פורח נפלא: קקטוסים הם בין מיני הצמחים הבודדים שיכולים לשגשג במדבר. אלן לוין / פליקר, CC BY-SA

אור השמש, רתום על ידי צמחים בתהליך הפוטוסינתזה, מניע כמעט את כל החיים על פני כדור הארץ. התאמות מיוחדות מאפשרות לצמחים מסוימים לאגור סוללת פחמן דו חמצני במשך לילה לשימוש בפוטוסינתזה במהלך היום, מה שמקנה להם יתרון עסיסי בתנאי מדבר יבשים.

התהליכים המהווים חיים - כמו צמיחה, תיקון, תנועה ורבייה - דורשים כולם מקור אנרגיה. המקור המיידי של אנרגיה זו עבור יצורים חיים רבים הוא אנרגיה כימית.

מולקולות מבוססות פחמן עתירות אנרגיה, כגון סוכרים ושומנים, מפורקות בכדי להניע את תהליכי החיים. מולקולות אלו בעלות אנרגיה גבוהה אינן מתרחשות באופן טבעי בסביבה. אורגניזמים ביישנים ולא ישרים, כמו בני אדם, מסתמכים על גניבת מולקולות אנרגיה גבוהה מאורגניזמים אחרים על ידי אכילתם. אולם בסופו של דבר נדרשות יותר מולקולות בעלות אנרגיה גבוהה כדי להחליף את המפורקות.

בעוד שסוכרים ושומנים למרבה הצער לא יורדים גשם מהחלל, פוטונים עשירים באנרגיה (הדבר הבא הכי טוב) עושים זאת, בצורה של אור שמש. אורגניזמים אחראיים יותר מאיתנו, כמו צמחים ואצות, מבצעים פוטוסינתזה. תהליך זה משתמש באנרגיה מאור השמש כדי ליצור מחדש מולקולות אנרגיה גבוהה מתוצרת הפסולת שלהם לפירוק, פחמן דו חמצני (CO₂), שמשוחרר כל הזמן לאטמוספרה על ידי כל היצורים החיים.

בצורה הנפוצה ביותר של פוטוסינתזה, CO₂ נלקח לעלים במהלך היום דרך נקבוביות זעירות על פני הצמח. לאחר מכן היא מחוברת, או "מקובעת", ישר למולקולת סוכר המשתמשת באנרגיה מאור השמש, כדי לשמש כמקור לאנרגיה כימית - או על ידי הצמח, או על ידי בעל החיים שאוכל אותה.

נקבוביות זעירות מכניסות פחמן דו חמצני לעלה - אך גם מאפשרות חמצן להיכנס ולשפוך מים. פוטהאונד

אבל רכישת CO₂ מהאווירה יכול להיות בעייתי במצבים מסוימים. פתיחת הנקבוביות על פני הצמח מאפשרת ל- CO₂ פנימה, אבל גם מכניס חמצן ומים לצאת. אובדן מים הוא בעיה בסביבות יבשות - במיוחד בשעות היום, כאשר CO₂ נדרש לצורך פוטוסינתזה.

בנוסף, בסביבות חמות, הצמח פחות מסוגל להבחין בין חמצן ל- CO₂ ויכולה בסופו של דבר להצמיד חמצן למולקולת הסוכר. ברגע שמולקולת חמצן מקובעת לסוכר, יש להתמחר שוב במחיר אנרגטי משמעותי, מה שמפחית את האנרגיה נטו שהצמחים יכולים לרכוש מפוטוסינתזה.

סוללות פחמן דו חמצני לצורך יעילות

התפתחו כמה קבוצות של צמחים שאינם מתקנים ישירות CO CO אטמוספרי₂ להכין סוכרים, אבל לצרף CO₂ על מולקולות אחרות שניתן לאחסן, להעביר ולפרק כדי לשחרר CO₂ שוב, כמו סוללה. זה נמנע מבעיות של אובדן מים וקיבוע חמצן בשוגג.

שתי אסטרטגיות חלופיות התפתחו לשימוש ביכולת זו: פוטוסינתזה C4, המניפולציה על ריכוז CO₂ בחלל, ופוטוסינתזה של CAM, המניפולת את הריכוז בזמן.

פוטוסינתזה של C4 מתבצעת על ידי 7,600 מינים, רובם עשבים, כולל תירס וסורגום. יש לזה התפתח באופן עצמאי לפחות 60 פעמים, אך נמצא בפחות מ 0.5% ממיני הצמחים. למרות שתחרותי מאוד בסביבות חמות, העלויות האנרגטיות הקשורות לאחסון פחמן גורמות לכך שלצמחים המבצעים פוטוסינתזה קונבנציונאלית יתרון בטמפרטורות נמוכות יותר.

פוטוסינתזה של C4 משתמשת באנזים מיוחד לקביעת CO באטמוספירה₂ על חומצה. אנזים זה הרבה יותר טוב בהבחנה בין CO₂ וחמצן מאשר האנזים הקלאסי המשמש בפוטוסינתזה המסורתית. החומצה מועברת עמוק בתוך הצמח, שם ריכוזי החמצן נמוכים בהרבה, וה- CO₂ משוחרר מחדש. בסביבה דלת חמצן זו, הצמח עושה פחות טעויות בתיקון חמצן, מה שמגביר את יעילות הפוטוסינתזה. יש מחיר אנרגטי לדרך הסביבתית הזו לעשות פוטוסינתזה, אך זה מתקזז יותר מהירידה בקיבוע החמצן היקר בסביבות חמות.

צמחי קקטוסים ואננס משתמשים בפוטוסינתזה של CAM כדי להישאר עסיסיים. hiyori13 / פליקר, CC BY-SA

סוג הפוטוסינתזה האלטרנטיבי האחר הוא CAM, או מטבוליזם של חומצה קרסולאית, שקדם לפוטוסינתזה של C4 ב -150 מיליון שנה לפחות. זה היה התגלה לראשונה במשפחת קרסולה של צמחים אבל יש התפתח באופן עצמאי בשורות רבות של צמחים, בהיקף של למעלה מ -9,000 מינים.

כמו צמחי C4, גם CAM מאחסן CO₂ בחומצה, אך היא מבצעת את התגובה הזו בלילה, ולא מעבירה את מולקולות החומצה לחלק אחר של הצמח, היא פשוט מאחסנת אותן בוואקום - אזור האחסון בלב כל תא צמח. במהלך היום, כאשר זמין האור הדרוש לפוטוסינתזה, הצמח אינו צריך לפתוח את נקבוביותיו: יש לו כבר ארוחת צהריים ארוזה בתאיו. זה מאפשר לצמח לבצע פוטוסינתזה מבלי לפתוח את נקבוביותיו ביום, ולהפחית באופן מסיבי את כמות המים שאבדו.

כך צמחי CAM כמו קקטוסים ואננס יכולים להישאר עסיסיים ומים למרות הסביבה החמה בה הם גדלים. בסביבות לחות או קרירות יותר, לעומת זאת, הבעיות שנפתרו על ידי פוטוסינתזה של CAM ו- C4 אינן חמורות - והעלות הנמרצת של אחסון ושחרור מחדש של CO₂ פירושו שהצמחים תחרותיים רק עם בני דודיהם המפוטחים באופן מסורתי בסביבות חמות או יבשות.

אולי המקום האחרון מאוד שאולי אפשר למצוא מפעלי CAM הוא מתחת למים, סביבה רטובה למדי לכל הדעות. זה היה עם קצת הפתעה כי CAM היה פורסם לראשונה בצמח האגם Isoetes ואחריו תגליות ב ארבעה סוגים אחרים של צמחי מים.

צמחי מים זעירים מסוג Isoetes מבצעים CAM לריכוז פחמן דו חמצני בעולם התת ימי. שירות דגים וחיות בר בארה"ב

למרות סביבותיהם השונות מאוד, צמחים באגמים ובמדבריות חולקים בסופו של דבר את אותה הבעיה - הקושי לרכוש CO₂. בעוד הרבה CO₂ יכול להיות מומס במים, זה מתפזר לאט יותר מאשר באוויר, כך שהמים סביב הצמח יכולים להתדלדל מ- CO₂. צמחי מים התפתחו פוטוסינתזה של CAM כך שהם יוכלו להמשיך לקחת CO₂ בלילה, באמצעותו כדי להשלים את מה שהם יכולים לרכוש במהלך היום.

בנוסף למחקר שמטרתו הכניסו פוטוסינתזה C4 לאורז, היה עניין משמעותי בשינוי צמחי היבול כדי לבצע פוטוסינתזה של CAM כדי שיוכלו לשרוד טוב יותר את הבצורת הנגרמת כתוצאה משינויי האקלים.

על המחבר

דניאל ווד, דוקטורנט לביולוגיה של צמחים, אוניברסיטת שפילד

מאמר זה פורסם מחדש מתוך שיחה תחת רישיון Creative Commons. קרא את ה מאמר מקורי.

ing