אבולוציה של פוטוסינתזה

האבולוציה של הפוטוסינתזה מתייחסת למקור ולהתפתחות של תהליך הפוטוסינתזה, התהליך שבו אנרגיית האור משמשת להרכבת סוכרים מפחמן דו-חמצני ומים, תוך שחרור חמצן כתוצר פסולת. תהליך הפוטוסינתזה התגלה על ידי יאן אינינגהוש , רופא ומדען בריטי יליד הולנד, שפרסם את מחקרו אודות תהליך הפוטוסינתזה לראשונה בשנת 1779.

האורגניזמים הפוטוסינתטיים הראשונים התפתחו לפי ההשערה בתחילת ההיסטוריה האבולוציונית של החיים, וככל הנראה השתמשו בחומרים מחזרים  כמו מימן, ולא במים. ישנם שלושה מסלולים מטבוליים  עיקריים שבהם מתבצעת הפוטוסינתזה: קיבוע פחמן במסלול C3 , קיבוע פחמן במסלול C4 ומטבוליזם של חומצת הטבוריתיים. קיבוע פחמן במסלול C3 היא הצורה העתיקה והנפוצה ביותר. C3 הוא כינוי למשפחת צמחים המשתמשים במעגל קלווין עבור השלבים הראשונים של התהליך הפוטוסינתטי.

מוצא 

היכולת הביוכימית להשתמש במים כמקור לאלקטרונים בתהליך הפוטוסינתזה התפתחה באב קדמון משותף של כחוליות קיימות. התיעוד הגאולוגי מצביע על כך ששינוי זה התרחש בשלב מוקדם בהיסטוריה של כדור הארץ, לפחות לפני 2.45-2.32 למיל"ש, ולפי ההשערות זמן רב קודם לכן. ממצאים ממחקרים גיאו-ביולוגיים של סלעי משקע ארכאיים מצביעים על כך שהחיים התפתחו לפחות ב-3.5 מיליארדי השנים האחרונות, אך לשאלה מתי התפתחה פוטוסינתזה המערבת חמצן עדיין לא ניתנה תשובה חד-משמעית.

ממצאים פלאונטולוגים לאבולוציה של כחוליות מצביעים על תחילת התהליך לפני 2 מיליארד שנה. כחוליות נותרו יצרניות ראשוניות עיקריות כיצורים אוטוטרופים, לאורך תקופת הפרוטרוזואיקון (2500-542 למ"ש), בין השאר משום שמבנה חמצון-חיזור של האוקיינוסים 'העדיף' פוטואוטוטרופים המסוגלים לקיבוע חנקן .

מחקרים שפורסמו בשנת 2018, מצביעים על האפשרות שתהליך הפוטוסינתזה החל לפני כ-3.4 מיליארד שנים.

ציר הזמן של תהליך הפוטוסינתזה על פני כדור הארץ

סימביוזה ומקור הכלורופלסטים 

מספר קבוצות של בעלי חיים יצרו קשרים סימביוטיים עם אצות פוטוסינתטיות. קשרים אלה נפוצים ביותר באלמוגים, ספוגים ושושנות ים. ההנחה היא שהדבר נובע ממבנם הפשוט ושטחי הפנים הגדולים של בעלי חיים אלה בהשוואה לנפחיהם. בנוסף, כמה רכיכות ימיות מקיימות קשר סימביוטי עם כלורופלסטים שהן לוכדות מהאצות שבתזונתן ואז מאחסנות בגופן. הליך זה מאפשר לרכיכות לשרוד אך ורק על ידי פוטוסינתזה במשך מספר חודשים בכל פעם.

צורה קרובה עוד יותר של סימביוזה עשויה להסביר את מקור הכלורופלסטים. לכלורופלסטים יש קווי דמיון רבים עם כחוליות (חיידקים אמיתיים פוטוסינתטיים), כולל כרומוזום עגול, ריבוזומים פרוקריוטיים וחלבונים דומים המשתתפים באופן בולט בתהליך הפוטוסינתטי. התיאוריה האנדוסימיוטית  מציעה שחיידקים פוטוסינתטיים נקלטו (על ידי תהליך אנדוציטוזי) על ידי תאים איקריוטיים קדמונים ובכך יצרו את הצמחים הראשונים. לכן, כלורופלסטים עשויים למעשה להיות חיידקים פוטוסינתטיים שהסתגלו לחיים בתוך תאי הצמח.

כמו המיטוכונדריון, לכלורופלסט עדיין יש DNA משלו, נפרד מה- DNA הגרעיני (של גרעין התא) של תאי הצמח הסימביוטי שלו. DNA בכלורופלסטים מקודד לחלבון המשתתף בתהליך חמצון-חיזור כפי שקיים בלב התהליך הפוטוסינתטי.

ריכוז פחמן 
קיבוע פחמן במסלול C4 הוא חידוש אבולוציוני רב ערך שנוצר בצמחים, הכולל קבוצה מורכבת של שינויים שהובילו להסתגלות לפיזיולוגיה ודפוסי התבטאות גנים. כ-7,600 מיני צמחים משתמשים במסלול פוטוסינתטי זה, המייצג כ-3% מכלל מיני הצמחים היבשתיים. כל 7,600 המינים הללו הם בעלי פרחים.

מנגנון שלישי, מטבוליזם של חומצת הטבוריתיים, הוא מסלול קיבוע פחמן  שהתפתח בצמחים מסוימים בתהליך הסתגלות לתנאים צחיחים (יובש קיצוני). היתרון החשוב ביותר של תהליך זה לצמח הוא היכולת להשאיר את רוב פיוניות העלים (המווסתות את חילוף הגזים) סגורות במהלך היום. סגירה זו של הפיוניות מפחיתה את איבוד המים כתוצאה מאידוי. הפיונית נפתחת בלילה לאיסוף פחמן דו-חמצני, אשר מאוחסן כחומצה מאלית, ולאחר מכן משמש בתהליך הפוטוסינתזה במהלך היום.

מטבוליזם של חומצת הטבוריתיים התפתח בתהליך של אבולוציה מתכנסת פעמים רבות. המנגנון הפוטוסינתטי הזה מופיע ב-16,000 מינים (כ-7% מהצמחים), השייכים ליותר מ-300 סוגי צמחים וכ-40 משפחות צמחים.

שיא אבולוציוני 

שני מסלולים אלה, קיבוע פחמן במסלול C4 ומטבוליזם של חומצת הטבוריתיים התפתחו מספר פעמים באופן עצמאי במהלך האבולוציה של תהליך הפוטוסינתזה.

נראה שמספר 'התאמות מוקדמות' סללו את הדרך לקיבוע פחמן במסלול C4, והובילו להתפתחותו בצמחים מסוימים. לפי המחקר, התאמות או מאפיינים לא פוטוסינתטים מסוימים מספקים לעיתים קרובות אבני קפיצה אבולוציונית לתהליכים פוטוסינתטיים שונים.

קיבוע פחמן במסלול C4 משמש בעיקר על ידי תת-קבוצה של דשאים, בעוד שמטבוליזם של חומצת הטבוריתיים מתרחש בצמחים בשרניים וקקטוסים צבריים רבים. נראה שהבדל זה הופיע במהלך האוליגוקן, בסביבות 25–32 למ"ש עם זאת, הבדלים אלו לא הפכו למשמעותיים מבחינה אקולוגית עד המיוקן, 6–7 למ"ש.

ראו גם 
 אבולוציה
 צמחים

הערות שוליים

ביולוגיה אבולוציונית
אבולוציה לפי קבוצה