ένα μόριο οξυγόνου στερεωθεί σε ένα σάκχαρο, πρέπει να αποτιμηθεί ξανά με σημαντικό ενεργειακό κόστος, μειώνοντας την καθαρή ενέργεια που μπορούν να αποκτήσουν τα φυτά από τη φωτοσύνθεση.

Μπαταρίες διοξειδίου του άνθρακα για αποδοτικότητα

Αρκετές ομάδες φυτών έχουν εξελιχθεί που δεν σταθεροποιούν άμεσα την ατμοσφαιρική CO₂ για να φτιάξετε σάκχαρα, αλλά συνδέστε CO₂ σε άλλα μόρια που μπορούν να αποθηκευτούν, να μεταφερθούν και να διαλυθούν για την απελευθέρωση CO₂ και πάλι, σαν μια μπαταρία. Αυτό αποφεύγει τα προβλήματα απώλειας νερού και τυχαίας στερέωσης οξυγόνου.

Δύο εναλλακτικές στρατηγικές έχουν εξελιχθεί για να κάνουν χρήση αυτής της ικανότητας: η φωτοσύνθεση C4, η οποία χειρίζεται τη συγκέντρωση του CO₂ στο διάστημα, και CAM φωτοσύνθεση, η οποία χειρίζεται τη συγκέντρωση στο χρόνο.

Η φωτοσύνθεση C4 εκτελείται από 7,600 είδη, τα περισσότερα από τα οποία είναι χόρτα, συμπεριλαμβανομένου του αραβοσίτου και του σόργου. Εχει εξελίχθηκε ανεξάρτητα τουλάχιστον 60 φορές, ωστόσο υπάρχει σε λιγότερο από 0.5% των φυτικών ειδών. Αν και είναι εξαιρετικά ανταγωνιστικό σε ζεστά περιβάλλοντα, το ενεργητικό κόστος που σχετίζεται με την αποθήκευση άνθρακα σημαίνει ότι τα φυτά που πραγματοποιούν συμβατική φωτοσύνθεση έχουν το πλεονέκτημα σε χαμηλότερες θερμοκρασίες.

Η φωτοσύνθεση C4 χρησιμοποιεί ένα ειδικό ένζυμο για τη διόρθωση της ατμοσφαιρικής CO₂ σε ένα οξύ. Αυτό το ένζυμο είναι πολύ καλύτερο στη διάκριση μεταξύ CO₂ και οξυγόνο από το κλασικό ένζυμο που χρησιμοποιείται στην παραδοσιακή φωτοσύνθεση. Το οξύ μεταφέρεται βαθιά μέσα στο φυτό, όπου οι συγκεντρώσεις οξυγόνου είναι πολύ χαμηλότερες, και το CO₂ κυκλοφορεί ξανά. Σε αυτό το περιβάλλον χαμηλού οξυγόνου, το εργοστάσιο κάνει λιγότερα λάθη στη διόρθωση οξυγόνου, αυξάνοντας την αποτελεσματικότητα της φωτοσύνθεσης. Υπάρχει ένα ενεργητικό κόστος για αυτόν τον κυκλικό τρόπο φωτοσύνθεσης, αλλά αυτό αντισταθμίζεται περισσότερο από τη μείωση της δαπανηρής σταθεροποίησης οξυγόνου σε ζεστά περιβάλλοντα.

Τα φυτά κάκτων και ανανά χρησιμοποιούν φωτοσύνθεση CAM για να παραμείνουν ζουμερά. hiyori13 / Flickr, CC BY-SA

Το άλλο εναλλακτικό είδος φωτοσύνθεσης είναι το CAM, ή ο μεταβολισμός του οξέος του Κρασουλακηνού, που προηγείται της φωτοσύνθεσης του C4 τουλάχιστον 150 εκατομμύρια χρόνια. Αυτό ήταν ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά στην οικογένεια Crassula φυτών αλλά έχει εξελίχθηκε ανεξάρτητα σε πολλές γενεές φυτών, συνολικά πάνω από 9,000 είδη.

Όπως τα φυτά C4, η CAM αποθηκεύει επίσης CO₂ σε ένα οξύ, αλλά εκτελεί αυτήν την αντίδραση τη νύχτα και αντί να μεταφέρει τα μόρια οξέος σε διαφορετικό μέρος του φυτού, τα αποθηκεύει απλά στο κενό - στην περιοχή αποθήκευσης στην καρδιά κάθε φυτικού κυττάρου. Κατά τη διάρκεια της ημέρας, όταν το φως που απαιτείται για τη φωτοσύνθεση είναι διαθέσιμο, το φυτό δεν χρειάζεται να ανοίξει τους πόρους του: έχει ένα συσκευασμένο γεύμα που είναι ήδη αποθηκευμένο στα κελιά του. Αυτό επιτρέπει στο φυτό να εκτελεί φωτοσύνθεση χωρίς να ανοίγει τους πόρους του κατά τη διάρκεια της ημέρας, μειώνοντας μαζικά την ποσότητα νερού που χάθηκε.

Έτσι τα φυτά CAM όπως οι κάκτοι και οι ανανάδες μπορούν να παραμείνουν χυμώδεις και υδατώδεις παρά τα ζεστά περιβάλλοντα στα οποία μεγαλώνουν. Ωστόσο, σε υγρά ή πιο κρύα περιβάλλοντα, τα προβλήματα που επιλύονται από τη φωτοσύνθεση CAM και C4 δεν είναι τόσο σοβαρά - και το ενεργητικό κόστος αποθήκευση και εκ νέου απελευθέρωση CO₂ σημαίνει ότι τα φυτά είναι ανταγωνιστικά μόνο με τα παραδοσιακά φωτοσυνθετικά ξαδέλφια τους σε ζεστό ή ξηρό περιβάλλον.

Ίσως το τελευταίο μέρος, επομένως, που θα περίμενε κανείς να βρει τα φυτά CAM είναι υποβρύχια, ένα αρκετά υγρό περιβάλλον από όλους τους λογαριασμούς. Με έκπληξη λοιπόν ήταν ότι η CAM ήταν αναφέρεται για πρώτη φορά στο φυτό της λίμνης Isoetes ακολουθούμενες από ανακαλύψεις στο τέσσερα άλλα γένη υδρόβιων φυτών.

Τα μικροσκοπικά υδρόβια φυτά του γένους Isoetes πραγματοποιούν CAM για τη συγκέντρωση διοξειδίου του άνθρακα στον υποβρύχιο κόσμο. Υπηρεσία ψαριών και άγριας ζωής των ΗΠΑ

Παρά τα πολύ διαφορετικά περιβάλλοντά τους, τα φυτά σε λίμνες και ερήμους μοιράζονται τελικά το ίδιο πρόβλημα - τη δυσκολία απόκτησης CO₂. Ενώ πολλά CO₂ μπορεί να διαλυθεί στο νερό, διαχέεται πολύ πιο αργά από ό, τι στον αέρα, έτσι το νερό γύρω από ένα φυτό μπορεί να εξαντληθεί από CO₂. Τα υδρόβια φυτά έχουν αναπτύξει φωτοσύνθεση CAM έτσι ώστε να μπορούν να συνεχίσουν να προσλαμβάνουν CO₂ τη νύχτα, χρησιμοποιώντας το για να συμπληρώσει αυτό που μπορούν να αποκτήσουν κατά τη διάρκεια της ημέρας.

Εκτός από την έρευνα με στόχο εισαγάγετε τη φωτοσύνθεση C4 στο ρύζι, υπήρξε σημαντικό ενδιαφέρον για την τροποποίηση των φυτών καλλιεργειών ώστε να εκτελούν φωτοσύνθεση CAM, ώστε να μπορούν να επιβιώσουν καλύτερα από ξηρασίες που προκαλούνται από την κλιματική αλλαγή.

Σχετικά με το Συγγραφέας

Ο Daniel Wood, διδακτορικός φοιτητής στη Φυτική Βιολογία, Πανεπιστήμιο του Σέφιλντ

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύθηκε από το Η Συνομιλία υπό την άδεια Creative Commons. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.

ING