Blomstrende vidunderlige: kaktus er blandt de få plantearter, der kan trives i ørkenen. Alan Levine / Flickr, CC BY-SA

Sollys, udnyttet af planter under fotosyntese, driver næsten alt liv på jorden. Specielle tilpasninger gør det muligt for visse planter at opbevare et batteri kuldioxid natten over til brug i fotosyntese om dagen, hvilket giver dem en saftig fordel under tørre ørkenforhold.

Processerne, der udgør liv - såsom vækst, reparation, bevægelse og reproduktion - kræver alle en energikilde. Den umiddelbare kilde til denne energi for mange levende ting er kemisk energi.

Høj-energi kulstofbaserede molekyler, såsom sukker og fedt, nedbrydes for at drive livets processer. Disse højenergimolekyler forekommer ikke naturligt i miljøet. Arbejdsgenererede og uærlige organismer, såsom mennesker, stoler på at stjæle højenergimolekyler fra andre organismer ved at spise dem. I sidste ende kræves der dog flere højenergimolekyler for at erstatte de nedbrudte.

Mens sukker og fedt desværre ikke regner ned fra rummet, gør energirige fotoner (den næstbedste ting) i form af sollys. Mere ansvarlige organismer end os, såsom planter og alger, udfører fotosyntese. Denne proces bruger energi fra sollys til at regenerere højenergimolekyler fra deres nedbrydningsaffald, kuldioxid (CO₂), som konstant frigives i atmosfæren af ​​alle levende ting.

I den mest almindelige form for fotosyntese, CO₂ tages op i blade i løbet af dagen via små porer i planteoverfladen. Derefter fastgøres det eller "fastgøres" det direkte på et sukkermolekyle ved hjælp af energi fra sollys til brug som kilde til kemisk energi - enten af ​​planten eller af det dyr, der spiser den.

Små porer slipper kuldioxid ind i bladet - men tillader også ilt ind og vand ud. Fotohund

Men at erhverve CO₂ fra atmosfæren kan være problematisk i nogle situationer. Åbning af porerne på planteoverfladen lader CO₂ ind, men slipper også ilt ind og vand ud. Vandtab er et problem i tørre miljøer - især om dagen, hvor CO₂ kræves til fotosyntese.

Derudover er anlægget i varme omgivelser mindre i stand til at skelne mellem ilt og CO₂ og kan faktisk ende med at binde ilt til sukkermolekylet. Når et iltmolekyle er fastgjort til et sukker, skal det prises igen med betydelige energiske omkostninger, hvilket reducerer nettoenergien, som planter kan erhverve fra fotosyntese.

Kuldioxidbatterier for effektivitet

Flere grupper af planter har udviklet sig, der ikke direkte fikser atmosfærisk CO₂ at fremstille sukker, men vedhæft CO₂ på andre molekyler, som kan opbevares, transporteres og nedbrydes for at frigive CO₂ igen som et batteri. Dette undgår problemer med vandtab og utilsigtet iltfiksering.

To alternative strategier har udviklet sig for at gøre brug af denne evne: C4 fotosyntese, der manipulerer koncentrationen af ​​CO₂ i rummet og CAM-fotosyntese, som manipulerer koncentrationen i tid.

C4 fotosyntese udføres af 7,600 arter, de fleste af dem græs, inklusive majs og sorghum. Det har udviklet sig uafhængigt mindst 60 gange, er alligevel til stede i mindre end 0.5% af plantearterne. Selvom de er meget konkurrencedygtige i varme miljøer, betyder de energiske omkostninger forbundet med kulstoflagring, at planter, der udfører konventionel fotosyntese, har kanten ved lavere temperaturer.

C4 fotosyntese bruger et specielt enzym til at fiksere atmosfærisk CO₂ på en syre. Dette enzym er meget bedre til at skelne mellem CO₂ og ilt end det klassiske enzym, der anvendes i traditionel fotosyntese. Syren transporteres dybt inde i planten, hvor iltkoncentrationerne er meget lavere, og CO₂ frigives igen. I dette miljø med lavt iltindhold laver planten færre iltfastgørelsesfejl, hvilket øger effektiviteten af ​​fotosyntese. Der er en energisk omkostning ved denne rundkørsel til fotosyntese, men dette opvejes mere end faldet i den dyre iltfiksering i varme miljøer.

Kaktus- og ananasplanter bruger CAM-fotosyntese for at forblive saftig. hiyori13 / Flickr, CC BY-SA

Den anden alternative form for fotosyntese er CAM eller Crassulacean Acid Metabolism, som foregår C4 fotosyntese med mindst 150 millioner år. Dette var først opdaget i Crassula-familien af planter, men har udviklet sig uafhængigt i mange slægter af planter, i alt over 9,000 arter.

Ligesom C4-planter lagrer CAM også CO₂ i en syre, men den udfører denne reaktion om natten, og snarere end at transportere syremolekylerne til en anden del af planten, gemmer den simpelthen dem i vakuolen - opbevaringsområdet i hjertet af hver plantecelle. I løbet af dagen, når det nødvendige lys til fotosyntese er tilgængeligt, behøver planten ikke at åbne sine porer: den har en madpakke, der allerede er gemt i sine celler. Dette gør det muligt for planten at udføre fotosyntese uden at åbne porerne i løbet af dagen, hvilket reducerer mængden af ​​tabt vand massivt.

Sådan kan CAM-planter som kaktus og ananas forblive saftige og vandige på trods af de varme omgivelser, de vokser i. I vådere eller køligere omgivelser er de problemer, der løses ved CAM og C4 fotosyntese, dog ikke så alvorlige - og de energiske omkostninger ved lagring og frigivelse af CO₂ betyder, at planterne kun er konkurrencedygtige med deres traditionelle fotosyntetisering af fætre i varme eller tørre omgivelser.

Måske er det allerførste sted, at man kan forvente at finde CAM-planter, er under vandet, et ret vådt miljø af alle konti. Det var med en vis overraskelse derfor, at CAM var første gang rapporteret i søplanten Isoetes efterfulgt af opdagelser i fire andre slægter af vandplanter.

Små vandplanter af slægten Isoetes udfører CAM for at koncentrere kuldioxid i undervandsverdenen. US Fish & Wildlife Service

På trods af deres meget forskellige miljøer deler planter i søer og ørkener i sidste ende det samme problem - vanskeligheden ved at erhverve CO₂. Mens en masse CO₂ kan opløses i vand, det diffunderer langt langsommere end i luft, så vandet omkring en plante kan blive tømt for CO₂. Vandplanter har udviklet CAM fotosyntese, så de kan fortsætte med at optage CO₂ om natten ved at bruge det til at supplere det, som de kan erhverve i løbet af dagen.

Ud over forskning, der sigter mod introducere C4 fotosyntese i rishar der været betydelig interesse i at ændre afgrødeplanter til at udføre CAM-fotosyntese, så de bedre kan overleve tørke forårsaget af klimaændringer.

Om forfatteren

Daniel Wood, ph.d.-studerende i plantebiologi, University of Sheffield

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs oprindelige artikel.

ING