Биљке Ц3, Ц4 и ЦАМ: Прилагођавања климатским променама

Глобалне климатске промене резултирају повећањем дневних, сезонских и годишњих средњих температура и порастом интензитета, учесталости и трајања ненормално ниских и високих температура. Температура и друге разлике у животној средини директно утичу на раст биљака и главни су одлучујући фактори у дистрибуцији биљака. Пошто се људи ослањају на биљке - директно и индиректно - кључни извор хране, знајући колико су добро способни да издрже и / или се приклоне новом реду заштите животне средине.

Све биљке гутају атмосферски угљен диоксид и претворити га у шећере и скроб кроз процес фотосинтеза али они то раде на различите начине. Специфична метода фотосинтезе (или путања) коју користи свака биљна класа је варијација скупа хемијских реакција званих Цалвин Цицле. Ове реакције утичу на број и врсту молекула угљеника које биљка ствара, на места где се ти молекули чувају и, највише што је важно за проучавање климатских промена, способност биљке да издржи атмосферу са ниским угљеником, вишим температурама и смањеним водама и азот.

Ови процеси фотосинтезе - који су ботаничари означили као Ц3, Ц4 и ЦАМ - су директно релевантни за глобалне климатске промене студије јер биљке Ц3 и Ц4 различито реагују на промене концентрације угљен-диоксида у атмосфери и промене температуре и доступности воде.

Људи су тренутно зависни од биљних врста које не успевају у топлијим, сушним и старијим условима. Док се планета и даље загрева, истраживачи су започели истраживање начина на које биљке могу да се прилагоде променљивом окружењу. Модификација процеса фотосинтезе може бити један од начина да се то постигне.

Огромна већина копнених биљака на које се ослањамо у људској храни и енергији користи стазу Ц3, која је најстарија од стаза за фиксацију угљеника, а налази се у биљкама свих таксономија. Скоро сви постојећи нељудски примати свих величина тела, укључујући просимије, нови и стари свет мајмуни и сви мајмуни - чак и они који живе у регионима са Ц4 и ЦАМ биљкама - зависе од биљака Ц3 за издржавање.

• Врсте: Житарице житарица попут риже, пшеницесоју, раж и јечам; поврће као што је касава, кромпир, шпинат, парадајз и иамс; дрвеће попут јабукабрескве и еукалиптуса
• Ензим: Рибулоза бисфосфат (РуБП или Рубисцо) карбоксилаза оксигеназа (Рубисцо)
• Процес: Претворити ЦО2 у 3-фосфоглицеринску киселину (или ПГА) у 3-угљеник
• Где је угљен фиксиран: Све ћелије лисних мезофила
• Стопе биомасе: -22% до -35%, са просеком од -26.5%

Иако је пут Ц3 најчешћи, он је такође и неефикасан. Рубисцо реагује не само са ЦО2 већ и са О2, што доводи до фотореспирације, процеса који троши асимилирани угљен. У тренутним атмосферским условима, потенцијална фотосинтеза у биљкама Ц3 потискује се кисеоником чак 40%. Степен тог сузбијања се повећава у стресним условима као што су суша, велика светлост и високе температуре. Како глобалне температуре порасту, Ц3 биљке ће се борити за опстанак - а пошто смо ми ослоњени на њих, тако ћемо и ми.

Само око 3% свих копнених биљних врста користи стазу Ц4, али оне доминирају у готово свим травњацима у тропским, суптропским и топлим умјереним зонама. Ц4 биљке такође укључују веома продуктивне културе као што су кукуруз, сирек и шећерна трска. Иако ови усеви воде поље за биоенергију, нису у потпуности погодни за људску употребу. Кукуруз је изузетак, међутим, није заиста пробављив уколико није млевен у прах. Кукуруз и друге усеве такође се користе као храна за животиње, претварајући енергију у месо - још једна неефикасна употреба биљака.

• Врста: Честа у крмним травама нижих ширина, кукуруз, сирек, шећерна трска, фонио, теф и папирус
• Ензим: Фосфоенолпируват (ПЕП) карбоксилаза
• Процес: Претворите ЦО2 у интермедијар са 4 угљеника
• Где је фиксни угљен: Мезофилне ћелије (МЦ) и ћелије омотача снопа (БСЦ). Ц4 имају прстен БСЦ-а који окружује сваку вену и спољни прстен МЦ-а који окружује омотач снопа, познат као Кранзова анатомија.
• Стопе биомасе: -9 до -16%, са средњом вредности -12.5%.

Фотосинтеза Ц4 је биохемијска модификација процеса фотосинтезе Ц3 у којем се циклус Ц3 стила дешава само у унутрашњим ћелијама унутар листа. Око листова су мезофилне ћелије које садрже много активнији ензим зван фосфоенолпируват (ПЕП) карбоксилаза. Као резултат тога, биљке Ц4 успевају у дугим сезонама раста са пуно приступа сунчевој светлости. Неке су чак и толерантне према физиолошкој отопини, што омогућава истраживачима да размотре да ли су подручја доживела заслањивање које је резултат претходних напора наводњавања може се обновити садњом соли отпорне на сол врста.

ЦАМ фотосинтеза је добила име у част биљне породице у којој Црассулацеан, породица камецроп или породица орпине, први пут је документована. Ова врста фотосинтезе прилагођава се малој доступности воде и јавља се код орхидеја и сочних биљних врста из сушних региона.

У биљкама које користе потпуну фотосинтезу ЦАМ-а, стомати се у листовима затварају током дневног времена како би се смањила евапотранспирација и отварају ноћу како би се примио угљен-диоксид. Неке биљке Ц4 такође делују бар делимично у режиму Ц3 или Ц4. У ствари, постоји чак и биљка која се зове Агаве Ангустифолиа која се пребацује напријед и назад између модуса како диктира локални систем.

• Врста: Кактуси и друге супкуленте, Цлусиа, ​​текила агава, ананас.
• Ензим: Фосфоенолпируват (ПЕП) карбоксилаза
• Процес: Четири фазе повезане са доступном сунчевом светлошћу, ЦАМ биљке скупљајте ЦО2 током дана, а затим фиксирајте ЦО2 ноћу као интермедијар 4 угљеника.
• Где је фиксни угљен: Вацуолес
• Стопе биомасе: Цене могу пасти у Ц3 или Ц4.

ЦАМ биљке показују највећу ефикасност употребе воде у постројењима која им омогућавају да се добро снађу у окружењима ограниченим водом, као што су полусушне пустиње. Уз изузетак ананаса и неколико њих агаве врсте, као што је текила агава, ЦАМ биљке су релативно неискоришћене у погледу људске употребе за храну и енергетске ресурсе.

Глобална несигурност у храни већ је изузетно акутни проблем, због чега се и даље ослања на неефикасну храну и енергију ствара опасан ток, посебно када не знамо како ће биљни циклуси утицати на атмосферу богати угљеником Сматра се да је смањење атмосферског ЦО2 и исушивање Земљине климе подстакло еволуцију Ц4 и ЦАМ, повећава алармантну могућност да повишен ЦО2 може преокренути услове који су погодовали овим алтернативама Ц3 фотосинтеза.

Докази наших предака показују да хоминиди могу прилагодити своју исхрану климатским променама. Ардипитхецус рамидус и Ар анаменсис обојица су зависни од биљака Ц3, али када су климатске промене пре око четири милиона година промениле источну Африку из шумовитих региона у саване, врсте које су преживеле -Аустралопитхецус афаренсис и Кениантхропус платиопс—Смешани потрошачи Ц3 / Ц4. Пре 2,5 милиона година, развиле су се две нове врсте: Парантхропус, чији се фокус преусмерио на изворе хране Ц4 / ЦАМ, и то рано Хомо сапиенс који су конзумирали и Ц3 и Ц4 биљне сорте.

Еволуцијски процес који је Ц3 биљке променио у Ц4 врсте догодио се не једном, али најмање 66 пута у последњих 35 милиона година. Овај еволутивни корак довео је до побољшаних фотосинтетских перформанси и повећане ефикасности употребе воде и азота.

Као резултат, Ц4 биљке имају двоструко већи фотосинтетски капацитет од Ц3 биљака и могу се носити са вишим температурама, мање воде и расположивим азотом. Из тих разлога, биохемичари тренутно покушавају да пронађу начине за померање Ц4 и ЦАМ својстава (ефикасност процеса, толеранција високог температуре, већи приноси и отпорност на сушу и сланост) у биљке Ц3 као начин компензације промена у животној средини са којима се суочава глобална загревање

Бар се верује да су могуће неке модификације Ц3 јер упоредне студије показују да ове биљке већ поседују неке рудиментарне гене сличне по функцији као и биљке Ц4. Иако су хибриди Ц3 и Ц4 праћени више од пет деценија, услед неусклађености хромозома и хибридне стерилности успех је остао недоступан.

Потенцијал за побољшање сигурности хране и енергије довео је до значајног пораста у истраживању фотосинтезе. Фотосинтеза обезбеђује нашу храну и влакна, као и већину наших извора енергије. Чак и банка од угљоводоници који се налазе у Земљиној кори првобитно је створен фотосинтезом.

Пошто се фосилна горива истроше - или би људи требало да ограниче употребу фосилног горива да би спречили глобално загревање - свет ће се суочити са изазовом да ту енергију замени обновљивим изворима. Очекивање еволуције човека за праћење стопе климатских промена у наредних 50 година није практично. Научници се надају да ће уз употребу побољшане геномике биљке бити друга прича.

• Ехлерингер, Ј.Р.; Церлинг, Т.Е. "Ц3 и Ц4 фотосинтеза" у "Енциклопедија глобалних промена у животној средини", Мунн, Т.; Моонеи, Х.А.; Цанаделл, Ј. Г., уредници. пп 186–190. Јохн Вилеи и синови. Лондон. 2002
• Кеерберг, О.; Парник, Т.; Иванова, Х.; Бассунер, Б.; Бауве, Х. "Фотосинтеза Ц2 ствара око 3-пута повишене нивое ЦО2 у листовима у интермедијарним врстама Ц3 – Ц4 ин Часопис за експерименталну ботанику 65(13):3649-3656. 2014Флавериа пубесценс"
• Матсуока, М.; Фурбанк, Р.Т.; Фукаиама, Х.; Мииао, М. "Молекуларни инжењеринг ц4 фотосинтезе"унутра Годишњи преглед физиологије биљака и молекуларне биологије биљака. стр. 297–314. 2014.
• Саге, Р.Ф. "Фотосинтетска ефикасност и концентрација угљеника у земаљским биљкама: Ц4 и ЦАМ решења " ин Часопис за експерименталну ботанику 65 (13), стр. 3323–3325. 2014
• Сцхоенингер, М. Ј. "Стабилне изотопске анализе и развој људске исхране " ин Годишњи преглед антропологије 43, стр. 413–430. 2014
• Спонхеимер, М.; Алемсегед, З.; Церлинг, Т.Е.; Грине, Ф.Е.; Кимбел, В.Х.; Леакеи, М.Г.; Лее-Тхорп, Ј.А.; Мантхи, Ф.К.; Реед, К.Е.; Воод, Б.А.; ет ал. "Изотопски доказ ране хомининске дијете " ин Зборник радова Националне академије наука 110 (26), стр. 10513–10518. 2013
• Ван дер Мерве, Н. "Изотопи угљеника, фотосинтеза и археологија" у Амерички научник 70, стр. 596–606. 1982