Nyopdaget kulstofpumpe sikrer høj fotosyntese af planter i søer

De fleste ved, at fotosyntesen ligger bag stort set alt liv på Jorden. Alger i vand og de egentlige planter bruger alle fotosyntesen til opbygning af organisk stof til vækst og livsprocesser.

Mennesker, dyr, svampe og de fleste bakterier bruger derefter planternes organiske stof som energikilde og byggesten i cellerne. Fra biologitimerne husker vi måske også, at fotosyntesen forbruger CO2 og vand, producerer ilt og kræver lysenergi for at kunne forløbe. Forsvinder CO2, vand og lys, går fotosyntesen altså i stå.

Landplanterne udnytter selvfølgelig CO2 fra luften. Alger og planter under vand udnytter opløst CO2 i vandet. Men organismerne under vand løber ind i det særlige problem, at CO2’s molekylebevægelse (diffusion) frem til cellerne forløber 10.000 gange langsommere i vand sammenlignet med i luft.

Derfor er der en stor risiko for, at CO2-forsyningen er utilstrækkelig under vand – især for flercellede alger og planter med en lille overflade i forhold til deres vægt.

Derfor burde meget liv i søer, hvor der er mange vandplanter, dø ud. Men det gør det ikke. Hvordan kan fotosyntesen fungere under disse forhold? Hvordan har evolutionen løst det problem?

Det har vi undersøgt på Biologisk Institut på Københavns Universitet. Vores resultater er netop publiceret i tidsskriftet Aquatic Sciences og viser, at der kører en ’kulstofpumpe’ i de lavvandede planterige søer, som redder dagen og udgør forudsætningen for morgendagens fotosyntese.

LÆS OGSÅ: Hvorfor vokser der ikke træer i havet?

Alternative kilder til CO2

Den oplagte løsning er selvfølgelig at udnytte alternative kilder til CO2 i vandet. Det er muligt, da havvand og kalkrigt ferskvand har opløst cirka 100 gange mere af ionen bikarbonat (HCO3-) end af CO2.

Mens CO2 direkte kan optages gennem organismers overflader, kræver det imidlertid energi og investering i forskellige proteiner i overfladerne at kunne optage bikarbonat direkte eller eventuelt omdanne ionen til CO2 ved at udskille syre i afgrænsede områder.

Evnen til at udnytte bikarbonat er udviklet talrige gange og på forskellige måder hos de forskellige grupper af alger og planter under evolutionens gang.

Den danske biolog Ejner Steemann Nielsen opdagede i 1940’erne, at større ferskvandsplanter forsurede bladenes underside og herved omdannede bikarbonat til CO2, som forsynede bladets fotosyntese efter formlen: bikarbonat + syre → CO2 + vand.

Fyrre år senere fandt man, at aktiv udskillelse af brint-ioner lå bag forsuringen til lav pH, mens bladoversiden til gengæld blev basisk og udviklede høj pH for at fastholde bladets pH-balance.

LÆS OGSÅ: Forskere har fjernet 'fejl' i afgrøders fotosyntese: Vokser 40 procent mere

Kalkdannelse ved fotosyntese

Ved høj pH ved bladets overside omdannes bikarbonat til karbonat-ioner, som nemt fælder ud som kalciumkarbonat (kalk). Tager man søplanter op, vil man både kunne se og føle kalklaget på bladenes oversider, som altså skyldes den aktive udnyttelse af bikarbonat for at forsyne fotosyntesen med CO2.

Nemt at forstå kalkudfældningen er det måske ikke. Men faktisk sker der noget tilsvarende, når der dannes kedelsten (kalk) i din vandkedel:

• CO2 i vand danner kulsyre.
• Ved opvarmning undviger CO2 til luften,
• pH stiger i vandet,
• bikarbonat omdannes til karbonat-ionen,
• og kalciumkarbonat fælder ud som kedelsten.

Ved kalkudfældning forsvinder bikarbonat, som ellers ville kunne være benyttet til vandplanternes fotosyntese. I havet og i store dybe søer er dette tab af bikarbonat ubetydeligt i forhold til det samlede indhold i hele vandmassen.

Men i lavvandede småsøer med en lille mængde og en lav tilførsel udefra stiller sagerne sig helt anderledes. I småsøer med en tæt vegetation af høje flercellede kransnålalger er kalkudfældninger særligt omfattende både på algernes overflader og på bunden.

Typisk udfældes mellem et halvt og et kg kalk per kvadratmeter i løbet af et år. Dette kulstoftab øger risikoen for, at fotosyntesen går helt i stå.

Sådan fungerer kulstofpumpen

Risikoen for, at fotosyntesen går i stå, ville være endnu større, hvis det ikke var, fordi en betydelig kalkmængde til stadighed genopløses og atter kan indgå i fotosyntesen.

Denne recirkulation hviler på en kombination af fysiske, kemiske og biologiske principper. Vi har kaldt det en kulstofpumpe. Kransnålalger som sådan pumper ikke. Men de skaber betingelserne for recirkulation af vand og kulstof på grund af deres fysiske tilstedeværelse og stofskifte.

Om dagen absorberes sollyset og opvarmer de øverste 20-30 cm af vandet i den tætte vegetation, mens de dybere dele ligger fysisk isolerede og i mørke. En temperaturforskel på 10-15 grader kan opbygges mellem overfladevand og bundvand i dagens løb.

Den fysiske adskillelse mellem overfladen og bundlaget skyldes, at varmt vand er lettere og flyder oven på det tungere bundlag. Opblandingen mellem overfladen og bunden sker ikke om dagen, fordi den tætte vegetation bremser de hvirvler i vandet, som vindens træk i overfladen skaber.

Ved fotosyntese i overfladelaget skabes iltovermætning og kulstof forbruges til opbygning af organisk stof og til udfældning af kalk i vandet og på algernes overflader.

Kalken i vandet udfælder som små krystaller, som synker ned i bundlagene. Op til 40 procent af bikarbonaten i vandet kan på denne måde forsvinde fra overfladelagene i løbet af en enkelt dag. Hvis der ikke tilføres ny bikarbonat, går fotosyntesen derfor i stå efter blot to-tre dage. Det sker imidlertid ikke, da ny bikarbarbonat tilføres. Hvordan det foregår, kommer vi til nu.

LÆS OGSÅ: God klimanyhed: Mere CO2 gør planter bedre til at udnytte vand

Iltrigt vand blandes med iltfattigt vand

Bunden og det koldere bundvand ligger i mørke om dagen og isoleret fra det varmere belyste overfladelag. Hernede ved bunden sker iltforbrug og frigørelse af CO2 udelukkende ved respiration (nedbrydning) af organisk stof. Altså den samme type stofskifte, som vi selv betjener os af og det modsatte af fotosyntesen i overfladelagene.

Når CO2 ophobes, falder pH og de fine kalkkrystaller udfældet fra overfladen genopløses sammen med noget af den kalk, som tidligere er blevet indbygget i bunden. I sommerperioder gendannes nogenlunde de 40 procent af bikarbonaten, som hver dag tabes fra overfladelagene.

Om natten opblandes den genskabte bikarbonat i overfladevandet, så fotosyntesen også næste dag kan køre på fuld kraft.

Opblandingen af vandet er ren fysik. Om natten afkøles overfladevandet, som derved bliver tungere og synker i form af vandpakker ned gennem vegetationen drevet af tyngdekraften.

Mens hvirvler dannet af vinden svækker meget af vegetationen, gælder det i langt mindre grad for den ensrettede udsynkning af overfladevand. Den udløser en opadrettet strøm af bundvand, så hele vandsøjlen bliver blandet homogent. Herved blandes iltrigt overfladevand også ned til dyrene i det iltfattige bundvand.

LÆS OGSÅ: Ekstreme bakterier: Sådan laver de fotosyntese i næsten mørke

Er det et engangsfænomen?

Er fænomenet med dagligt iltsvind og kulstofcirkulation specielt? Næppe! Den skiftende dannelse og nedbrydning af et springlag hver dag og hver nat har nemlig vist sig at forekomme fra forår til efterår i de atten små lavvandede søer selv med ret sparsom vegetation, vi hidtil har undersøgt.

Sådanne lavvandede småsøer og damme findes i titusinder i Danmark og i mange millioner alene i Europa. Men fænomenet optræder måske også i tætte vandplantebestande nær bredden i større søer - Gentofte Sø og Farum Sø ligger lige for at undersøge.

Kører kulstofpumpen og muliggør den en intensiv produktion som forudsætning for den tætte vegetation? Det er vigtige spørgsmål for fremtiden, så vi bedre kan forstå betydningen af koblingen mellem fotosyntese og kalkdannelse på den ene side og respiration og kalkopløsning på den anden.

Samtidig har vi fået understreget betydningen af, at arbejde med både fysik, kemi og biologi for at forstå vigtige processer i naturen.

Vores studie af kulstofpumpen er udgivet i tidsskriftet Aquatic Sciences.

LÆS OGSÅ: Hvorfor udfører mennesker ikke fotosyntese?

LÆS OGSÅ: Hvornår lærer vi at kommunikere med planter?