Det sollys, der udnyttes af planter gennem fotosyntese, er drivkraften bag næsten alt liv på Jorden. Nogle planter er tilpassede, så de kan oplagre en mængde kuldioxid natten over, som så bruges til fotosyntese om dagen. Det giver dem et saftigt forspring i de tørre ørkener.
Livsprocesser – såsom vækst, gendannelse, bevægelse og forplantning – kræver alle energi. Kemisk energi er den nærmeste energikilde for mange levende ting.
Kulstofbaserede molekyler med et højt energiindhold nedbrydes for at drive livsprocesserne. Disse energirige molekyler forekommer ikke naturligt i omgivelserne. Arbejdssky og uhæderlige organismer, som mennesker, er nødt til at stjæle energirige molekyler fra andre organismer ved at spise dem. Og så skal der bruges flere energirige molekyler for at erstatte dem, der blev nedbrudt.
Sukker og fedtstoffer falder desværre ikke ned fra himlen. Det gør til gengæld energirige fotoner i form af sollys – og det er næsten lige så godt. Planter og alger, som er mere ansvarlige organismer end os, udfører fotosyntese. Denne proces bruger solenergi til at skabe energirige molekyler af det affaldsprodukt, som hedder C0₂, der dannes når de nedbrydes. C0₂ frigives konstant i atmosfæren af alt levende.
Fotosyntese: Det kan være svært at skaffe C0₂ fra atmosfæren
Ved den mest almindelige form for fotosyntese, absorberes C0₂ i bladene i dagtimerne gennem bittesmå spalteåbninger i plantens overflade. Så bindes den direkte på et glukosemolekyle ved hjælp af sollys, for senere at blive brugt som kemisk energi, enten af planten eller det dyr, som spiser den.
Men i nogle situationer kan det kan være svært at skaffe C0₂ fra atmosfæren. Når spalteåbningerne på plantens overflade åbnes, lukkes C0₂ ind, men samtidigt lukkes ilt og vand ud. I tørre omgivelser er et tab af vand et problem – særligt i løbet af dagen, som også det tidspunkt planten har brug for C0₂ til fotosyntese.
Det er sværere for planten at skelne mellem ilt og C0₂ i varme omgivelser, så planten kan ende med at binde ilt til et glukosemolekyle.
Når først et iltmolekyle er bundet til et glukosemolekyle, skal det brækkes af, hvilket kræver en betydelig mængde energi, og det mindsker den mængde energi, som planten kan få gennem fotosyntese.
Nye strategier for fotosyntese har udviklet sig
Adskillige plantegrupper har udviklet sig, som ikke direkte binder atmosfærisk C0₂ for at skabe glukose, men som binder C0₂ til andre molekyler, som kan oplagres, transporteres og nedbrydes, for så at frigøre C0₂ igen som et batteri. Sådan undgår planten at tabe vand og at binde ilt forkert.
To andre strategier har udviklet sig, som også gør brug af denne egenskab:
- C4-fotosyntese, der manipulerer koncentrationen af C0₂ i luften, og
- CAM-fotosyntese, der manipulerer koncentrationen i tid.
7.600 arter udfører C4-fotosyntese. De fleste er græsarter heriblandt majs og durra. C4-fotosyntese har udviklet sig uafhængigt 60 gange, og alligevel findes det kun i 0,5 procent af alle plantearter.
Selvom det er en meget konkurrencedygtig metode i varme klimaer, betyder den høje mængde energi, der skal bruges for at oplagre kuldioxid, at de planter, der udfører den sædvanlige fotosyntese, har en fordel ved lavere temperaturer.
(Foto:Shutterstock)
C4-fotosyntese bruger et særligt enzym til at binde atmosfærisk C0₂ til en syre. Dette enzym er meget bedre til at skelne mellem C0₂ og ilt end det klassiske enzym, der bruges i den traditionelle fotosyntese. Syren transporteres helt ind i planten, hvor koncentrationen af ilt er meget lavere og C0₂ bliver igen frigivet.
I disse iltfattige omgivelser begår planten færre fejl, når den skal binde ilt og derved bliver fotosyntesen mere effektiv. Der bruges meget energi på at danne fotosyntese på denne omstændige måde, men det kan mere end betale sig, da de dyrebare bindinger af ilt i varme omgivelser daler.
CAM-fotosyntese er 150 millioner år ældre end C4-fotosyntese
Den anden form for fotosyntese kaldes CAM (CAM er en forkortelse for det engelske Crassulacean Acid Metabolism – ‘Stenurt-familiens syrestofskifte’) og er mindst 150 millioner år ældre end C4-fotosyntesen. Den blev først opdaget i Crassula-plantefamilen, men har udviklet sig selvstændigt i mange planteslægter til ialt at findes i over 9.000 arter.
Ligesom C4-planterne oplagrer CAM også C0₂ i syre, men den udfører denne reaktion om natten, og i stedet for at transportere syremolekylerne til en anden del af planten, oplagres de i planetens vakuole (et stort depotområde i en celle), der findes i midten af hver enste plantecelle.
I dagtimerne, når der er lys der skal bruges til fotosyntese, behøver planten ikke at holde spalteåbningerne åbne. Den har en madpakke liggende i dens celler. Det betyder, at planten kan udføre fotosyntese uden at åbne spalteåbningerne om dagen, hvilket reducerer vandtabet enormt.
Den er sådan at CAM-planter, som kaktus og ananas, forbliver saftige og vandholdige på trods af de varme omgivelser. I mere våde og kølige omgivelser er problemerne, som CAM og C4 fotosyntese løser, ikke så store. Oplagringen af kuldioxid kræver meget energi, og derfor er CAM-fotosyntese kun fordelagtig i meget varme og tørre områder.
CAM-fotosyntese findes nogle overraskende steder
Derfor er det sidste sted, man forventer at finde CAM-planter under vandet, hvor der jo efter alt at dømme er vådt. Det var noget overraskende, at CAM først blev rapporteret i vandplanten Isoëtes, efterfulgt af opdagelser i fire andre slægter af vandplanter.
På trods af deres meget forskellige omgivelser, har planterne i ørkenen og i vandet det samme problem – det er svært at skaffe C0₂. Selvom en del C0₂ kan opløses i vand, spredes det meget langsommere end i luften, så vandet omkring en plante kan godt blive tømt for C0₂.
Vandplanterne har udviklet CAM-fotosyntese, så de kan fortsætte med at optage C0₂ om natten og bruge det i supplement med det, de skaffer om dagen.
Ud over forskning, som sigter efter at introducere C4-fotosyntese i ris, har der været stor interesse i at modificere afgrøder til at udføre CAM-fotosyntese, så de har en større chance for at overleve de tørkeperioder, som klimaforandringerne forårsager.
Daniel Wood modtager støtte fra University of Sheffield. Denne artikel er oprindeligt publiceret hos The Conversation.
