C3, C4 ir CAM augalai: prisitaikymas prie klimato pokyčių

Dėl globalių klimato pokyčių padidėja dienos, sezoninė ir metinė vidutinė temperatūra, padidėja neįprastai žemų ir aukštų temperatūrų intensyvumas, dažnis ir trukmė. Temperatūra ir kiti aplinkos pokyčiai turi tiesioginį poveikį augalų augimui ir yra pagrindiniai augalų pasiskirstymą lemiantys veiksniai. Kadangi žmonės tiesiogiai ir netiesiogiai priklauso nuo augalų - svarbiausio maisto šaltinio, labai svarbu žinoti, ar jie gerai atlaiko naująją aplinkos tvarką ir (arba) aklimatizuotis joje.

Visi augalai praryja atmosferos anglies dioksidas ir paverskite jį cukrumi ir krakmolu fotosintezė tačiau jie tai daro skirtingai. Specifinis kiekvienos augalų klasės fotosintezės metodas (arba būdas) yra cheminių reakcijų, vadinamų., Variacija Kalvino ciklas. Šios reakcijos daro įtaką augalų sukuriamų anglies molekulių skaičiui ir tipui, vietoms, kuriose tos molekulės yra laikomos, ir daugiausiai Svarbus klimato kaitos tyrimams, augalo gebėjimas atlaikyti mažai anglies turinčią atmosferą, aukštesnę temperatūrą ir mažesnį vandens kiekį bei azoto.

Šie fotosintezės procesai, botanikų priskiriami C3, C4 ir CAM, yra tiesiogiai susiję su pasaulinė klimato kaita tyrimai, nes C3 ir C4 augalai skirtingai reaguoja į atmosferos anglies dioksido koncentracijos pokyčius ir temperatūros bei vandens prieinamumo pokyčius.

Žmonės šiuo metu yra priklausomi nuo augalų rūšių, kurios nėra klestinčios karštesnėmis, sausesnėmis ir netaškesnėmis sąlygomis. Planetai šildant ir toliau, tyrėjai pradėjo ieškoti būdų, kaip augalus galima pritaikyti prie besikeičiančios aplinkos. Vienas iš būdų tai padaryti yra fotosintezės procesų modifikavimas.

Didžioji dauguma sausumos augalų, kuriais pasitikime žmonių maistu ir energija, naudoja C3 kelią, kuris yra seniausias iš anglies fiksavimo būdų, ir jis randamas visų taksonomijų augaluose. Beveik visi egzistuojantys nežmoginiai primatai įvairaus kūno dydžio, įskaitant prosimijus, naująjį ir senąjį pasaulį beždžionės ir visos beždžionės - net ir tos, kurios gyvena regionuose, kuriuose yra C4 ir CAM augalai - priklauso nuo C3 augalų išlaikymas.

• Rūšys: Grūdiniai grūdai, tokie kaip ryžiai, kvieciai, sojos pupelės, rugiai ir miežiai; daržovės, tokios kaip manija, bulvės, špinatai, pomidorai ir tryniai; medžiai, tokie kaip obuolys, persikų ir eukaliptų
• Fermentas: Ribuliozės bisfosfato (RuBP arba Rubisco) karboksilazės oksigenazė (Rubisco)
• Procesas: Paverskite CO2 į 3 anglies junginį 3-fosfoglicerino rūgštimi (arba PGA)
• Kur fiksuojama anglis: Visos lapų mezofilo ląstelės
• Biomasės normos: Nuo -22% iki -35%, vidutinis -26,5%

Nors C3 būdas yra labiausiai paplitęs, jis taip pat nėra efektyvus. „Rubisco“ reaguoja ne tik su CO2, bet ir su O2, sukeldamas fotorespiraciją - procesą, kuris eikvoja asimiliuotą anglį. Dabartinėmis atmosferos sąlygomis galimą C3 augalų fotosintezę slopina deguonis net 40%. To slopinimo laipsnis padidėja esant tokioms stresinėms sąlygoms kaip sausra, stipri šviesa ir aukšta temperatūra. Kylant pasaulinei temperatūrai, C3 augalai sunkiai išgyvens ir kadangi mes jais pasitikime, taip ir mes.

C4 kelią naudoja tik apie 3% visų sausumos augalų rūšių, tačiau jie dominuoja beveik visose pievose atogrąžų, subtropikų ir šiltų vidutinio klimato zonose. C4 augalams taip pat priskiriami labai derlingi augalai, tokie kaip kukurūzai, sorgai ir cukranendrės. Nors šie pasėliai yra bioenergijos laukas, jie nėra visiškai tinkami vartoti žmonėms. Kukurūzai yra išimtis, tačiau jie nėra lengvai virškinami, nebent jie būtų sumalti į miltelius. Kukurūzai ir kiti augaliniai augalai taip pat naudojami kaip pašarai, paverčiantys energiją mėsa - dar vienu neefektyviu augalų naudojimu.

• Rūšis: Dažnas žemesnių platumų pašarinėse žolėse, kukurūzai, sorgas, cukranendrės, fonio, tefas ir papirusas
• Fermentas: Fosfenolpiruvato (PEP) karboksilazė
• Procesas: CO2 paverskite 4 anglies tarpine
• Kur fiksuojama anglis: Mezofilo ląstelės (MC) ir pluošto apvalkalo ląstelės (BSC). C4 turi BSC žiedą, supantį kiekvieną veną, ir išorinį MC žiedą, supantį pluošto apvalkalą, žinomą kaip Kranzo anatomija.
• Biomasės normos: Nuo -9 iki -16%, vidutinis -12,5%.

C4 fotosintezė yra biocheminis C3 fotosintezės proceso modifikavimas, kurio metu C3 ciklas vyksta tik vidinėse lapo ląstelėse. Lapus supa mezofilo ląstelės, turinčios daug aktyvesnį fermentą, vadinamą fosfoenolpiruvato (PEP) karboksilaze. Dėl to C4 augalai klesti ilgais vegetacijos sezonais, kuriuose daug saulės spindulių. Kai kurie jų yra net toleruojantys druskos tirpalą, leidžiant tyrėjams apsvarstyti, ar tos sritys, kurios patyrė druskų susidarymas, atsirandantis dėl ankstesnių drėkinimo pastangų, gali būti atstatytas pasodinus druska tolerantišką C4 rūšių.

CAM fotosintezė buvo pavadinta garbei augalų šeimos, kurioje Crassulacean, akmenslydžio šeima arba orpių šeima, pirmiausia buvo užfiksuota dokumentuose. Šis fotosintezės tipas yra prisitaikymas prie mažo vandens prieinamumo ir vyksta orchidėjose bei sultingose ​​augalų rūšyse iš sausringų regionų.

Augaluose, kuriuose vykdoma visiška CAM fotosintezė, lapų žvyneliai uždaromi dienos šviesos metu, kad sumažėtų evapotranspiracija, ir atidaromi naktį, kad įsisavintų anglies dioksidas. Kai kurie C4 augalai taip pat bent iš dalies veikia C3 arba C4 režimu. Tiesą sakant, yra net augalas, vadinamas Agavė Angustifolia kuris keičiasi pirmyn ir atgal tarp režimų, kai to reikalauja vietinė sistema.

• Rūšis: Kaktusai ir kiti sukulentai, Clusia, tekila agava, ananasai.
• Fermentas: Fosfenolpiruvato (PEP) karboksilazė
• Procesas: Keturios fazės, susijusios su saulės spinduliais, CAM augalai surinkite CO2 per dieną, tada naktį fiksuokite CO2 kaip 4 anglies tarpinę medžiagą.
• Kur fiksuojama anglis: Vakuumai
• Biomasės normos: Įkainiai gali būti C3 arba C4.

CAM augalai pasižymi didžiausiu vandens naudojimo efektyvumu, leidžiantį jiems gerai dirbti riboto vandens sąlygomis, tokiose kaip pusiau sausros dykumos. Išskyrus ananasus ir keletą agavos rūšių, tokių kaip tekila agava, CAM augalai yra palyginti neišnaudoti žmonių maistui ir energijos ištekliams.

Visuotinis maisto neužtikrintumas jau dabar yra ypač aktuali problema, dėl kurios tebėra priklausomas nuo neefektyvaus maisto ir energijos šaltiniai yra pavojingi, ypač kai nežinome, kaip augalų ciklai turės įtakos, kai mūsų atmosfera taps vis didesnė turtingas anglies. Manoma, kad atmosferos CO2 sumažėjimas ir žemės klimato išsausėjimas paskatino C4 ir CAM evoliuciją, o tai kelia nerimą keliančią galimybę, kad padidėjęs CO2 gali pakeisti šias C3 alternatyvas palankias sąlygas fotosintezė.

Mūsų protėvių duomenys rodo, kad hominidai gali pritaikyti savo racioną prie klimato pokyčių. Ardipithecus ramidus ir Ar anamensis abu buvo priklausomi nuo C3 augalų, tačiau kai maždaug prieš keturis milijonus metų klimato pokyčiai pakeitė rytinę Afriką nuo miškingų regionų iki savanos, išliko rūšys -Australopithecus afarensis ir Kenyanthropus platyops—Buvo mišrūs C3 / C4 vartotojai. Prieš 2,5 milijono metų išsivystė dvi naujos rūšys: Paranthropus, kurių dėmesys nukrypo į C4 / CAM maisto šaltinius, ir ankstyvasis Homo sapiens kurie vartojo ir C3, ir C4 augalų veisles.

Evoliucijos procesas, pakeitęs C3 augalus į C4 rūšis, per pastaruosius 35 milijonus metų įvyko ne kartą, bet bent 66 kartus. Šis evoliucijos žingsnis leido pagerinti fotosintezę ir padidinti vandens ir azoto efektyvumą.

Dėl to C4 augalai turi dvigubai didesnę fotosintezę nei C3 augalai ir gali susidoroti su aukštesne temperatūra, mažiau vandens ir turimu azotu. Dėl šių priežasčių biochemikai šiuo metu bando rasti būdų, kaip perkelti C4 ir CAM požymius (proceso efektyvumas, aukšto temperatūra, didesnis derlius ir atsparumas sausrai bei druskingumui) C3 augalams kaip būdas kompensuoti aplinkos pokyčius, su kuriais susiduria globalūs atšilimas.

Manoma, kad bent kai kurios C3 modifikacijos yra įmanomos, nes palyginamieji tyrimai parodė, kad šie augalai jau turi keletą pradinių genų, panašių į savo funkciją kaip ir C4 augalai. Nors C3 ir C4 hibridų buvo ieškoma daugiau nei penkis dešimtmečius, dėl chromosomų nesutapimo ir hibridinio sterilumo sėkmė išliko nepasiekiama.

Galimybė pagerinti maisto ir energetinį saugumą žymiai padidino fotosintezės tyrimų skaičių. Fotosintezė suteikia mūsų aprūpinimą maistu ir skaidulomis, taip pat daugumą energijos šaltinių. Net bankas angliavandeniliai kurie Žemės plutoje buvo iš pradžių sukurti fotosintezės būdu.

Kai iškastinis kuras išeikvojamas - ar žmonės turėtų riboti iškastinio kuro naudojimą norėdami užkirsti kelią visuotiniam atšilimui - pasaulis susidurs su iššūkiu pakeisti šį energijos tiekimą atsinaujinančiais ištekliais. Tikėtis, kad žmonijos raida neatsiliks nuo klimato pokyčių per ateinančius 50 metų, nėra praktiška. Mokslininkai tikisi, kad naudojant patobulintą genomiką, augalai bus kita istorija.

• Ehleringer, J.R.; Cerling, T.E. „C3 ir C4 fotosintezė“ „Pasaulinių aplinkos pokyčių enciklopedijoje“, Munn, T.; Mooney, H.A.; „Canadell“, J. G., redaktoriai. 186–190 psl. Johnas Wiley ir sūnūs. Londonas. 2002
• Keerbergas, O.; Pärnik, T.; Ivanova, H.; Bassüner, B.; Bauwe, H "C2 fotosintezė sukelia maždaug 3 kartus padidėjusį C2 – C4 rūšių lapų CO2 kiekį į Eksperimentinės botanikos žurnalas 65(13):3649-3656. 2014Flaveria pubescens"
• Matsuoka, M.; Furbank, R.T.; Fukayama, H.; Miyao, M. "C4 fotosintezės molekulinė inžinerija"į Metinė augalų fiziologijos ir augalų molekulinės biologijos apžvalga. p. 297–314. 2014.
• Sage, R.F. "Fotosintezės efektyvumas ir anglies koncentracija sausumos augaluose: C4 ir CAM tirpalai " į Eksperimentinės botanikos žurnalas 65 (13), p. 3323–3325. 2014
• Schoeningeris, M.J. “Stabilios izotopų analizės ir žmonių dietų raida " į Metinė antropologijos apžvalga 43, p. 413–430. 2014
• Sponheimer, M.; Alemseged, Z.; Cerling, T.E.; Grine, F.E.; Kimbel, W.H.; Leakey, M.G.; Lee-Thorp, J.A.; Manthi, F.K.; Reed, K.E.; Wood, B.A.; et al. "Izotopiniai ankstyvųjų hominino dietų įrodymai “ į Nacionalinės mokslų akademijos leidiniai 110 (26), p. 10513–10518. 2013
• Van der Merwe, N. "Anglies izotopai, fotosintezė ir archeologija" Amerikos mokslininkas 70, 596–606 psl. 1982