Bloeiend prachtig: cactussen behoren tot de weinige plantensoorten die kunnen gedijen in de woestijn. Alan Levine / Flickr, CC BY-SA

Zonlicht, aangewend door planten in het proces van fotosynthese, voedt bijna al het leven op aarde. Door speciale aanpassingen kunnen bepaalde planten een batterij koolstofdioxide gedurende de nacht opslaan voor gebruik in fotosynthese gedurende de dag, waardoor ze een sappig voordeel hebben in droge woestijnomstandigheden.

De processen die het leven vormen - zoals groei, reparatie, beweging en voortplanting - hebben allemaal een energiebron nodig. De directe bron van deze energie voor veel levende wezens is chemische energie.

Hoogenergetische koolstof-gebaseerde moleculen, zoals suikers en vetten, worden afgebroken om de processen van het leven te voeden. Deze hoogenergetische moleculen komen van nature niet in de omgeving voor. Werkschuwe en oneerlijke organismen, zoals mensen, vertrouwen op het stelen van hoogenergetische moleculen van andere organismen door ze te eten. Uiteindelijk zijn echter meer hoogenergetische moleculen nodig om die afgebroken te vervangen.

Terwijl suikers en vetten helaas niet vanuit de ruimte naar beneden komen, doen energierijke fotonen (het op één na beste ding) dat in de vorm van zonlicht. Meer verantwoordelijke organismen dan wij, zoals planten en algen, voeren fotosynthese uit. Dit proces gebruikt energie uit zonlicht om hoog energetische moleculen te regenereren uit hun afbraakafvalproduct, kooldioxide (CO₂), die door alle levende wezens constant in de atmosfeer wordt vrijgegeven.

In de meest voorkomende vorm van fotosynthese, CO₂ wordt overdag opgenomen in bladeren via kleine poriën in het plantoppervlak. Het wordt dan bevestigd, of "gefixeerd", rechtstreeks op een suikermolecuul met behulp van energie uit zonlicht, om te worden gebruikt als een bron van chemische energie - hetzij door de plant, hetzij door het dier dat het eet.

Uiterst kleine poriën laten koolstofdioxide in het blad - maar laten ook zuurstof in en water naar buiten. Photohound

Maar het verkrijgen van CO₂ uit de atmosfeer kan in sommige situaties een probleem zijn. Door de poriën op het plantoppervlak te openen, kan CO₂ in, maar laat ook zuurstof in en water uit. Waterverlies is een probleem in droge omgevingen - met name overdag, wanneer CO₂ is vereist voor fotosynthese.

Bovendien is de plant in warme omgevingen minder goed in staat om onderscheid te maken tussen zuurstof en CO₂ en kan uiteindelijk uiteindelijk zuurstof aan het suikermolecuul binden. Als een zuurstofmolecuul eenmaal op een suiker is gefixeerd, moet het opnieuw worden gewaardeerd tegen aanzienlijke energiekosten, waardoor de netto-energie die planten kunnen krijgen door fotosynthese, wordt verminderd.

Kooldioxide-batterijen voor efficiëntie

Verschillende groepen planten zijn geëvolueerd die atmosferische CO niet rechtstreeks fixeren₂ om suikers te maken, maar CO₂ op andere moleculen die kunnen worden opgeslagen, getransporteerd en afgebroken om CO vrij te maken₂ nogmaals, zoals een batterij. Dit voorkomt de problemen van waterverlies en accidentele zuurstofbinding.

Twee alternatieve strategieën zijn geëvolueerd om gebruik te maken van dit vermogen: C4-fotosynthese, die de CO-concentratie manipuleert₂ in de ruimte, en CAM-fotosynthese, die de concentratie in de tijd manipuleert.

C4-fotosynthese wordt uitgevoerd door 7,600-soorten, meestal grassen, waaronder maïs en sorghum. Het heeft onafhankelijk ontwikkeld ten minste 60 keeris echter aanwezig in minder dan 0.5% plantensoorten. Hoewel ze zeer concurrerend zijn in warme omgevingen, betekenen de energiekosten die gepaard gaan met koolstofopslag dat planten die conventionele fotosynthese uitvoeren, de rand hebben bij lagere temperaturen.

C4 fotosynthese maakt gebruik van een speciaal enzym om atmosferisch CO te fixeren₂ op een zuur. Dit enzym is veel beter in het onderscheiden van CO₂ en zuurstof dan het klassieke enzym dat wordt gebruikt in de traditionele fotosynthese. Het zuur wordt diep in de plant getransporteerd, waar de zuurstofconcentraties veel lager zijn en de CO₂ wordt opnieuw uitgebracht. In deze omgeving met weinig zuurstof maakt de plant minder zuurstof-fixeerfouten, waardoor de efficiëntie van fotosynthese toeneemt. Er zijn energiekosten aan deze rotonde manier om fotosynthese te doen, maar dit wordt meer dan gecompenseerd door de daling van dure zuurstoffixatie in hete omgevingen.

Cactussen en ananasplanten gebruiken CAM-fotosynthese om sappig te blijven. hiyori13 / Flickr, CC BY-SA

De andere alternatieve soort van fotosynthese is CAM of Crassulacean-zuur metabolisme, dat ouder is dan C4-fotosynthese met minstens 150 miljoen jaar. Dit was voor het eerst ontdekt in de Crassula-familie van planten maar heeft onafhankelijk ontwikkeld in vele geslachten van planten, in totaal meer dan 9,000-soorten.

Net als C4-installaties slaat CAM ook CO op₂ in een zuur, maar het voert deze reactie 's nachts uit, en in plaats van de zuurmoleculen naar een ander deel van de plant te transporteren, slaat het ze eenvoudig op in de vacuole - het opslaggebied in het hart van elke plantencel. Overdag, wanneer het licht dat nodig is voor fotosynthese beschikbaar is, hoeft de plant zijn poriën niet te openen: het heeft een verpakte lunch die al in zijn cellen is opgeslagen. Hierdoor kan de plant fotosynthese uitvoeren zonder de poriën overdag te openen, waardoor de hoeveelheid verloren water aanzienlijk wordt verminderd.

Dit is hoe CAM-planten zoals cactussen en ananassen succulent en waterig kunnen blijven ondanks de warme omgevingen waarin ze groeien. In nattere of koelere omgevingen zijn de problemen opgelost door CAM en C4 fotosynthese echter niet zo ernstig - en de energiekosten van opslaan en opnieuw vrijgeven van CO₂ betekent dat de planten alleen concurreren met hun traditionele fotosynthetiserende neven en nichten in warme of droge omgevingen.

Misschien is de allerlaatste plaats die men zou verwachten CAM-planten te vinden dus onder water, een behoorlijk natte omgeving voor alle rekeningen. Het was met enige verbazing daarom dat CAM was voor het eerst vermeld in de meerplant Isoetes gevolgd door ontdekkingen in vier andere geslachten van waterplanten.

Kleine waterplanten van het geslacht Isoetes voeren CAM uit om koolstofdioxide in de onderwaterwereld te concentreren. Amerikaanse Fish & Wildlife Service

Ondanks hun zeer verschillende omgevingen, delen planten in meren en woestijnen uiteindelijk hetzelfde probleem - de moeilijkheid om CO te verwerven₂. Terwijl veel CO₂ kan worden opgelost in water, het diffundeert veel langzamer dan in de lucht, zodat het water rond een plant kan worden uitgeput van CO₂. Waterplanten hebben CAM-fotosynthese ontwikkeld, zodat ze CO kunnen blijven gebruiken₂ 's nachts gebruiken om het aan te vullen wat ze overdag kunnen krijgen.

Naast onderzoek gericht op introduceer C4 fotosynthese in rijst, er is veel belangstelling geweest voor het aanpassen van gewasplanten om CAM-fotosynthese uit te voeren, zodat ze droogtes als gevolg van klimaatverandering beter kunnen overleven.

Over de auteur

Daniel Wood, PhD student in Plant Biology, Universiteit van Sheffield

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanaf The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees de originele artikel.

ING