C3, C4 un CAM augi: pielāgošanās klimata izmaiņām

Globālo klimata pārmaiņu dēļ palielinās dienas, sezonas un gada vidējā temperatūra, kā arī palielinās neparasti zemas un augstas temperatūras intensitāte, biežums un ilgums. Temperatūra un citas vides izmaiņas tieši ietekmē augu augšanu un ir galvenie noteicošie faktori augu izplatībā. Tā kā cilvēki tieši un netieši paļaujas uz augiem, kas ir būtisks pārtikas avots, ir svarīgi zināt, cik labi viņi spēj izturēt jauno vides kārtību un / vai aklimatizēties tai.

Visi augi norij atmosfēras oglekļa dioksīds un pārveido to cukuros un cietes procesā fotosintēze bet viņi to dara dažādos veidos. Īpašā fotosintēzes metode (vai ceļš), ko izmanto katra augu klase, ir ķīmisko reakciju kopuma, ko sauc par Kalvina cikls. Šīs reakcijas ietekmē augu radīto oglekļa molekulu skaitu un veidu, vietas, kur šīs molekulas tiek glabātas, un visvairāk kas ir svarīgi klimata izmaiņu izpētei, auga spēja izturēt zemu oglekļa atmosfēru, augstāku temperatūru un samazinātu ūdens daudzumu un slāpeklis.

Šie fotosintēzes procesi, ko botāniķi apzīmē ar C3, C4 un CAM, ir tieši saistīti ar globālās klimata izmaiņas pētījumi, jo C3 un C4 augi atšķirīgi reaģē uz atmosfēras oglekļa dioksīda koncentrācijas izmaiņām un temperatūras un ūdens pieejamības izmaiņām.

Cilvēki pašlaik ir atkarīgi no augu sugām, kuras neveicas karstākos, sausākos un nepastāvīgākos apstākļos. Tā kā planēta turpina sasilt, pētnieki ir sākuši izpētīt veidus, kā augus var pielāgot mainīgajai videi. Viens no veidiem, kā to izdarīt, ir fotosintēzes procesu modificēšana.

Lielākā daļa sauszemes augu, uz kuriem mēs paļaujamies cilvēku pārtikā un enerģijā, izmanto C3 ceļu, kas ir vecākais no oglekļa fiksācijas ceļiem, un tas ir atrodams visu taksonomiju augos. Gandrīz visi esošie primāti, kas nav cilvēcīgi primāti, visu izmēru ķermenī, ieskaitot prosimijus, jauno un veco pasauli pērtiķiem, un visi pērtiķi - pat tie, kas dzīvo reģionos ar C4 un CAM augiem - ir atkarīgi no C3 augiem uzturs.

• Sugas: Graudaugu graudaugi, piemēram, rīsi, kvieši, sojas pupas, rudzi un mieži; dārzeņi, piemēram, manioka, kartupeļi, spināti, tomāti un jamss; tādi koki kā ābolu, persiku un eikaliptu
• Ferments: Ribulozes bisfosfāta (RuBP vai Rubisco) karboksilāzes oksigenāze (Rubisco)
• Process: Pārveidot CO2 par 3 oglekļa savienojumu 3-fosfoglicerīnskābe (vai PGA)
• Kur tiek fiksēts ogleklis: Visas lapu mezofila šūnas
• Biomasas likmes: -22% līdz -35%, ar vidējo -26,5%

Lai arī C3 ceļš ir visizplatītākais, tas arī nav efektīvs. Rubisco reaģē ne tikai ar CO2, bet arī ar O2, novedot pie fotorespirācijas - procesa, kas izšķiež asimilēto oglekli. Pašreizējos atmosfēras apstākļos potenciālo fotosintēzi C3 augos nomāc skābeklis pat 40%. Šīs slāpēšanas pakāpe palielinās stresa apstākļos, piemēram, sausuma, augsta apgaismojuma un augstas temperatūras apstākļos. Globālajai temperatūrai paaugstinoties, C3 augiem būs grūti izdzīvot - un tā kā mēs uz tiem paļaujamies, tad arī mēs.

Tikai apmēram 3% no visām sauszemes augu sugām izmanto C4 ceļu, bet tās dominē gandrīz visās tropisko, subtropisko un silto mērenaju zonu pļavās. C4 augi ietver arī augsti ražīgas kultūras, piemēram, kukurūzu, sorgo un cukurniedru. Kaut arī šīs kultūras rada bioenerģijas lauku, tās nav pilnībā piemērotas cilvēku uzturam. Kukurūza ir izņēmums, tomēr tā nav īsti sagremojama, ja vien tā nav samalta pulverī. Kukurūza un citi kultūraugi tiek izmantoti arī kā dzīvnieku barība, pārvēršot enerģiju gaļā - vēl viena neefektīva augu izmantošana.

• Sugas: Bieži sastopams lopbarības stiebrzālēs zemākajos platumos, kukurūza, sorgo, cukurniedru, fonio, tef un papirusa
• Ferments: Fosfenolpiruvāta (PEP) karboksilāze
• Process: Pārvērst CO2 par 4 oglekļa starpproduktu
• Kur tiek fiksēts ogleklis: Mezofila šūnas (MC) un saišķa apvalka šūnas (BSC). C4 ir BSC gredzens, kas apņem katru vēnu, un MC ārējais gredzens, kas apņem saišķa apvalku, pazīstams kā Kranz anatomija.
• Biomasas likmes: No -9 līdz -16%, ar vidējo -12,5%.

C4 fotosintēze ir C3 fotosintēzes procesa bioķīmiskā modifikācija, kurā C3 stila cikls notiek tikai lapas iekšējās šūnās. Apkārt lapām ir mezofila šūnas, kas satur daudz aktīvāku fermentu, ko sauc par fosfoenolpiruvāta (PEP) karboksilāzi. Tā rezultātā C4 augi plaukst garos augšanas periodos ar lielu piekļuvi saules gaismai. Daži no tiem pat ir fizioloģiski toleranti, ļaujot pētniekiem apsvērt, vai apgabali, kas piedzīvojuši sāļumu, kas radies iepriekšējo apūdeņošanas centienu rezultātā, var atjaunot, stādot sāli izturīgu C4 sugas.

CAM fotosintēze tika nosaukta par godu augu saimei, kurā Crassulacean, akmenspuķu ģimene vai orpīnu dzimta, vispirms tika dokumentēta. Šis fotosintēzes veids ir pielāgošanās zemai ūdens pieejamībai un notiek orhidejās un sukulentās augu sugās no sausajiem reģioniem.

Augos, kur notiek pilnīga CAM fotosintēze, stomatus lapās aizver dienasgaismas stundās, lai mazinātu iztvaikošanu, un atver naktī, lai uzņemtu oglekļa dioksīdu. Daži C4 augi vismaz daļēji darbojas arī C3 vai C4 režīmā. Patiesībā tur ir pat augs, ko sauc Agave Angustifolia kas pārslēdzas uz priekšu un atpakaļ starp režīmiem, kā to nosaka vietējā sistēma.

• Sugas: Kaktusi un citi sukulenti, Clusia, tekilas agave, ananāsi.
• Ferments: Fosfenolpiruvāta (PEP) karboksilāze
• Process: Četras fāzes, kas saistītas ar pieejamo saules gaismu, CAM augi dienas laikā savāc CO2 un tad naktī fiksē CO2 kā 4 oglekļa starpproduktu.
• Kur tiek fiksēts ogleklis: Vacuoles
• Biomasas likmes: Likmes var būt gan C3, gan C4.

CAM augiem piemīt visaugstākā ūdens izmantošanas efektivitāte augos, kas ļauj tiem labi rīkoties vidē ar ierobežotu ūdens daudzumu, piemēram, pussausajos tuksnešos. Izņemot ananāsus un dažus agave sugu, piemēram, tekilas agaves, CAM augi ir salīdzinoši neizmantoti cilvēku izmantošanai pārtikā un enerģijas resursos.

Pārtikas nedrošība pasaules mērogā jau ir ārkārtīgi aktuāla problēma, padarot nepārtrauktu paļaušanos uz neefektīvu pārtiku un enerģiju avoti ir bīstams kurss, it īpaši, ja mēs nezinām, kā tiks ietekmēti augu cikli, jo mūsu atmosfēra kļūs arvien lielāka ar oglekli bagāts. Tiek uzskatīts, ka atmosfēras CO2 samazināšana un Zemes klimata izžūšana ir veicinājusi C4 un CAM attīstību, kas rada satraucošu iespēju, ka paaugstināts CO2 daudzums var mainīt apstākļus, kas bija labvēlīgi šīm C3 alternatīvām fotosintēze.

Mūsu senču liecības liecina, ka hominīdi var pielāgot savu uzturu klimata izmaiņām. Ardipithecus ramidus un Ar anamensis abi bija atkarīgi no C3 augiem, bet, kad klimata izmaiņas pirms aptuveni četriem miljoniem gadu mainīja Āfrikas austrumus no mežajiem reģioniem līdz savannai, izdzīvoja sugas -Australopithecus afarensis un Kenyanthropus pīļknābis- bija jaukti C3 / C4 patērētāji. Pirms 2,5 miljoniem gadu bija izveidojušās divas jaunas sugas: Paranthropus, kuru uzmanības centrā bija C4 / CAM pārtikas avoti, un agri Homo sapiens kas patērēja gan C3, gan C4 augu šķirnes.

Evolūcijas process, kurā C3 augi tika pārveidoti par C4 sugām, pēdējo 35 miljonu gadu laikā ir notikuši ne vienu reizi vien, bet vismaz 66 reizes. Šis evolūcijas solis ļāva uzlabot fotosintēzes veiktspēju un paaugstināt ūdens un slāpekļa izmantošanas efektivitāti.

Tā rezultātā C4 augiem ir divreiz lielāka fotosintēzes spēja nekā C3 augiem un tie var tikt galā ar augstāku temperatūru, mazāk ūdens un pieejamo slāpekli. Šo iemeslu dēļ bioķīmiķi šobrīd mēģina atrast veidus, kā pārvietot C4 un CAM pazīmes (procesa efektivitāte, tolerance pret augsto temperatūra, augstāka raža un izturība pret sausumu un sāļumu) C3 augos kā veids, kā kompensēt vides izmaiņas, ar kurām saskaras globālā sasilšana.

Tiek uzskatīts, ka vismaz dažas C3 modifikācijas ir iespējamas, jo salīdzinošie pētījumi parādīja, ka šiem augiem jau ir daži rudimentārie gēni, kas ir līdzīgi funkcijai kā C4 augi. Kaut arī C3 un C4 hibrīdi tiek meklēti vairāk nekā piecas desmitgades, hromosomu neatbilstības un hibrīdās sterilitātes dēļ panākumi joprojām nav pieejami.

Iespēja uzlabot pārtikas un enerģijas drošību ir izraisījusi ievērojamu fotosintēzes pētījumu pieaugumu. Fotosintēze nodrošina mūsu pārtikas un šķiedrvielu piegādi, kā arī lielāko daļu enerģijas avotu. Pat bankas ogļūdeņraži kas atrodas Zemes garozā, sākotnēji tika izveidots fotosintēzes ceļā.

Kad fosilā kurināmā resursi ir izsmelti vai ja cilvēkiem vajadzētu ierobežot fosilā kurināmā izmantošanu, lai novērstu globālo sasilšanu, pasaule saskarsies ar problēmu aizstāt šo enerģijas piegādi ar atjaunojamiem resursiem. Nav praktiski gaidīt, ka cilvēku evolūcija sekos klimata izmaiņām nākamajos 50 gados. Zinātnieki cer, ka, izmantojot uzlaboto genomiku, augi būs cits stāsts.

• Ehleringer, J.R.; Kerings, T.E. "C3 un C4 fotosintēze" "Globālo vides izmaiņu enciklopēdijā", Munn, T.; Mooney, H.A.; Canadell, J. G., redaktori. 186. – 190. lpp. Džons Vilijs un dēli. Londona. 2002
• Keerbergs, O.; Pärnik, T.; Ivanova, H.; Bassīners, B.; Bauwe, H "C2 fotosintēze rada apmēram trīs reizes paaugstinātu lapu CO2 līmeni C3 – C4 starpposma sugās iekšā Eksperimentālās botānikas žurnāls 65(13):3649-3656. 2014Flaveria pubescens"
• Matsuoka, M.; Furbank, R.T.; Fukajama, H.; Mijao, M "C4 fotosintēzes molekulārā inženierija"iekšā Gada pārskats par augu fizioloģiju un augu molekulāro bioloģiju. 297. – 314. lpp. 2014.
• Sage, R.F. "Fotosintēzes efektivitāte un oglekļa koncentrācija sauszemes augos: C4 un CAM šķīdumi " iekšā Eksperimentālās botānikas žurnāls 65 (13), lpp. 3323–3325. 2014
• Šēningers, M.J. "Stabilas izotopu analīzes un cilvēku uztura evolūcija " iekšā Gada pārskats par antropoloģiju 43. lpp. 413–430. 2014
• Sponheimer, M.; Alemseged, Z.; Kerings, T.E.; Grine, F.E.; Kimbel, W.H.; Lekijs, M.G.; Lee-Thorp, J.A.; Manthi, F.K.; Rīds, K.E.; Koks, B.A.; un citi. "Izotopiski pierādījumi par agrīnu hominīna diētu " iekšā Nacionālās zinātņu akadēmijas raksti 110 (26), lpp. 10513–10518. 2013
• Van der Merve, N. "Oglekļa izotopi, fotosintēze un arheoloģija" Amerikas zinātnieks 70, 596. – 606. Lpp. 1982