Prisitaikymas prie klimato kaitos C3, C4 ir CAM gamyklose
Ar augalų fotosintezės pakeitimas gali kompensuoti visuotinio atšilimo poveikį?
Daisuke Kishi / Getty Images
Dėl pasaulinės klimato kaitos pakyla vidutinė paros, sezoninė ir metinė temperatūra, didėja neįprastai žemų ir aukštų temperatūrų intensyvumas, dažnumas ir trukmė. Temperatūra ir kiti aplinkos pokyčiai turi tiesioginį poveikį augalų augimui ir yra pagrindiniai augalų pasiskirstymo veiksniai. Kadangi žmonės tiesiogiai ir netiesiogiai priklauso nuo augalų, kurie yra esminis maisto šaltinis, labai svarbu žinoti, kaip gerai jie gali atlaikyti ir (arba) prisitaikyti prie naujos aplinkos tvarkos.
Aplinkos poveikis fotosintezei
Visi augalai praryja atmosferos anglies dioksidas ir paverčia jį cukrumi ir krakmolu per procesą fotosintezė bet jie tai daro įvairiais būdais. Konkretus fotosintezės metodas (arba kelias), naudojamas kiekvienoje augalų klasėje, yra cheminių reakcijų rinkinio, vadinamo Kalvino ciklas . Šios reakcijos daro įtaką augalo sukuriamų anglies molekulių skaičiui ir tipui, vietoms, kuriose tos molekulės yra saugomos, ir, svarbiausia klimato kaitos tyrimams, augalo gebėjimui atlaikyti mažai anglies dioksido atmosferą, aukštesnes temperatūras ir sumažintą vandens bei azoto kiekį. .
Šie fotosintezės procesai, kuriuos botanikai pavadino C3, C4 ir CAM, yra tiesiogiai susiję su pasauliniais klimato kaitos tyrimais, nes C3 ir C4 augalai skirtingai reaguoja į atmosferos anglies dioksido koncentracijos pokyčius ir temperatūros bei vandens prieinamumo pokyčius.
Šiuo metu žmonės yra priklausomi nuo augalų rūšių, kurios nevysta karštesnėmis, sausesnėmis ir nepastovesnėmis sąlygomis. Planetai toliau šylant, mokslininkai pradėjo tyrinėti būdus, kaip augalus galima pritaikyti prie besikeičiančios aplinkos. Vienas iš būdų tai padaryti gali būti fotosintezės procesų modifikavimas.
C3 Augalai
Didžioji dauguma žemės augalų, kuriais pasikliaujame žmonių maistui ir energijai, naudoja C3 kelią, kuris yra seniausias iš anglies fiksavimo būdų, ir jis randamas visų taksonomijų augaluose. Beveik visi išlikę visų dydžių nežmoginiai primatai, įskaitant beždžiones, naujojo ir senojo pasaulio beždžiones ir visas beždžiones, net ir tas, kurios gyvena regionuose, kuriuose auga C4 ir CAM augalai, yra priklausomi nuo C3 augalų.
- Ehleringer, J.R.; Cerling, T.E. „C3 ir C4 Photosynthesis“ iš „Encyclopedia of Global Environmental Change“, Munn, T.; Mooney, H. A.; Canadell, J.G., redaktoriai. 186–190 p. Johnas Wiley ir sūnūs. Londonas. 2002 m
- Keerbergas, O.; Parnikas, T.; Ivanova, H.; Bassüner, B.; Bauwe, H. C2 fotosintezė sukuria maždaug 3 kartus padidėjusį lapų CO2 kiekį C3–C4 tarpinėse rūšyse in Eksperimentinės botanikos žurnalas 65(13):3649-3656. 2014 m Flaveria pubescens '
- Matsuoka, M.; Furbankas, R.T.; Fukayama, H.; Miyao, M. C4 fotosintezės molekulinė inžinerija ' in Kasmetinė augalų fiziologijos ir augalų molekulinės biologijos apžvalga . 297–314 p. 2014 m.
- Sage, R.F. “ Fotosintezės efektyvumas ir anglies koncentracija sausumos augaluose: C4 ir CAM sprendimai in Eksperimentinės botanikos žurnalas 65(13), 3323–3325 p. 2014 m
- Schoeningeris, M. J. Stabilios izotopų analizės ir žmogaus mitybos raida in Kasmetinė antropologijos apžvalga 43, 413–430 p. 2014 m
- Sponheimeris, M.; Alemsegedas, Z.; Cerling, T.E.; Grine, F.E.; Kimbel, W. H.; Leakey, M.G.; Lee-Thorp, J. A.; Manthi, F.K.; Ridas, K.E.; Mediena, B.A.; ir kt. “ Ankstyvosios hominino dietos izotopiniai įrodymai in Nacionalinės mokslų akademijos darbai 110(26), 10513–10518 p. 2013 m
- Van der Merwe, N. „Anglies izotopai, fotosintezė ir archeologija“ Amerikos mokslininkas 70, 596–606 p. 1982 m
Nors C3 kelias yra labiausiai paplitęs, jis taip pat yra neefektyvus. Rubisco reaguoja ne tik su CO2, bet ir su O2, todėl vyksta fotokvėpavimas – procesas, kurio metu eikvojama asimiliuota anglis. Dabartinėmis atmosferos sąlygomis potencialią fotosintezę C3 augaluose deguonis slopina net 40%. Šio slopinimo mastas didėja esant stresinėms sąlygoms, tokioms kaip sausra, didelis apšvietimas ir aukšta temperatūra. Kylant pasaulinei temperatūrai, C3 augalams bus sunku išgyventi, o kadangi mes nuo jų priklausome, taip ir mes.
C4 Augalai
Tik apie 3% visų sausumos augalų rūšių naudoja C4 kelią, tačiau jie dominuoja beveik visose tropikų, subtropikų ir šiltų vidutinio klimato zonų pievose. C4 augalai taip pat apima labai produktyvias kultūras, tokias kaip kukurūzai, sorgai ir cukranendrės. Nors šie augalai pirmauja bioenergijos lauke, jie nėra visiškai tinkami vartoti žmonėms. Kukurūzai yra išimtis, tačiau jie nėra tikrai virškinami, nebent sumalti į miltelius. Kukurūzai ir kiti augalai taip pat naudojami kaip pašaras gyvuliams, paverčiant energiją mėsa – dar vienas neefektyvus augalų naudojimas.
C4 fotosintezė yra biocheminė C3 fotosintezės proceso modifikacija, kai C3 stiliaus ciklas vyksta tik vidinėse lapo ląstelėse. Lapus supa mezofilo ląstelės, kuriose yra daug aktyvesnio fermento, vadinamo fosfoenolpiruvato (PEP) karboksilaze. Dėl to C4 augalai klesti ilgais vegetacijos sezonais ir daug saulės šviesos. Kai kurios iš jų yra net tolerantiškos druskingumui, todėl mokslininkai gali apsvarstyti, ar vietovės, kuriose dėl ankstesnių drėkinimo pastangų buvo įdruskėjimas, gali būti atkurtos pasodinus druskai tolerantiškas C4 rūšis.
CAM augalai
CAM fotosintezė buvo pavadinta augalų šeimos, kurioje Crassulacean , akmenukų šeima arba orpinių šeima, pirmą kartą buvo užfiksuota dokumentuose. Šio tipo fotosintezė yra prisitaikymas prie mažo vandens prieinamumo ir atsiranda orchidėjose ir sultingose augalų rūšyse iš sausringų regionų.
Augaluose, kuriuose vykdoma visa CAM fotosintezė, šviesiuoju paros valandomis lapų stomatas uždaromos, kad sumažėtų garavimas, ir atsidaro naktį, kad pasisavintų anglies dioksidą. Kai kurios C4 gamyklos taip pat bent iš dalies veikia C3 arba C4 režimu. Tiesą sakant, yra net augalas, vadinamas Agave Angustifolia kuris perjungia režimus pirmyn ir atgal, kaip nurodo vietinė sistema.
CAM augalai pasižymi didžiausiu vandens naudojimo efektyvumu augaluose, todėl jie gerai veikia riboto vandens aplinkoje, pavyzdžiui, pusiau sausose dykumose. Išskyrus ananasus ir keletą agavos rūšių, pavyzdžiui, tekilos agavos, CAM augalai yra gana nenaudojami, kalbant apie žmonių naudojimą maistui ir energijos ištekliams.
Evoliucija ir galima inžinerija
Pasaulinis maisto trūkumas jau yra labai opi problema, todėl nuolatinė priklausomybė nuo neefektyvių maisto ir energijos šaltinių yra pavojinga, ypač kai nežinome, kaip tai paveiks augalų ciklus, nes mūsų atmosfera taps turtingesnė anglies dioksidu. Manoma, kad atmosferos CO2 sumažėjimas ir Žemės klimato džiūvimas paskatino C4 ir CAM evoliuciją, o tai kelia nerimą keliančią galimybę, kad padidėjęs CO2 kiekis gali pakeisti sąlygas, palankias šioms C3 fotosintezės alternatyvoms.
Mūsų protėvių įrodymai rodo, kad hominidai gali pritaikyti savo mitybą prie klimato kaitos. Ardipithecus ramidus ir Ar anamensis Abu buvo priklausomi nuo C3 augalų, tačiau kai prieš maždaug keturis milijonus metų klimato kaita pakeitė Rytų Afriką iš miškingų regionų į savaną, išlikusios rūšys Australopithecus afarensis ir Kenijos platyops – buvo mišrūs C3/C4 vartotojai. Prieš 2,5 milijono metų išsivystė dvi naujos rūšys: Parantropas, kurių dėmesys buvo nukreiptas į C4/CAM maisto šaltinius, ir anksti Išmintingas žmogus kurie vartojo ir C3, ir C4 augalų veisles.
C3 į C4 adaptacija
Evoliucijos procesas, pakeitęs C3 augalus į C4 rūšis, įvyko ne kartą, o mažiausiai 66 kartus per pastaruosius 35 milijonus metų. Šis evoliucinis žingsnis padidino fotosintezės efektyvumą ir padidino vandens bei azoto naudojimo efektyvumą.
Dėl to C4 augalai turi dvigubai didesnį fotosintezės pajėgumą nei C3 augalai ir gali susidoroti su aukštesne temperatūra, mažiau vandens ir turimu azoto. Dėl šių priežasčių biochemikai šiuo metu bando rasti būdų, kaip perkelti C4 ir CAM požymius (proceso efektyvumą, aukštų temperatūrų toleranciją, didesnį derlių ir atsparumą sausrai bei druskingumui) į C3 augalus, kaip būdą kompensuoti aplinkos pokyčius, su kuriais susiduria pasauliniai. atšilimas.
Manoma, kad bent kai kurios C3 modifikacijos galimos, nes lyginamieji tyrimai parodė, kad šie augalai jau turi keletą pradinių genų, panašių į C4 augalų genus. Nors C3 ir C4 hibridai buvo ieškomi daugiau nei penkis dešimtmečius, dėl chromosomų neatitikimo ir hibridinio sterilumo sėkmė liko nepasiekiama.
Fotosintezės ateitis
Galimybė padidinti aprūpinimą maistu ir energijos tiekimu žymiai padidino fotosintezės tyrimus. Fotosintezė suteikia mums maisto ir skaidulų tiekimą, taip pat daugumą energijos šaltinių. Net bankas angliavandeniliai kurie gyvena Žemės plutoje, iš pradžių buvo sukurti fotosintezės būdu.
Išsekus iškastiniam kurui arba žmonėms reikėtų apriboti iškastinio kuro naudojimą, kad užkirstų kelią visuotiniam atšilimui, pasaulis susidurs su iššūkiu pakeisti tą energijos tiekimą atsinaujinančiais ištekliais. Tikimasi žmonių evoliucijos Nepraktiška neatsilikti nuo klimato kaitos per ateinančius 50 metų. Mokslininkai tikisi, kad naudojant patobulintą genomiką augalai bus kita istorija.