צמחי C3, C4 ו- CAM: התאמות לשינויי אקלים

שינויי אקלים עולמיים גורמים לעלייה בטמפרטורות הממוצע היומי, העונתי והשנתי, ועליות בעוצמה, בתדירות ובמשך הטמפרטורות הנמוכות והגבוהות באופן חריג. טמפרטורות וריאציות סביבתיות אחרות משפיעות ישירות על גידול הצמחים והן מהוות גורמים מרכזיים בהפצת הצמחים. מכיוון שבני האדם מסתמכים על צמחים - באופן ישיר ועקיף - מקור מזון חיוני, יש חשיבות מכרעת לדעת עד כמה הם מסוגלים לעמוד ו / או להתאקלם עם הסביבה הסביבתית החדשה.

כל הצמחים צורכים דו תחמוצת הפחמן האטמוספרי ולהמיר אותו לסוכרים ועמילנים בתהליך של פוטוסינתזה אבל הם עושים זאת בדרכים שונות. שיטת הפוטוסינתזה הספציפית (או מסלול) המשמשת כל מחלקת צמחים היא וריאציה של קבוצת תגובות כימיות הנקראות מחזור קלווין. תגובות אלה משפיעות על מספר וסוג המולקולות הפחמניות שיוצר צמח, על המקומות שבהם מאוחסנות מולקולות אלו, ורובם חשוב למחקר שינויי אקלים, יכולתו של הצמח לעמוד באטמוספרות נמוכות בפחמן, בטמפרטורות גבוהות יותר ומים מופחתים ו חנקן.

תהליכי הפוטוסינתזה הללו - המיועדים על ידי הבוטנאים כ- C3, C4 ו- CAM - רלוונטיים ישירות אליהם שינוי האקלים הגלובלי

בני אדם תלויים כיום במיני צמחים שאינם משגשגים בתנאים חמים יותר, מייבשים ויותר לא יציבים. כאשר כוכב הלכת ממשיך להתחמם, החוקרים החלו לחקור דרכים בהן ניתן להתאים צמחים לסביבה המשתנה. שינוי תהליכי הפוטוסינתזה עשוי להיות דרך אחת לעשות זאת.

הרוב המכריע של צמחי היבשה עליהם אנו סומכים כמזון ואנרגיה אנושית משתמשים במסלול C3, שהוא העתיק ביותר של מסלולי קיבוע פחמן, והוא נמצא בצמחים מכל הטקסונומיות. כמעט כל הפרימטים הלא-אנושיים הקיימים בכל גדלי הגוף, כולל פרוזימאים, עולם חדש וותיק קופים וכל הקופים - אפילו אלה שגרים באזורים עם צמחי C4 ו- CAM - תלויים בצמחי C3 ל מזונות.

• מיניםדגנים כמו אורז, חיטהפולי סויה, שיפון ו בקושי; ירקות כמו קסבה, תפוחי אדמה, תרד, עגבניות ובטטות; עצים כמו תפוח עץאפרסק ואקליפטוס
• אנזים: ריבולוזה ביספוספט (RuBP או Rubisco) קרבוקסילאז חמצן (רוביסקו)
• תהליך: המרת CO2 לחומצה 3-פחמנית חומצה 3-פוספוגליצרית (או PGA)
• איפה קבוע פחמן: כל תאי המזופיל העלים
• שיעורי ביומסה: -22% עד -35%, עם ממוצע של -26.5%

אמנם מסלול C3 הוא הנפוץ ביותר, אך הוא גם לא יעיל. רוביסקו מגיב לא רק עם CO2 אלא גם O2, מה שמוביל להנשמת פוטון, תהליך שמבזבז פחמן נטמע. בתנאים אטמוספריים קיימים, פוטוסינתזה פוטנציאלית בצמחי C3 מדוכאת על ידי חמצן עד 40%. היקף הדיכוי הזה עולה בתנאי לחץ כמו בצורת, אור גבוה וטמפרטורות גבוהות. עם עליית הטמפרטורות העולמיות, צמחי C3 יתאבקו לשרוד - ומכיוון שאנו סומכים עליהם, כך גם אנו.

רק כ -3% מכל מיני צמחי היבשה משתמשים במסלול ה- C4, אך הם חולשים כמעט על כל שטחי העשב באזורים הטרופיים, סובטרופיים ואזורים ממוזגים חמים. צמחי C4 כוללים גם גידולים פרודוקטיביים ביותר כמו תירס, סורגום וקנה סוכר. בעוד שגידולים אלה מובילים את השדה לביו-אנרגיה, הם אינם מתאימים לחלוטין לצריכה אנושית. תירס הוא החריג, עם זאת, זה לא ממש ניתן לעיכול אלא אם כן טחון לאבקה. תירס וצמחי יבול אחרים משמשים גם כמזון לבעלי חיים, וממיר את האנרגיה לבשר - שימוש יעיל נוסף בצמחים.

• מינים: שכיח בעשב מסורתי ברוחב התחתון, תירס, סורגום, קנה סוכר, פוניו, טף ופפירוס
• אנזים: פוספואנולפירובאט (PEP) קרבוקסילאז
• תהליך: המירו CO2 לחלל ביניים 4-פחמן
• איפה קבוע פחמן: תאי המזופיל (MC) ותאי נדן הצרור (BSC). C4s יש טבעת BSCs המקיפה כל וריד וטבעת חיצונית של MCS המקיפה את נדן הצרור, המכונה האנטומיה של Kranz.
• שיעורי ביומסה: -9 עד -16%, עם ממוצע של -12.5%.

פוטוסינתזה C4 היא שינוי ביוכימי של תהליך הפוטוסינתזה C3 בו מחזור הסגנון C3 מתרחש רק בתאים הפנימיים בתוך העלה. סביב העלים נמצאים תאי מזופיל המכילים אנזים פעיל הרבה יותר הנקרא פוספואנולפירובט (PEP) קרבוקסילאז. כתוצאה מכך, צמחי C4 משגשגים בעונות גדולות וארוכות עם הרבה גישה לאור שמש. חלקם אפילו סובלניים למלח, ומאפשרים לחוקרים לשקול אם תחומים שהתנסו בהם ניתן להחזיר את המלחה כתוצאה ממאמצי השקיה בעבר על ידי שתילת C4 סובלנית למלח מינים.

פוטוסינתזה של מצלמת CAM נקראה לכבוד משפחת הצמחים בה נוצה, תושבת משפחת הדקל או משפחת האורפין, תועדה לראשונה. סוג זה של פוטוסינתזה הוא התאמה לזמינות מים נמוכה ומתרחש בסחלבים ובמיני צמחים בשרניים מאזורים צחיחים.

בצמחים העוברים פוטוסינתזה מלאה של ה- CAM, העגבניות בעלים נסגרות בשעות אור יום כדי להפחית את האידוי והעוררות ונפתחות בלילה בכדי להכניס פחמן דו חמצני. כמה מפעלי C4 מתפקדים גם לפחות בחלקם במצב C3 או C4. למעשה, יש אפילו צמח שנקרא אגבה אנגוסטיפוליה שמתחלף קדימה ואחורה בין מצבים כפי שמכתיבה המערכת המקומית.

• מינים: קקטוסים ועסיסים אחרים, קלוסיה, אגבה טקילה, אננס.
• אנזים: פוספואנולפירובאט (PEP) קרבוקסילאז
• תהליך: ארבעה שלבים הקשורים לאור שמש זמין, צמחי CAM אוספים CO2 במהלך היום ואז מתקנים CO2 בלילה כחומר ביניים 4.
• איפה קבוע פחמן: שואבים
• שיעורי ביומסה: המחירים יכולים ליפול לטווחי C3 או C4.

צמחי CAM מציגים את היעילות הגבוהה ביותר לשימוש במים בצמחים המאפשרים להם להסתדר היטב בסביבות מוגבלות במים, כמו מדבריות צחיחים למחצה. למעט האננס וכמה אגבה מינים, כמו אגבה הטקילה, צמחי CAM הם יחסית לא מנוצלים מבחינת השימוש האנושי למזון ומשאבי אנרגיה.

חוסר ביטחון אוכל גלובלי הוא כבר בעיה חריפה ביותר, מה שמאפשר את המשך ההסתמכות על מזון ואנרגיה לא יעילים מקווה מסלול מסוכן, במיוחד כאשר איננו יודעים כיצד יושפעו מחזורי הצמח ככל שהאווירה שלנו תהפוך ליותר עשיר בפחמן. ההפחתה ב- CO2 האטמוספירה וייבוש האקלים בכדור הארץ נחשבים לקידום התפתחות C4 ו- CAM, אשר מעלה את האפשרות המדאיגה כי CO2 מוגבר עשוי להפוך את התנאים שהעדיפו את החלופות הללו ל- C3 פוטוסינתזה.

עדויות מאבות אבותינו מראים כי הומינידים יכולים להתאים את תזונתם לשינויי אקלים. ארדיפיתקוס ראמידוס ו Ar anamensis שניהם הסתמכו על צמחי C3 אך כששינויי אקלים שינו את מזרח אפריקה מאזורים מיוערים לסוואנה לפני כארבעה מיליון שנה, המין ששרד -Australopithecus afarensis ו פלטות קניאנתרופוס- היו צרכני C3 / C4 מעורבים. לפני 2.5 מיליון שנה התפתחו שני מינים חדשים: Paranthropus, שהמיקוד שלהם עבר למקורות מזון C4 / CAM, ומוקדם הומו ספיינס שצרכו גם זני צמחים C3 וגם C4.

התהליך האבולוציוני שהפך את צמחי C3 למינים C4 התרחש לא פעם אחת אלא לפחות 66 פעמים במהלך 35 מיליון השנים האחרונות. שלב אבולוציוני זה הוביל לשיפור בביצועים פוטוסינתטיים ולהגברת יעילות השימוש במים וחנקן.

כתוצאה מכך, לצמחי C4 יש יכולת פוטו-סינתטית כפליים מצמחי C3 והם מסוגלים להתמודד עם טמפרטורות גבוהות יותר, פחות מים וחנקן זמין. מסיבות אלה, ביוכימאים מנסים למצוא דרכים להעביר תכונות C4 ו- CAM (יעילות תהליכים, סובלנות גבוהה טמפרטורות, תשואות גבוהות יותר ועמידות בפני בצורת ומליחות) במפעלים C3 כדרך לקיזוז שינויים סביבתיים שעומדים בפני גלובלי התחממות.

מאמינים כי לפחות כמה שינויים ב- C3 הם אפשריים מכיוון שמחקרים השוואתיים הראו כי לצמחים אלה כבר יש כמה גנים סוערים הדומים בתפקוד לאלה של צמחי C4. בעוד שההיברידיות של C3 ו- C4 רדפו יותר מחמישה עשורים, בגלל אי ​​התאמה של כרומוזום והסטריליות היברידית נותרה מחוץ להישג ידם.

הפוטנציאל לשיפור אבטחת המזון והאנרגיה הביא לעלייה ניכרת במחקרי הפוטוסינתזה. הפוטוסינתזה מספקת את אספקת המזון והסיבים שלנו, כמו גם את רוב מקורות האנרגיה שלנו. אפילו בנק של פחמימנים השוכנים בקרום כדור הארץ נוצר במקור על ידי פוטוסינתזה.

כאשר דלקים מאובנים מתרוקנים - או שאם בני אדם צריכים להגביל את השימוש בדלק מאובנים כדי למנוע את ההתחממות הגלובלית - העולם יעמוד בפני האתגר של החלפת אספקת אנרגיה זו במשאבים מתחדשים. ציפייה להתפתחותם של בני האדם לעמוד בקצב שינויי האקלים במהלך 50 השנים הבאות אינה מעשית. מדענים מקווים שבעזרת השימוש בגנומיקה משופרת, צמחים יהיו סיפור אחר.

• Ehleringer, J.R.; Cerling, T.E. "פוטוסינתזה C3 ו- C4" בסרט "אנציקלופדיה של שינוי סביבתי עולמי", מון, ת '; מוני, H.A.; Canadell, J.G., עורכים. עמ '186–190. ג'ון וויילי ובניו. לונדון. 2002
• Keerberg, O.; Pärnik, T.; איבנובה, ח.; באסנר, ב.; באווה, ח. "פוטוסינתזה C2 מייצרת בערך פי 3 רמות גבוהות של CO2 מעלים במין הביניים C3 – C4 בתוך כתב העת לבוטניקה ניסיונית 65(13):3649-3656. 2014פלבליה שבר"
• Matsuoka, M.; Furbank, R.T.; פוקאיימה, ח.; מיאו, מ. "הנדסה מולקולרית של פוטוסינתזה c4"ב סקירה שנתית של פיזיולוגיה של צמחים וביולוגיה מולקולרית של צמחים. עמ '297–314. 2014.
• Sage, R.F. "יעילות פוטוסינתטית וריכוז פחמן בצמחים יבשתיים: פתרונות C4 ו- CAM " בתוך כתב העת לבוטניקה ניסיונית 65 (13), עמ '. 3323–3325. 2014
• שניינגר, M.J. "ניתוחי איזוטופ יציבים והתפתחות הדיאטות האנושיות " בתוך סקירה שנתית של האנתרופולוגיה 43, עמ '. 413–430. 2014
• ספונהיימר, מ.; Alemseged, Z.; Cerling, T.E.; Grine, F.E.; קימבל, וו. ליקי, M.G.; Lee-Thorp, J.A.; Manthi, F.K.; ריד, K.E.; ווד, B.A.; et al. "עדות איזוטופית לתזונה מוקדמת של הומינין " בתוך הליכי האקדמיה הלאומית למדעים 110 (26), עמ '. 10513–10518. 2013
• ואן דר מרווה, נ. "איזוטופים של פחמן, פוטוסינתזה וארכיאולוגיה" בשנת מדען אמריקאי 70, עמ '596–606. 1982