Hoekom is kaktusse so sappig? Die geheime strategie van suikers | Mighty Natural
Geskryf deur Daniel Wood
Bloei wonderlik: kaktusse is een van die min plantspesies wat in die woestyn kan floreer. Alan Levine / Flickr, CC BY-SA
Sonlig, aangewend deur plante in die proses van fotosintese, kragte bykans al die lewe op aarde. Spesiale aanpassings laat sekere plante toe om 'n battery koolstofdioksied oornag op te slaan vir gebruik in fotosintese gedurende die dag, wat hulle 'n sappige voordeel in droë woestynstoestande gee.
Die prosesse wat lewe vorm - soos groei, herstel, beweging en voortplanting - alles benodig 'n energiebron. Die onmiddellike bron van hierdie energie vir baie lewende dinge is chemiese energie.
Hoë-energie-koolstof-gebaseerde molekules, soos suikers en vette, word afgebreek om die prosesse van die lewe te beheer. Hierdie hoëenergie molekules kom nie natuurlik voor in die omgewing nie. Werk-skaam en oneerlike organismes, soos mense, staatmaak op die steel van hoë energie molekules van ander organismes deur hulle te eet. Uiteindelik word egter meer hoë energie molekules benodig om diegene wat afgebreek is, te vervang.
Terwyl suikers en vette ongelukkig nie van die ruimte reën nie, doen energie-ryk fotone (die volgende beste ding), in die vorm van sonlig. Meer verantwoordelike organismes as ons, soos plante en alge, voer fotosintese uit. Hierdie proses maak gebruik van energie uit sonlig om hoë energie molekules te regenereer uit hul afbreekbare afvalproduk, koolstofdioksied (CO2), wat deur alle lewende dinge voortdurend in die atmosfeer vrygestel word.
In die mees algemene vorm van fotosintese, CO2 word gedurende die dag in blare opgeneem via klein porieë in die plantoppervlak. Dit word dan vasgeheg, of "vas", reguit op 'n suikermolekule wat energie gebruik uit sonlig, om as bron van chemiese energie gebruik te word - óf deur die plant of deur die dier wat dit eet.
Klein porieë laat koolstofdioksied in die blaar in, maar laat ook suurstof in en uitwater. Photohound
Maar die verkryging van CO2 Van die atmosfeer kan in sommige situasies problematies wees. Deur die porieë op die plantoppervlak oop te maak, kan CO2 in, maar laat ook suurstof in en uitwater. Waterverlies is 'n probleem in droë omgewings - veral gedurende die dag, dit is wanneer CO2 word benodig vir fotosintese.
Verder, in warm omgewings, is die plant minder in staat om tussen suurstof en CO te diskrimineer2 en kan eintlik uiteindelik suurstof aan die suikermolekule koppel. Sodra 'n suurstofmolekule aan 'n suiker vasgemaak is, moet dit weer teen beduidende energiekoste aangewend word, wat die netto energie wat plante van fotosintese verkry, kan verminder.
Koolstofdioksied batterye vir doeltreffendheid
Verskeie groepe plante het ontwikkel wat nie regstreeks atmosferiese CO regstel nie2 suikers maak, maar heg CO2 na ander molekules wat gestoor, vervoer en afgebreek kan word om CO vry te stel2 weer soos 'n battery. Dit vermy die probleme van waterverlies en toevallige suurstoffiksasie.
Twee alternatiewe strategieë het ontwikkel om van hierdie vermoë gebruik te maak: C4 fotosintese, wat die konsentrasie van CO manipuleer2 in die ruimte, en CAM fotosintese, wat die konsentrasie in tyd manipuleer.
C4 fotosintese word uitgevoer deur 7,600 spesies, die meeste van hulle grasse, insluitende mielies en sorghum. Dit het onafhanklik ontwikkel ten minste 60 keer, maar is teenwoordig in minder as 0.5% plantspesies. Alhoewel hoogs mededingend in warm omgewings, beteken die energieke koste wat verband hou met koolstofopberging dat plante wat konvensionele fotosintese uitvoer, die rand by laer temperature het.
C4 fotosintese gebruik 'n spesiale ensiem om atmosferiese CO te herstel2 op 'n suur. Hierdie ensiem is baie beter om te diskrimineer tussen CO2 en suurstof as die klassieke ensiem wat gebruik word in tradisionele fotosintese. Die suur word diep binne die plant vervoer, waar die konsentrasies suurstof baie laer is, en die CO2 is weer vrygestel. In hierdie lae-suurstof-omgewing maak die plant minder suurstofverstellingsfoute, wat die doeltreffendheid van fotosintese verhoog. Daar is 'n energieke koste vir hierdie rotonde manier om fotosintese te doen, maar dit word meer as geneutraliseer deur die afname in duur suurstofbindings in warm omgewings.
Kaktusse en pynappelplante gebruik CAM fotosintese om sappig te bly. hiyori13 / Flickr, CC BY-SA
Die ander alternatiewe soort fotosintese is CAM, of Crassulacean Acid Metabolism, wat die C4 fotosintese voorafgaan met minstens 150 miljoen jaar. Dit was eerste ontdek in die Crassula familie van plante maar het ontwikkel onafhanklik in baie afstammelinge van plante, in totaal oor 9,000 spesies.
Soos C4 plante, stoor CAM ook CO2 in 'n suur, maar dit doen snags die reaksie en eerder as om die suur molekules na 'n ander deel van die plant te vervoer, slaan dit net in die vakuool - die stoorarea in die hart van elke plantsel. Gedurende die dag, wanneer die lig wat nodig is vir fotosintese beskikbaar is, hoef die plant nie sy porieë oop te maak nie: dit het 'n verpakte middagete wat reeds in sy selle gestoor is. Dit laat die plant fotosintese toe sonder om die porieë gedurende die dag oop te maak. Dit verminder die hoeveelheid water wat verlore gaan.
Dit is hoe CAM-plante soos kaktusse en pynappels sukkulent en waterig kan bly ten spyte van die warm omgewing waarin hulle groei. In laer of koeler omgewings is die probleme wat deur CAM en C4 fotosintese opgelos word egter nie so ernstig nie - en die energieke koste van stoor en weer vrystelling van CO2 beteken die plante is slegs mededingend met hul tradisioneel fotosintetiserende niggies in warm of droë omgewings.
Miskien is die heel laaste plek wat die CAM plante kan vind, onder water, 'n mooi nat omgewing vir alle rekeninge. Dit was dus met 'n bietjie verrassing dat CAM was Eerste berig in die meer plant Isoetes gevolg deur ontdekkings in vier ander genera van waterplante.
Klein waterplante van die genus Isoetes voer CAM uit om koolstofdioksied in die onderwaterwêreld te konsentreer. VSA Fish & Wildlife Service
Ten spyte van hul baie verskillende omgewings, deel plante in mere en woestyne uiteindelik dieselfde probleem - die moeilikheid om CO te bekom2. Terwyl baie CO2 kan in water oplos, dit diffundeer baie stadiger as in lug, sodat die water om 'n plant uitgeput kan raak2. Aquatiese plante het CAM fotosintese ontwikkel sodat hulle kan voortgaan om CO te gebruik2 snags gebruik dit om aan te vul wat hulle gedurende die dag kan verkry.
Benewens navorsing wat daarop gemik is om stel C4 fotosintese in rys bekend, was daar groot belangstelling in die wysiging van gewasplante om CAM fotosintese te verrig, sodat hulle beter droogtes as gevolg van klimaatsverandering kan oorleef.
Daniel Wood, PhD-student in Plantbiologie, Universiteit van Sheffield