Kembang yang mengagumkan: kaktus adalah antara beberapa spesies tumbuhan yang boleh berkembang pesat di padang pasir. Alan Levine / Flickr, CC BY-SA

Cahaya matahari, dimanfaatkan oleh tumbuh-tumbuhan dalam proses fotosintesis, berkuasa hampir semua kehidupan di bumi. Penyesuaian khas membolehkan tumbuhan tertentu menyimpan bateri karbon dioksida semalaman untuk digunakan dalam fotosintesis pada siang hari, memberikan kelebihan berair dalam keadaan padang pasir kering.

Proses-proses yang membentuk kehidupan - seperti pertumbuhan, pembaikan, pergerakan dan pembiakan - semuanya memerlukan sumber tenaga. Sumber langsung tenaga ini untuk banyak benda hidup adalah tenaga kimia.

Molekul berasaskan karbon yang tinggi tenaga, seperti gula dan lemak, dipecahkan kepada kuasa proses kehidupan. Molekul tenaga tinggi ini tidak secara semula jadi berlaku di alam sekitar. Organisma yang malu-malu dan tidak jujur, seperti manusia, bergantung kepada mencuri molekul tenaga yang tinggi dari organisma lain dengan memakannya. Walau bagaimanapun, pada akhirnya, molekul tenaga yang lebih tinggi diperlukan untuk menggantikan yang dipecah.

Walaupun gula dan lemak sedih tidak turun dari ruang angkasa, foton yang kaya dengan tenaga (perkara terbaik yang akan datang) lakukan, dalam bentuk cahaya matahari. Organisme yang lebih bertanggungjawab daripada kita, seperti tumbuh-tumbuhan dan alga, melakukan fotosintesis. Proses ini menggunakan tenaga dari cahaya matahari untuk menjana semula molekul tenaga tinggi dari produk sisa pecahnya, karbon dioksida (CO₂), yang sentiasa dilepaskan ke atmosfera oleh semua makhluk hidup.

Dalam bentuk fotosintesis yang paling biasa, CO₂ diambil ke dalam daun pada siang hari melalui liang kecil di permukaan tumbuhan. Ia kemudian dilampirkan, atau "tetap", terus ke dalam molekul gula menggunakan tenaga dari cahaya matahari, untuk digunakan sebagai sumber tenaga kimia - sama ada oleh tumbuhan, atau oleh binatang yang memakannya.

Liang-liang kecil membiarkan karbon dioksida menjadi daun - tetapi juga membolehkan oksigen dan air keluar. Photohound

Tetapi memperoleh CO₂ dari atmosfera boleh menjadi masalah dalam beberapa situasi. Membuka liang di permukaan tumbuhan membolehkan CO₂ masuk, tetapi juga membolehkan oksigen masuk dan keluar. Kehilangan air adalah masalah dalam persekitaran kering - terutamanya pada siang hari, iaitu apabila CO₂ diperlukan untuk fotosintesis.

Di samping itu, dalam persekitaran yang panas, tumbuhan kurang mampu mendiskriminasikan antara oksigen dan CO₂ dan sebenarnya boleh menampung oksigen ke molekul gula. Sebaik sahaja molekul oksigen diperbetulkan kepada gula, ia harus berharga sekali lagi dengan kos energik yang ketara, mengurangkan tenaga bersih yang dapat diperolehi daripada tumbuhan fotosintesis.

Bateri karbon dioksida untuk kecekapan

Beberapa kumpulan tumbuhan telah berkembang yang tidak langsung membetulkan CO atmosfera₂ untuk membuat gula, tetapi lampirkan CO₂ ke molekul lain yang boleh disimpan, diangkut dan dipecah untuk melepaskan CO₂ sekali lagi, seperti bateri. Ini mengelakkan masalah kehilangan air dan penetapan oksigen yang tidak disengajakan.

Dua strategi alternatif telah berkembang untuk menggunakan keupayaan ini: fotosintesis C4, yang memanipulasi kepekatan CO₂ di ruang angkasa, dan fotosintesis CAM, yang memanipulasi kepekatan dalam waktu.

Fotosintesis C4 dilakukan oleh spesies 7,600, kebanyakannya rumput, termasuk jagung dan sorgum. Ia ada berkembang secara bebas sekurang-kurangnya 60 kali, namun terdapat kurang daripada 0.5% spesies tumbuhan. Walaupun sangat kompetitif dalam persekitaran panas, kos yang bertenaga yang dikaitkan dengan simpanan karbon bermakna bahawa tumbuhan yang menjalankan fotosintesis konvensional mempunyai kelebihan pada suhu yang lebih rendah.

Fotosintesis C4 menggunakan enzim khas untuk memperbaiki CO atmosfera₂ ke atas asid. Enzim ini jauh lebih baik apabila membezakan antara CO₂ dan oksigen daripada enzim klasik yang digunakan dalam fotosintesis tradisional. Asid diangkut di dalam tumbuhan, di mana kepekatan oksigen jauh lebih rendah, dan CO₂ dikeluarkan semula. Dalam persekitaran oksigen rendah ini, tumbuhan itu membuat kesilapan yang memperbaiki oksigen, meningkatkan kecekapan fotosintesis. Terdapat kos yang bertenaga untuk cara roundabout ini untuk melakukan fotosintesis, tetapi ini lebih daripada diimbangi oleh penurunan kadar oksigen yang mahal dalam persekitaran yang panas.

Tanaman kaktus dan nanas menggunakan fotosintesis CAM untuk terus berair. hiyori13 / Flickr, CC BY-SA

Alternatif lain adalah fotosintesis CAM, atau Metabolisme Asid Crassulacean, yang mendahului fotosintesis C4 sekurang-kurangnya 150 juta tahun. Ini adalah pertama kali ditemui di keluarga Crassula tumbuhan tetapi mempunyai berkembang secara bebas dalam banyak keturunan tumbuhan, berjumlah lebih daripada spesies 9,000.

Seperti tumbuhan C4, CAM juga menyimpan CO₂ dalam asid, tetapi ia melakukan tindak balas ini pada waktu malam, dan bukannya mengangkut molekul asid ke bahagian yang berbeza dari tumbuhan, ia hanya menyimpannya di dalam vakum - kawasan simpanan di tengah-tengah setiap sel tumbuhan. Pada siang hari, apabila cahaya yang diperlukan untuk fotosintesis tersedia, kilang itu tidak perlu membuka liang-liangnya: ia mempunyai makan tengah hari yang dibungkus sudah disimpan di dalam sel-selnya. Ini membolehkan tumbuhan melakukan fotosintesis tanpa membuka liang-liangnya pada siang hari, secara besar-besaran mengurangkan jumlah air yang hilang.

Ini adalah bagaimana tumbuhan CAM seperti kaktus dan nanas boleh terus menjadi sihat dan berair walaupun di persekitaran panas mereka tumbuh. Dalam persekitaran yang lebih lembap atau sejuk, masalah yang diselesaikan oleh CAM dan C4 fotosintesis tidak begitu teruk - dan kos energik menyimpan dan mengeluarkan semula CO₂ bermakna tumbuhan hanya bersaing dengan sepupu fotosintesis secara tradisinya dalam persekitaran panas atau kering.

Oleh itu, tempat yang paling akhir, yang mungkin diharapkan untuk mencari tanaman CAM adalah di bawah air, persekitaran yang sangat basah oleh semua akaun. Ia adalah dengan mengejutkan bahawa CAM adalah pertama dilaporkan dalam loji tasik Isoetes diikuti oleh penemuan di empat lagi tumbuhan akuatik.

Tumbuhan akuatik kecil dari genus Isoetes menjalankan CAM untuk menumpukan karbon dioksida di dunia bawah air. Perkhidmatan Ikan & Hidupan Liar AS

Walaupun persekitarannya sangat berbeza, tumbuh-tumbuhan di tasik dan padang pasir akhirnya berkongsi masalah yang sama - kesukaran memperoleh CO₂. Walaupun banyak CO₂ boleh dibubarkan di dalam air, ia membesar jauh lebih perlahan daripada di udara, jadi air di sekeliling tumbuhan boleh menjadi habis CO₂. Tumbuhan akuatik telah berevolusi fotosintesis CAM supaya mereka dapat terus mengambil CO₂ pada waktu malam, menggunakannya untuk menambah apa yang mereka dapat memperoleh pada siang hari.

Selain penyelidikan yang bertujuan untuk memperkenalkan fotosintesis C4 ke beras, terdapat minat yang signifikan dalam mengubah tanaman tanaman untuk melakukan fotosintesis CAM supaya mereka dapat bertahan hidup dengan lebih baik akibat kemarau iklim.

Tentang Pengarang

Daniel Wood, pelajar PhD dalam Biologi Tanaman, University of Sheffield

Artikel ini diterbitkan semula daripada Perbualan di bawah lesen Creative Commons. Membaca artikel asal.

ing