تزهر رائعة: الصبار هي من بين الأنواع النباتية القليلة التي يمكن أن تزدهر في الصحراء. آلان ليفين / فليكر, CC BY-SA

أشعة الشمس ، تسخيرها النباتات في عملية التمثيل الضوئي ، وتقود كل الحياة تقريبا على الأرض. تسمح التعديلات الخاصة لبعض النباتات بتخزين بطارية من ثاني أكسيد الكربون بين عشية وضحاها لاستخدامها في عملية التمثيل الضوئي خلال اليوم ، مما يمنحها ميزة مثيرة في ظروف الصحراء الجافة.

تتطلب العمليات التي تشكل الحياة - مثل النمو والإصلاح والحركة والتكاثر - مصدرًا للطاقة. المصدر المباشر لهذه الطاقة لكثير من الكائنات الحية هو الطاقة الكيميائية.

الجزيئات عالية الطاقة القائمة على الكربون ، مثل السكريات والدهون ، تنقسم إلى طاقة عمليات الحياة. هذه الجزيئات عالية الطاقة لا تحدث بشكل طبيعي في البيئة. تعتمد الكائنات الحية الخجولة وغير الأمينة ، مثل البشر ، على سرقة جزيئات الطاقة العالية من الكائنات الأخرى عن طريق تناولها. في النهاية ، ومع ذلك ، هناك حاجة إلى مزيد من جزيئات الطاقة العالية لتحل محل تلك الجزيئات.

على الرغم من أن السكريات والدهون للأسف لا تمطر من الفضاء ، إلا أن الفوتونات الغنية بالطاقة (الشيء الأفضل التالي) تقوم به في صورة ضوء الشمس. الكائنات الحية المسؤولة أكثر منا ، مثل النباتات والطحالب ، تؤدي عملية التمثيل الضوئي. تستخدم هذه العملية الطاقة من أشعة الشمس لتجديد جزيئات الطاقة العالية من ناتج تفككها ، ثاني أكسيد الكربون (CO)₂) ، والتي يتم إصدارها باستمرار في الغلاف الجوي عن طريق جميع الكائنات الحية.

في الشكل الأكثر شيوعًا لعملية التمثيل الضوئي ، CO₂ يؤخذ إلى أوراق خلال النهار عبر المسام الصغيرة في سطح النبات. ثم يتم توصيله ، أو "تثبيته" ، مباشرة على جزيء السكر باستخدام الطاقة من أشعة الشمس ، ليتم استخدامه كمصدر للطاقة الكيميائية - إما عن طريق النبات ، أو عن طريق الحيوان الذي يأكله.

تسمح المسام الصغيرة بثاني أكسيد الكربون في الورقة - ولكن أيضًا تسمح للأكسجين بالخروج والخروج من الماء. Photohound

لكن الحصول على CO₂ من الجو يمكن أن يكون مشكلة في بعض الحالات. فتح المسام على سطح النبات يتيح CO₂ في ، ولكن أيضا يسمح الأكسجين في والخروج الماء. يمثل فقدان المياه مشكلة في البيئات الجافة - خاصةً خلال النهار ، وهو وقت حدوث ثاني أكسيد الكربون₂ مطلوب لعملية التمثيل الضوئي.

بالإضافة إلى ذلك ، في البيئات الحارة ، يكون المصنع أقل قدرة على التمييز بين الأكسجين وأول أكسيد الكربون₂ ويمكن أن ينتهي الأمر بالفعل بربط الأكسجين بجزيء السكر. بمجرد أن يتم تثبيت جزيء الأكسجين على السكر ، يجب أن يتم تثبيته مرة أخرى بتكلفة حيوية كبيرة ، مما يقلل من صافي الطاقة التي يمكن أن تحصل عليها النباتات من عملية التمثيل الضوئي.

بطاريات ثاني أكسيد الكربون لتحقيق الكفاءة

تطورت عدة مجموعات من النباتات التي لا تعمل مباشرة على إصلاح ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي₂ لجعل السكريات ، ولكن نعلق CO₂ على جزيئات أخرى يمكن تخزينها ونقلها وتقسيمها لتحرير ثاني أكسيد الكربون₂ مرة أخرى ، مثل البطارية. هذا يتجنب مشاكل فقدان الماء وتثبيت الأكسجين العرضي.

تطورت استراتيجيتان بديلتان للاستفادة من هذه القدرة: التمثيل الضوئي C4 ، والذي يعالج تركيز ثاني أكسيد الكربون₂ في الفضاء ، والتمثيل الضوئي CAM ، والذي يعالج التركيز في الوقت المناسب.

يتم إجراء عملية التمثيل الضوئي C4 بواسطة أنواع 7,600 ، معظمها من الأعشاب ، بما في ذلك الذرة والذرة الرفيعة. لديها تطورت بشكل مستقل على الأقل مرات 60، حتى الآن موجود في أقل من 0.5 ٪ من الأنواع النباتية. على الرغم من القدرة التنافسية العالية في البيئات الحارة ، فإن التكاليف النشطة المرتبطة بتخزين الكربون تعني أن المصانع التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي التقليدية لها ميزة في درجات الحرارة المنخفضة.

يستخدم التمثيل الضوئي C4 إنزيم خاص لإصلاح ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي₂ على حمض. هذا الانزيم هو أفضل بكثير في التمييز بين أول أكسيد الكربون₂ والأكسجين من الإنزيم الكلاسيكي المستخدم في التمثيل الضوئي التقليدي. يتم نقل الحمض في عمق المصنع ، حيث تكون تركيزات الأكسجين أقل بكثير ، وأول أكسيد الكربون₂ يتم إعادة إصدارها. في هذه البيئة منخفضة الأكسجين ، يرتكب المصنع أخطاء أقل في إصلاح الأكسجين ، مما يزيد من كفاءة التمثيل الضوئي. هناك تكلفة حيوية لهذه الطريقة الدوارة للقيام بعملية التمثيل الضوئي ، ولكن هذا يعوضه أكثر من الانخفاض في تثبيت الأكسجين المكلف في البيئات الحارة.

تستخدم نباتات الصبار والأناناس عملية التمثيل الضوئي لـ CAM للبقاء في حالة غضب. hiyori13 / فليكر, CC BY-SA

النوع البديل الآخر من التمثيل الضوئي هو CAM ، أو التمثيل الغذائي لحمض Crassulacean ، الذي يسبق عملية التمثيل الضوئي C4 بمقدار 150 مليون سنة على الأقل. لقد كان هذا اكتشفت لأول مرة في عائلة كراسولا من النباتات ولكن لديها تطورت بشكل مستقل في العديد من الأنساب من النباتات ، التي يبلغ مجموعها أكثر من أنواع 9,000.

مثل مصانع C4 ، تقوم CAM أيضًا بتخزين CO₂ في الحمض ، لكنه يؤدي هذا التفاعل في الليل ، وبدلاً من نقل جزيئات الحمض إلى جزء مختلف من النبات ، فإنه ببساطة يخزنها في فجوة - منطقة التخزين في قلب كل خلية نباتية. أثناء النهار ، عندما يتوفر الضوء المطلوب لعملية التمثيل الضوئي ، لا يحتاج المصنع إلى فتح مسامه: إنه يحتوي على غداء مرزوم مخزّن بالفعل في خلاياه. هذا يسمح للمصنع بإجراء عملية التمثيل الضوئي دون فتح المسام خلال اليوم ، مما يقلل بشكل كبير من كمية المياه المفقودة.

هذه هي الطريقة التي يمكن أن تظل بها النباتات CAM مثل الصبار والأناناس عصاري ومائي على الرغم من البيئات الحارة التي تنمو فيها. ومع ذلك ، في البيئات الأكثر رطوبة أو الأكثر برودة ، ومع ذلك ، فإن المشكلات التي تم حلها بواسطة عملية التمثيل الضوئي CAM و C4 ليست حادة - والتكلفة النشطة تخزين وإعادة إطلاق CO₂ يعني أن النباتات تتنافس فقط مع أبناء عمومة التمثيل الضوئي التقليديين في البيئات الحارة أو الجافة.

ربما آخر مكان ، لذلك ، قد يتوقع المرء أن يجد نباتات CAM هو تحت الماء ، بيئة رطبة جدا بكل المقاييس. كان مع بعض المفاجأة لذلك كان CAM ذكرت لأول مرة في نبات البحيرة Isoetes تليها الاكتشافات في أربعة أجناس أخرى من النباتات المائية.

تقوم النباتات المائية الصغيرة للجنس Isoetes بتنفيذ CAM لتركيز ثاني أكسيد الكربون في العالم تحت الماء. الولايات المتحدة الأسماك والحياة البرية الخدمة

على الرغم من بيئاتها المختلفة للغاية ، فإن النباتات في البحيرات والصحاري تشترك في النهاية في نفس المشكلة - صعوبة الحصول على ثاني أكسيد الكربون₂. بينما الكثير من CO₂ يمكن إذابته في الماء ، وينتشر ببطء أكبر بكثير من الهواء ، وبالتالي يمكن استنفاد المياه المحيطة بالمصنع من ثاني أكسيد الكربون₂. تطورت النباتات المائية عملية التمثيل الضوئي CAM حتى يتمكنوا من الاستمرار في تناول CO₂ في الليل ، واستخدامه لتكملة ما يمكنهم الحصول عليها خلال النهار.

بالإضافة إلى البحوث التي تهدف إلى إدخال التمثيل الضوئي C4 في الأرز، كان هناك اهتمام كبير بتعديل نباتات المحاصيل لأداء التمثيل الضوئي CAM حتى يتمكنوا من البقاء على قيد الحياة بشكل أفضل من الجفاف الناجم عن تغير المناخ.

نبذة عن الكاتب

دانيال وود ، طالب دكتوراه في علم الأحياء النباتية ، جامعة شيفيلد

يتم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة تحت رخصة المشاع الإبداعي. إقرأ ال المقال الأصلي.

جي