Почему кактусы такие сочные? Секретная стратегия суккулентов
Фотосинтез, питающий почти всю жизнь на Земле, требует углекислого газа (CO2). Однако его поглощение днём через устьица приводит к потере воды, что критично в засуху, и к ошибкам фиксации кислорода вместо CO2 в жару, что снижает эффективность.
Батарейки из углекислого газа для эффективности
Некоторые растения эволюционировали, чтобы не фиксировать CO2 напрямую, а запасать его в других молекулах, как в батарейке. Это решает проблемы потери воды и ошибочной фиксации кислорода. Существует две основные стратегии:
C4-фотосинтез (у 7600 видов, в основном злаки, например, кукуруза). Он манипулирует концентрацией CO2 в пространстве. CO2 фиксируется специальным ферментом на кислоту на поверхности, которая транспортируется вглубь растения, где кислорода меньше. Там CO2 высвобождается для эффективного фотосинтеза. Хотя процесс энергозатратен, в жару это компенсируется снижением ошибок фиксации кислорода.
CAM-фотосинтез (кислотный метаболизм толстянковых) (у 9000+ видов, например, кактусы, ананасы). Он манипулирует концентрацией CO2 во времени. Растение поглощает CO2 и фиксирует его в кислоту ночью, запасая в вакуолях клеток. Днём, не открывая устьиц, оно использует этот запас для фотосинтеза, что резко сокращает потерю воды. Это позволяет CAM-растениям оставаться сочными в засушливых условиях.
В более прохладной или влажной среде энергетические затраты на хранение CO2 делают C4 и CAM менее конкурентоспособными по сравнению с обычным фотосинтезом.
Неожиданное место для CAM: под водой
Удивительно, но CAM также обнаружен у некоторых водных растений (например, Isoetes). Несмотря на разницу сред, и пустынные, и водные растения сталкиваются с дефицитом CO2: в воде он диффундирует медленно. CAM позволяет водным растениям запасать CO2 ночью, дополняя дневное поглощение.
Перспективы: Идут исследования по внедрению C4-фотосинтеза в рис и модификации сельскохозяйственных культур для использования CAM, чтобы повысить их устойчивость к засухам, вызванным изменением климата.