C3, C4 ve CAM Tesisleri: İklim Değişikliğine Uyumlar

Küresel iklim değişikliği günlük, mevsimsel ve yıllık ortalama sıcaklıklarda artışa ve anormal derecede düşük ve yüksek sıcaklıkların yoğunluğunda, sıklığında ve süresinde artışa neden olmaktadır. Sıcaklık ve diğer çevresel varyasyonlar bitki büyümesi üzerinde doğrudan etkiye sahiptir ve bitki dağılımında önemli belirleyici faktörlerdir. İnsanlar bitkilere - doğrudan ve dolaylı olarak- çok önemli bir besin kaynağı olduğundan, yeni çevresel düzene ne kadar dayanabildiklerini ve / veya bunlara alışabildiklerini bilmek çok önemlidir.

Tüm bitkiler yutuyor atmosferik karbon dioksit ve şeker ve nişasta haline getirin. fotosentez ama bunu farklı şekillerde yapıyorlar. Her bitki sınıfı tarafından kullanılan spesifik fotosentez yöntemi (veya yolu), kimyasal reaksiyon olarak adlandırılan bir dizi kimyasal reaksiyonun bir varyasyonudur. Calvin Döngüsü. Bu reaksiyonlar, bir bitkinin oluşturduğu karbon moleküllerinin sayısını ve türünü, bu moleküllerin depolandığı yerleri ve çoğu iklim değişikliğinin incelenmesi için, bir bitkinin düşük karbonlu atmosferlere, daha yüksek sıcaklıklara ve azaltılmış suya dayanma yeteneği ve azot.

Botanikçiler tarafından C3, C4 ve CAM olarak adlandırılan bu fotosentez süreçleri doğrudan küresel iklim değişikliği çünkü C3 ve C4 bitkileri atmosferik karbondioksit konsantrasyonundaki değişikliklere ve sıcaklık ve su mevcudiyetindeki değişikliklere farklı tepki verir.

İnsanlar şu anda daha sıcak, daha kuru ve daha düzensiz koşullarda gelişmeyen bitki türlerine bağımlıdır. Gezegen ısınmaya devam ettikçe, araştırmacılar bitkilerin değişen ortama adapte edilebileceği yolları araştırmaya başladılar. Fotosentez işlemlerini değiştirmek bunu yapmanın bir yolu olabilir.

İnsan gıdaları ve enerji için güvendiğimiz kara bitkilerinin büyük çoğunluğu, karbon fiksasyonu için en eski yol olan C3 yolunu kullanır ve tüm taksonomilerin bitkilerinde bulunur. Prosimians, yeni ve eski dünya dahil olmak üzere tüm vücut boyutlarında neredeyse tüm insan olmayan primatlar maymunlar ve tüm maymunlar - C4 ve CAM bitkileri olan bölgelerde yaşayanlar bile - C3 bitkilerine bağlıdır. rızık.

• Türler: Pirinç gibi hububat, buğday, soya fasulyesi, çavdar ve arpa; manyok gibi sebzeler, patates, ıspanak, domates ve patates; ağaçlar gibi elma, şeftali ve okaliptüs
• Enzim: Ribuloz bifosfat (RuBP veya Rubisco) karboksilaz oksijenaz (Rubisco)
• süreç: CO2'yi 3-karbon bileşiği 3-fosfogliserik aside (veya PGA) dönüştürün
• Karbonun Sabit Olduğu Yer: Tüm yaprak mezofil hücreleri
• Biyokütle Oranları:% -22 ila% -35, ortalama% -26.5

C3 yolu en yaygın olmakla birlikte, aynı zamanda verimsizdir. Rubisco sadece CO2 ile değil, aynı zamanda O2 ile de reaksiyona girerek, asimilasyonlu karbonu boşa harcayan bir süreç olan fotorespirasyona yol açar. Mevcut atmosferik koşullar altında, C3 bitkilerindeki potansiyel fotosentez% 40'a kadar oksijen ile bastırılır. Bu baskılamanın derecesi kuraklık, yüksek ışık ve yüksek sıcaklıklar gibi stres koşullarında artar. Küresel sıcaklıklar arttıkça, C3 bitkileri hayatta kalmak için mücadele edecek - ve onlara güvendiğimizden, biz de öyle olacağız.

Tüm kara bitki türlerinin sadece% 3'ü C4 yolunu kullanır, ancak tropik, subtropik ve ılıman ılıman bölgelerdeki neredeyse tüm çayırlara hakimdir. C4 bitkileri ayrıca mısır, sorgum ve şeker kamışı gibi yüksek verimli mahsulleri de içerir. Bu ürünler biyoenerji alanına öncülük ederken, insan tüketimi için tamamen uygun değildir. Mısır istisnadır, ancak bir toz haline getirilmedikçe gerçekten sindirilemez. Mısır ve diğer mahsul bitkileri, enerjiyi ete dönüştüren hayvan yemi olarak da kullanılır - bitkilerin başka bir verimsiz kullanımı.

• Türler: Düşük enlemlerde yem bitkilerinde yaygındır, mısır, sorgum, şeker kamışı, fonio, tef ve papirüs
• Enzim: Fosfoenolpiruvat (PEP) karboksilaz
• Süreci: CO2'yi 4 karbonlu ara maddeye dönüştürün
• Karbonun Sabit Olduğu Yer: Mezofil hücreler (MC) ve demet kılıf hücreleri (BSC). C4'lerde her bir veni çevreleyen bir BSC halkası ve demet kılıfı çevreleyen Kranz anatomisi olarak bilinen bir dış MC halkası bulunur.
• Biyokütle Oranları: Ortalama% -12.5 ile% -9 ila% -16.

C4 fotosentezi, C3 stil döngüsünün sadece yaprak içindeki iç hücrelerde meydana geldiği C3 fotosentez işleminin biyokimyasal bir modifikasyonudur. Yaprakların çevresinde fosfoenolpiruvat (PEP) karboksilaz adı verilen çok daha aktif bir enzim içeren mezofil hücreler bulunur. Sonuç olarak, C4 bitkileri güneş ışığına çok fazla erişim ile uzun büyüyen mevsimlerde gelişir. Bazıları salin toleranslıdır, bu da araştırmacıların geçmiş sulama çabalarından kaynaklanan salinizasyon, tuza toleranslı C4 ekilerek geri yüklenebilir Türler.

CAM fotosentezi, bitki ailesinin onuruna Crassulacean, taşlı ailenin ailesi veya orpine ailesi ilk olarak belgelenmiştir. Bu tip fotosentez düşük su mevcudiyetine uyum sağlar ve kurak bölgelerde orkidelerde ve etli bitki türlerinde görülür.

Tam CAM fotosentezi kullanan bitkilerde, yapraklardaki stomalar buharlaşmayı azaltmak için gün ışığında kapanır ve karbondioksit almak için geceleri açılır. Bazı C4 bitkileri de en azından kısmen C3 veya C4 modunda çalışır. Aslında, bir bitki bile var Agave Angustifolia yerel sistem gerektirdiği gibi modlar arasında geçiş yapar.

• Türler: Kaktüsler ve diğer sulu meyveler, Clusia, tekila agav, ananas.
• Enzim: Fosfoenolpiruvat (PEP) karboksilaz
• Süreci: Mevcut güneş ışığına bağlı dört faz, CAM tesisleri gün boyunca CO2 toplayın ve daha sonra gece 4 karbon ara maddesi olarak CO2'yi sabitleyin.
• Karbonun Sabit Olduğu Yer: Vakuoller
• Biyokütle Oranları: Oranlar C3 veya C4 aralıklarına düşebilir.

CAM tesisleri, yarı kurak çöller gibi suyla sınırlı ortamlarda iyi performans göstermelerini sağlayan bitkilerde en yüksek su kullanım verimliliğini sergiler. Ananas ve birkaç istisna dışında sabır otu tekila, CAM bitkileri gibi türler, insanların gıda ve enerji kaynakları için kullanımı açısından nispeten istismar edilmemiştir.

Küresel gıda güvensizliği halihazırda aşırı derecede akut bir sorundur ve verimsiz gıda ve enerjiye sürekli güven duyulmasını sağlar özellikle atmosferimiz daha fazla hale geldikçe bitki döngülerinin nasıl etkileneceğini bilmediğimizde tehlikeli bir rota oluşturur Karbon zengini. Atmosferik CO2'deki azalmanın ve Dünya ikliminin kurumasının C4 ve CAM evrimini desteklediği düşünülmektedir. yüksek CO2'nin bu alternatifleri C3'e tercih eden koşulları tersine çevirebileceği endişe verici olasılığı artırır fotosentez.

Atalarımızdan gelen kanıtlar, hominidlerin diyetlerini iklim değişikliğine uyarlayabildiğini göstermektedir. Ardipithecus ramidus ve Ar anamensis her ikisi de C3 bitkilerine bağımlıydı, ancak yaklaşık dört milyon yıl önce doğu Afrika'nın ormanlık bölgelerden savana kadar bir iklim değişikliği değiştiğinde, hayatta kalan türler—Australopithecus afarensis ve Kenyanthropus platyops- karışık C3 / C4 tüketicileriydi. 2,5 milyon yıl önce iki yeni tür evrimleşmişti: Paranthropus, C4 / CAM gıda kaynaklarına odaklanan ve erken Homo sapiens hem C3 hem de C4 bitki çeşitlerini tüketmiştir.

C3 bitkilerini C4 türüne dönüştüren evrimsel süreç, son 35 milyon yılda bir kez değil en az 66 kez gerçekleşti. Bu evrimsel adım, fotosentetik performansın artmasına ve su ve azot kullanım verimliliğinin artmasına neden oldu.

Sonuç olarak, C4 bitkileri C3 bitkilerinden iki kat daha fazla fotosentetik kapasiteye sahiptir ve daha yüksek sıcaklıklar, daha az su ve mevcut azot ile başa çıkabilir. Bu nedenlerden dolayı, biyokimyacılar şu anda C4 ve CAM özelliklerini taşımanın yollarını bulmaya çalışıyor (süreç verimliliği, yüksek tolerans sıcaklıklar, daha yüksek verim ve kuraklık ve tuzluluk direnci) küresel olarak karşılaşılan çevresel değişiklikleri dengelemenin bir yolu olarak C3 tesislerine ısınma.

En azından bazı C3 modifikasyonlarının mümkün olduğuna inanılmaktadır, çünkü karşılaştırmalı çalışmalar bu bitkilerin zaten C4 bitkilerinin işlevlerine benzer bazı temel genlere sahip olduğunu göstermiştir. C3 ve C4 hibritleri beş yıldan fazla bir süredir takip edilirken, kromozom uyuşmazlığı ve hibrid sterilite başarısı nedeniyle ulaşılamamıştır.

Gıda ve enerji güvenliğini artırma potansiyeli, fotosentez araştırmalarında belirgin artışlara neden olmuştur. Fotosentez, gıda ve lif kaynağımızın yanı sıra enerji kaynaklarımızın çoğunu sağlar. Hatta bankası hidrokarbonlar Yerkabuğunda bulunan ve aslında fotosentez tarafından yaratıldı.

Fosil yakıtlar tükendiğinde ya da insanlar küresel ısınmayı önlemek için fosil yakıt kullanımını sınırlandırdıklarında, dünya bu enerji arzını yenilenebilir kaynaklarla değiştirmeyle karşı karşıya kalacak. İnsanların evriminin önümüzdeki 50 yıl içinde iklim değişikliği oranına ayak uydurmasını beklemek pratik değildir. Bilim adamları, gelişmiş genomiklerin kullanımı ile bitkilerin başka bir hikaye olacağını umuyorlar.

• Ehleringer, J.R.; Cerling, T.E. "Küresel Çevresel Değişim Ansiklopedisi" nde "C3 ve C4 Fotosentezi" Munn, T.; Mooney, H.A.; Canadell, J.G., editörler. s. 186-190. John Wiley ve Oğulları. Londra. 2002
• Keerberg, O.; Pärnik, T.; Ivanova, H.; Bassüner, B.; Bauwe, H. "C2 fotosentezi, C3 – C4 ara türlerinde yaklaşık 3 kat yüksek yaprak CO2 seviyeleri üretir içinde Deneysel Botanik Dergisi 65(13):3649-3656. 2014Flaveria pubescens"
• Matsuoka, M.; Furbank, R.T.; Fukayama, H.; Miyao, M. "C4 fotosentezinin moleküler mühendisliği" içinde Bitki Fizyolojisi ve Bitki Moleküler Biyolojisinin Yıllık İncelemesi. s. 297-314. 2014.
• Sage, R.F. "Karasal bitkilerde fotosentetik verimlilik ve karbon konsantrasyonu: C4 ve CAM çözümleri " içinde Deneysel Botanik Dergisi 65 (13), s. 3323–3325. 2014
• Schoeninger, M.J. "Kararlı İzotop Analizleri ve İnsan Diyetlerinin Evrimi " içinde Antropolojinin Yıllık Değerlendirmesi 43, s. 413–430. 2014
• Sponheimer, M.; Alemseged, Z.; Cerling, T.E.; Grine, F.E.; Kimbel, W.H.; Leakey, M.G.; Lee-Thorp, J.A.; Manthi, F.K.; Reed, K.E.; Wood, B.A.; vd. "Erken hominin diyetlerinin izotopik kanıtı " içinde Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı 110 (26), s. 10513–10518. 2013
• Van der Merwe, N. "Karbon İzotopları, Fotosentez ve Arkeoloji" Amerikalı Bilim Adamı 70, s. 596-606. 1982