Vandplanternes særlige fotosyntese afgør, hvor de vokser ude i verden

Fotosyntesen ligger bag stort set alt liv på Jorden. Fra biologitimerne husker du måske, at fotosyntesen forbruger CO₂ og 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 CO₂ 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.

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 CO₂ fra 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 CO₂ (C-4 fotosyntese). Det betyder, at planten kortvarigt binder CO₂ i 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 CO₂ til dagens forbrug for at mindske fordampningen. Landplanternes måde at skaffe sig CO₂ på 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 CO₂ blive 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

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 CO₂ lig 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 CO₂ i 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 CO₂ – 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 CO₂ fra 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).

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 CO₂ og 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 CO₂ fra 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 CO₂ fra 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).

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?