Vandplanternes særlige fotosyntese afgør, hvor de vokser ude i verden
Danske forskere har påvist, at vandplanters liv og overlevelse verden over er knyttet til bikarbonat-indholdet i de søer, hvor de vokser.
vandplanter bikarbonat biodiversitet

Vandplanter, der kan udnytte bikarbonat, bidrager meget til den samlede biodiversitet. Disse arter er ofte store og skaber derfor levesteder for smådyr og skjul for fisk. (Foto: Shutterstock)

Vandplanter, der kan udnytte bikarbonat, bidrager meget til den samlede biodiversitet. Disse arter er ofte store og skaber derfor levesteder for smådyr og skjul for fisk. (Foto: Shutterstock)

Fotosyntesen ligger bag stort set alt liv på Jorden. Fra biologitimerne husker du måske, at fotosyntesen forbruger COog vand, producerer ilt og kræver lysenergi for at kunne forløbe. 

I vand foregår det dog lidt anderledes. Mange vandplanters – for eksempel vandpest og vandranunkler – fotosyntese afhænger nemlig af, hvordan de, udover CO2, kan udnytte bikarbonat (HCO3-), så de får nok kulstof og ikke udtømmer CO2-puljen i det vand, de vokser i. 

Det er imidlertid langt fra alle vandplanter, der har evnen til at udnytte bikarbonat.

I en ny artikel i Science viser vi, at vandplanters fotosyntese-strategier afhænger af, hvor meget bikarbonat og CO der tilføres til søer og vandløb fra omgivelserne.

I denne artikel vil vi forklare, hvordan vi er kommet frem til dette, og hvorfor det er vigtigt at forske i. Før vi når så langt, skal vi dog først dykke lidt dybere ned i fotosyntesen. 

Forskerzonen

Denne artikel er en del af Forskerzonen, som er stedet, hvor forskerne selv kommer direkte til orde.

Her skriver de om deres forskning og forskningsfelt, bringer relevant viden ind i den offentlige debat og formidler til et bredt publikum.

Forskerzonen er støttet af Lundbeckfonden.

Fotosyntesen på land og i vand 

Som sagt er fotosyntesen ansvarlig for stort set alt liv på Jorden. Planterne bruger fotosyntesen til opbygning af organisk stof (sukker), som benyttes til vækst og livsprocesser. 

Landplanterne udnytter COfra luften ved at åbne bladenes spalteåbninger. Ved høje temperaturer under varme himmelstrøg risikerer de imidlertid, at opbyggede sukkerstoffer går tabt igen, ved at fotosyntesen så at sige løber baglæns ved såkaldt fotorespiration. 

Det har planterne udviklet et forsvar imod: Opkoncentrering af CO(C-4 fotosyntese). Det betyder, at planten kortvarigt binder COi æblesyre i visse celler i bladet og frigiver den igen og skaber høje CO2-koncentrationer i andre celler, hvor fotosyntesen dermed forløber med fuld kraft og minimal fotorespiration. 

Ørkenplanter åbner kun spalteåbningerne om natten og opkoncentrerer COtil dagens forbrug for at mindske fordampningen. Landplanternes måde at skaffe sig COpå modificeres således af klimaet.

I vand er vandforsyning og fordampning selvfølgelig ikke et problem, og vandet dæmper også høje temperaturer. Planterne under vand udnytter den CO2, som er opløst i vandet. 

Men de løber ind i det særlige problem, at CO2’s egenbevægelse (kaldet diffusion) frem til bladet forløber 10.000 gange langsommere i vand end i luft. Endvidere kan COblive brugt op i vandet omkring tætte plantebestande. 

Derfor er der risiko for, at vandplanternes fotosyntese og dermed vækst går i stå af mangel på CO2

For at mætte vandplanters fotosyntese skal CO2-koncentrationen nemlig være 10-20 gange højere sammenlignet med luften. Det sker aldrig i søer. 

LÆS OGSÅ: Nyopdaget kulstofpumpe sikrer høj fotosyntese af planter i søer

plante bikarbonat

Eriocaulon major er en typisk vandplante, hvis udnyttelse af bikarbonat er ledsaget af kalkudfældning på bladets basisk overside, mens bikarbonat omdannes til COi cellevæggen på bladets sure underside. (Foto: Ole Pedersen)

Bikarbonat som løsning på CO2-mangel

Om sommeren kan søer tværtimod opleve en CO2-koncentration på blot 10 procent af luftens på grund af de mange små planktonalgers intensive CO2-forbrug. Under de forhold er større vandplanters udnyttelse af COlig nul. 

Hvad har evolutionens løsning været på dette forsyningsproblem?

Mange vandplanter har udviklet evnen til aktivt at udnytte bikarbonat-ionen HCO3-, som findes opløst i søvandet i koncentrationer, der typisk er mellem 10 og 300 gange højere end CO2-koncentrationen i vandet. 

Udnyttelsen af bikarbonat koster energi og er markant mindre effektiv end udnyttelsen af CO2, hvis det foregår ved de samme koncentrationer. Fotosyntesen forløber nu engang mest effektivt med CO2

Men det bliver udlignet af, at der ofte er så meget mere bikarbonat end COi vandet – jo højere koncentrationen af bikarbonat er, desto mere effektivt kan vandplanterne udnytte bikarbonat. 

Geologien bestemmer vandplanternes overlevelse

Søers og floders indhold af bikarbonat bestemmes af deres opland – altså de områder, hvor de får deres vand fra. Ler- og kalkholdig jord danner meget bikarbonat, som så udvaskes, hvorved vandplanterne kan få mættet deres fotosyntese og dermed vokse og trives bedre. 

Vel at mærke for dem, der formår at udnytte bikarbonat som en del af fotosyntesen. Omvendt begrænses fotosyntesen, væksten og dermed overlevelsen hos vandplanter, som ikke kan udnytte bikarbonat (altså dem, der kun kan bruge CO2). 

Det er baggrunden for, at der verden over er en højere frekvens af vandplanter, der bruger bikarbonat, i søer med bikarbonatrige oplande. Omvendt dominerer de unikke CO2-brugere i vandløb, hvor CO2-puljen sjældent opbruges.

Derfor bestemmer oplandets geologi i sidste instans – via dannelsen af bikarbonat og CO– tilstedeværelsen og den relative hyppighed af de vandplanter, som kan udnytte bikarbonat.

Desto mere bikarbonat i oplandet, desto flere vandplanter med evnen til at udnytte bikarbonat. 

LÆS OGSÅ: Effekten af naturgenopretning er nu videnskabeligt dokumenteret

Vandløb adskiller sig markant fra søer

Hvad der gælder om bikarbonats betydning i søer, gælder imidlertid ikke i vandløb og floder. 

Vandløb modtager konstant vand fra de omgivende jorde, som er overmættede med COfra bakteriernes og planterøddernes respiration. Samtidig opholder vandet sig kort tid i vandløbene, inden det rammer en sø eller havet. 

Vandløbene har derfor typisk mellem 5 og 20 gange højere CO2-koncentrationer end i luften. Derfor behøver vandløbenes planter ikke at satse på at udnytte bikarbonat, som jo koster både energi og investering i aktive ionpumper i bladene. Her er CO2det klart mest kost-effektive. 

Vores analyse viser da også, at hyppigheden af bikarbonatbrugende vandplanter gennemgående er lav i vandløbene og ikke ændrer sig væsentligt med indholdet af bikarbonat (se figur 1).

vandløb søer co2 stigning bikarbonat

Figur 1. I søer (blå kurve) stiger den procentvise andel af vandplanter med bikarbonat-udnyttelse med øget bikarbonatkoncentration. I vandløb (rød kurve), som typisk har høje CO2-koncentrationer, påvirkes andelen af bikarbonat-brugere ikke signikant af bikarbonatkoncentration. (Grafik: Lars Lønsmann Iversen)

Hvad gør de andre vandplanter?

Hvordan kan arter, som ikke har udviklet evnen til at udnytte bikarbonat, så overhovedet overleve i søerne? De findes nemlig, blot i lavere antal.  

Svaret er, at de må holde sig til at udnytte COog opsøge steder, hvor det er lettere at få. Det ene sted er søbunden. 

Små vandplanter med mange rødder og korte blade fyldt med luftkanaler kan udnytte det høje CO2-indhold i søbunden, som skabes af bakteriernes nedbrydning af organisk stof. Via luftkanalerne diffunderer COfra søbunden og planternes rødder op til bladene, hvor fotosyntesen sker. Danske eksempler er: Strandbo og tvepibet lobelie i de jyske hedesøer.

Luften er en anden kilde til at skaffe sig CO2.Vandplanter med flydeblade, såsom åkander, udnytter COfra luften på samme måde, som landplanter gør og undgår derved at blive begrænset af CO2's langsomme diffusion i vand. 

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

En lang forskningsrejse

Konklusionen ser nu enkel ud: Hyppigheden af planter med evnen til at udnytte bikarbonat stiger med bikarbonatindholdet og afhænger dermed af oplandets geologi verden over. 

Men forskningsrejsen frem til dette resultat var lang. Den bygger på en idé, som det har taget nogle år at udvikle og løbe i mål. 

Der er blevet forsket i de fysiologiske mekanismer og den økologiske betydning bag bikarbonatudnyttelse hos mange tempererede arter af vandplanter i mange år. 

Fra Danmark ved vi, at søer med hårdt vand (høje niveauer af opløst kalcium og bikarbonat, som stammer fra forvitring i jorderne i lermorænerne på Øerne og i Østjylland), rummer mange arter, der kan udnytte bikarbonat

Omvendt har søer med blødt vand og lidt opløst kalcium og bikarbonat i de vestjyske sandområder få eller ingen arter, der kan udnytte bikarbonat. 

Men den generelle betydning af bikarbonat for vandplanternes udbredelse har ikke været undersøgt før nu. Det var især uklart, hvilken betydning bikarbonat har for arter i troperne.

Tropisk test af vandplanter

Derfor indledte vi på Ferskvandsbiologisk Laboratoriumpå Københavns Universitet en undersøgelse af evnen til bikarbonatudnyttelse hos et stort antal tropiske arter, som vi skaffede fra det danske akvarieplantegartneri, Tropica, som dyrker tropiske vandplanter fra hele verden. 

Det gav os efterhånden 'signaturen' – plus eller minus evnen til at udnytte bikarbonat – hos 131 tempererede og tropiske arter fordelt blandt de vigtigste familier og udviklingslinjer af verdens vandplantearter. 

Samtidig skulle vi kende arternes tilstedeværelse og vandkemi i søer og floder på globalt plan. Derfor fik vi data fra mange ind- og udenlandske partnere for at kunne kortlægge arternes udbredelse i relation til bikarbonatindholdet og oplandenes geologi verden over. 

Da vi nåede i mål, stod det klart, at forholdene lignede hinanden for såvel tempererede og tropiske arter: Hyppigheden af arter, der kan udnytte bikarbonat, stiger generelt med bikarbonatindholdet (se figur 1). Og ferskvands bikarbonatindhold afhænger i sig selv af oplandets geologi.

Bikarbonatindholdet kan altså være ret forskellig fra region til region i troperne såvel som i tempererede områder (se figur 2). 

vandløb søer co2 stigning bikarbonat

Figur 2. Verdenskortet viser store geografiske ændringer i bikarbonatkoncentrationen – og dermed også i hyppigheden af bikarbonat-brugere blandt vandplanterne – både i tempererede og tropiske områder. Disse forskelle findes, som nævnt, også på en finere skala fra øst til vest i Danmark. (Grafik: Lars Lønsmann Iversen)

Hvad skal vi bruge den nye viden til?

Artspuljen af undervandsplanter, der kan udnytte bikarbonat, er stor og udgør 44 procent af de 131 arter, vi undersøgte. 

Arter, der kan udnytte bikarbonat, bidrager derfor meget til den samlede biodiversitet. Disse arter er ofte store og skaber derfor levesteder for smådyr og skjul for fisk. 

Hvis bikarbonatindholdet falder, som det skete ved den omfattende forsuring af oplande og søer i 1980-1990’erne i Norge, Sverige, Mellemeuropa og store dele af Nordamerika, så ryger artsrigdommen af vandplanter generelt i bund sammen med fisk og smådyr. 

Efter forsuringen af nedbøren med svovlforbindelser fra kraftværkerne er reduceret, kan vi forvente, at arterne langsomt vender tilbage over store områder. 

Artsantallet og artssammensætningen af vandplanter forventes også at ændre sig med de nuværende påvirkninger af søernes kemi og bikarbonatindhold, som skyldes afskovning, dræning og tilførsel til markerne af enten ammoniak eller nitrat. 

Vi har nu fået en generel forståelsesmodel, som kan skabe grundlag for, at vi kan finde ud af endnu mere om vandplanternes liv, overlevelse og udbredelse. 

Vi har også bedre muligheder for at forudsige ændringer i plantesamfundene og biodiversiteten på lokal, regional og global skala. 

LÆS OGSÅ: Hvorfor vokser der ikke træer i havet?

LÆS OGSÅ: Hvorfor udfører mennesker ikke fotosyntese?

... Eller følg os på Facebook, Twitter eller Instagram.

Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab, klima og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og her kan du læse mere om de farvestrålende ravfossiler med insekter fra Kridttiden, indlejret i gyldent harpiks, der størknede for 99 millioner år siden.