Hvorfor er kaktus så saftig? Den hemmelige strategien for sukkulenter

Hvorfor er kaktus så saftig? Den hemmelige strategien for sukkulenter Blomstring fantastisk: kaktus er blant de få plantearter som kan trives i ørkenen. Alan Levine / Flickr, CC BY-SA

Sollys, utnyttet av planter i prosessen med fotosyntese, krever nesten alt liv på jorden. Spesielle tilpasninger tillater enkelte planter å lagre et kullsyre-batteri over natten for bruk i fotosyntese om dagen, noe som gir dem en saftig fordel i tørre ørkenforhold.

Prosessene som utgjør livet - som vekst, reparasjon, bevegelse og reproduksjon - alle krever en energikilde. Den umiddelbare kilden til denne energien for mange levende ting er kjemisk energi.

Høy-energi karbonbaserte molekyler, slik som sukker og fett, brytes ned for å drive livets prosesser. Disse højenergimolekylene forekommer ikke naturlig i miljøet. Arbeidssagtige og uærlige organismer, som mennesker, stole på å stjele høye energimolekyler fra andre organismer ved å spise dem. I siste omgang er det imidlertid nødvendig med flere høye energimolekyler å erstatte de brutt ned.

Mens sukker og fett dessverre ikke regner ned fra rommet, gjør det energirike fotoner (det nest beste) i form av sollys. Mer ansvarlige organismer enn oss, som planter og alger, utfører fotosyntese. Denne prosessen bruker energi fra sollys til å regenerere høye energimolekyler fra deres nedbrytningsprodukt, karbondioksid (CO2), som stadig slippes ut i atmosfæren av alle levende ting.

I den vanligste formen for fotosyntese, CO2 blir tatt opp i blader i løpet av dagen via små porer i plantens overflate. Det er da festet, eller "fast", rett på et sukkermolekyl ved bruk av energi fra sollys, for å bli brukt som kilde til kjemisk energi - enten av anlegget eller av dyret som spiser det.

Hvorfor er kaktus så saftig? Den hemmelige strategien for sukkulenter Små porer la karbondioksid i bladet - men tillater også oksygen og vann ut. Photohound

Men å anskaffe CO2 fra atmosfæren kan det være problematisk i noen situasjoner. Å åpne porene på plantens overflate lar CO2 inn, men lar også oksygen inn og vanne ut. Vanntap er et problem i tørre omgivelser - spesielt i løpet av dagen, som er da CO2 er nødvendig for fotosyntese.

I varme miljøer er anlegget dessuten mindre i stand til å diskriminere mellom oksygen og CO2 og kan faktisk ende opp med å feste oksygen til sukkermolekylet. Når et oksygenmolekyl er festet til et sukker, må det bli verdsatt igjen ved betydelig energisk kostnad, noe som reduserer nettenergien som planter kan skaffe seg fra fotosyntese.

Kullsyre batterier for effektivitet

Flere grupper av planter har utviklet seg som ikke direkte retter atmosfærisk CO2 å lage sukker, men legg til CO2 på andre molekyler som kan lagres, transporteres og brytes ned for å frigjøre CO2 igjen, som et batteri. Dette unngår problemene med vanntap og utilsiktet oksygenfiksering.

To alternative strategier har utviklet seg for å utnytte denne evnen: C4 fotosyntese, som manipulerer konsentrasjonen av CO2 i rommet, og CAM fotosyntese, som manipulerer konsentrasjonen i tide.

C4 fotosyntese utføres av 7,600 arter, de fleste av gressene, inkludert mais og sorghum. Det har utviklet seg uavhengig minst 60 ganger, men er til stede i mindre enn 0.5% av plantearter. Selv om det er svært konkurransedyktige i varme miljøer, betyr de energiske kostnadene forbundet med karbonlagring at planter som utfører konvensjonell fotosyntese, har kanten ved lavere temperaturer.

C4 fotosyntese bruker et spesielt enzym for å fikse atmosfærisk CO2 på en syre. Dette enzymet er mye bedre å diskriminere mellom CO2 og oksygen enn det klassiske enzymet som brukes i tradisjonell fotosyntese. Syren transporteres dypt inne i anlegget, hvor oksygenkonsentrasjoner er mye lavere, og CO2 er utgitt. I dette miljøet med lavt oksygen, gjør anlegget færre oksygenfiksjonsfeil, noe som øker effektiviteten av fotosyntese. Det er en energisk kostnad for denne rundkjøringsformen for å gjøre fotosyntese, men dette er mer enn kompensert av nedgangen i kostbar oksygenfiksering i varme miljøer.

Hvorfor er kaktus så saftig? Den hemmelige strategien for sukkulenter Kaktus og ananasplanter bruker CAM fotosyntese for å holde seg saftig. hiyori13 / Flickr, CC BY-SA

Den andre alternative typen fotosyntese er CAM, eller Crassulacean Acid Metabolism, som foregår C4 fotosyntese med minst 150 millioner år. Dette var først oppdaget i Crassula-familien av planter men har utviklet seg uavhengig i mange lineages av planter, totalt over 9,000 arter.

Som C4 planter, lagrer CAM også CO2 i en syre, men den utfører denne reaksjonen om natten, og i stedet for å transportere syre molekylene til en annen del av planten, lagrer den dem bare i vakuolen - lagringsområdet i hjertet av hver plantecelle. I løpet av dagen, når lyset som kreves for fotosyntese er tilgjengelig, trenger anlegget ikke å åpne porene: det har en matpakke som allerede er lagret i sine celler. Dette gjør at planten kan utføre fotosyntese uten å åpne porene i løpet av dagen, og reduserer mengden vann som er tapt.

Dette er hvordan CAM-planter som kaktus og ananas kan forbli saftige og vannet til tross for de varme omgivelsene de vokser i. I våtere eller kjøligere miljøer er problemene løst av CAM og C4 fotosyntese imidlertid ikke like alvorlige - og den energiske kostnaden ved lagring og gjenutgivelse av CO2 betyr at plantene kun er konkurransedyktige med sine tradisjonelt fotosyntetiserende fettere i varme eller tørre omgivelser.

Kanskje det aller siste stedet, derfor kan man forvente å finne CAM-planter, er undervanns, et ganske vått miljø for alle kontoer. Det var med litt overraskelse derfor at CAM var Først rapportert i innsjøen planten Isoetes etterfulgt av funn i fire andre slanger av akvatiske planter.

Hvorfor er kaktus så saftig? Den hemmelige strategien for sukkulenter Små vannplanter av slekten Isoetes utfører CAM for å konsentrere karbondioksid i undervannsverdenen. US Fish & Wildlife Service

Til tross for deres svært forskjellige miljøer deler planter i innsjøer og ørkener til slutt det samme problemet - vanskeligheten med å anskaffe CO2. Mens mye CO2 kan løses i vann, det diffuserer langt langsommere enn i luft, slik at vannet rundt en plante kan bli utarmet av CO2. Akvatiske planter har utviklet CAM fotosyntese slik at de kan fortsette å ta opp CO2 om natten, bruker den til å supplere det de kan anskaffe i løpet av dagen.

I tillegg til forskning med sikte på å introdusere C4 fotosyntese i ris, har det vært betydelig interesse i å endre planteplanter for å utføre CAM fotosyntese, slik at de bedre kan overleve tørke forårsaket av klimaendringer.Den Conversation

Om forfatteren

Daniel Wood, PhD student i Plantbiologi, University of Sheffield

Denne artikkelen er publisert fra Den Conversation under en Creative Commons-lisens. Les opprinnelige artikkelen.

ing

enafarzh-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

følg InnerSelf på

facebook-ikonettwitter-iconrss-ikonet

Få den siste via e-post

{Emailcloak = off}