Mạnh tự nhiên

Tại sao Cacti lại ngon ngọt như vậy? Chiến lược bí mật của các loài mọng nước

Tại sao Cacti lại ngon ngọt như vậy? Chiến lược bí mật của các loài mọng nước Nở hoa kỳ diệu: xương rồng là một trong số ít các loài thực vật có thể phát triển mạnh trên sa mạc. Alan Levine / Flickr, CC BY-SA

Ánh sáng mặt trời, được khai thác bởi thực vật trong quá trình quang hợp, cung cấp năng lượng cho hầu hết mọi sự sống trên trái đất. Sự thích nghi đặc biệt cho phép một số nhà máy nhất định lưu trữ pin carbon dioxide qua đêm để sử dụng cho quá trình quang hợp vào ban ngày, mang lại cho chúng một lợi thế ngon ngọt trong điều kiện sa mạc khô ráo.

Các quá trình cấu thành sự sống - như tăng trưởng, sửa chữa, di chuyển và sinh sản - tất cả đều cần một nguồn năng lượng. Nguồn năng lượng tức thời này cho nhiều sinh vật sống là năng lượng hóa học.

Các phân tử dựa trên carbon năng lượng cao, chẳng hạn như đường và chất béo, bị phá vỡ để cung cấp năng lượng cho các quá trình của sự sống. Những phân tử năng lượng cao này không tự nhiên xảy ra trong môi trường. Những sinh vật nhút nhát và không trung thực, chẳng hạn như con người, dựa vào việc đánh cắp các phân tử năng lượng cao từ các sinh vật khác bằng cách ăn chúng. Cuối cùng, tuy nhiên, các phân tử năng lượng cao hơn được yêu cầu để thay thế những phân tích bị phá vỡ.

Mặc dù đường và chất béo đáng buồn không rơi xuống từ không gian, các photon giàu năng lượng (điều tốt nhất tiếp theo) làm, dưới dạng ánh sáng mặt trời. Nhiều sinh vật có trách nhiệm hơn chúng ta, chẳng hạn như thực vật và tảo, thực hiện quang hợp. Quá trình này sử dụng năng lượng từ ánh sáng mặt trời để tái tạo các phân tử năng lượng cao từ chất thải phân hủy của chúng, carbon dioxide (CO2), liên tục được phát hành vào khí quyển bởi tất cả các sinh vật sống.

Ở dạng quang hợp phổ biến nhất, CO2 được đưa lên lá vào ban ngày thông qua các lỗ nhỏ trên bề mặt thực vật. Sau đó, nó được gắn vào, hoặc cố định, gắn thẳng vào một phân tử đường sử dụng năng lượng từ ánh sáng mặt trời, được sử dụng làm nguồn năng lượng hóa học - hoặc bởi thực vật hoặc động vật ăn nó.

Tại sao Cacti lại ngon ngọt như vậy? Chiến lược bí mật của các loài mọng nước Lỗ chân lông nhỏ để carbon dioxide vào lá - nhưng cũng cho phép oxy vào và ra nước. Ảnh

Nhưng mua lại CO2 từ bầu không khí có thể có vấn đề trong một số tình huống. Mở lỗ chân lông trên bề mặt thực vật cho phép CO2 trong, nhưng cũng cho phép oxy vào và ra nước. Mất nước là một vấn đề trong môi trường khô - đặc biệt là vào ban ngày, đó là khi CO2 là cần thiết cho quang hợp.

Ngoài ra, trong môi trường nóng, cây ít có khả năng phân biệt oxy và CO2 và thực sự có thể kết thúc việc gắn oxy vào phân tử đường. Khi một phân tử oxy được cố định với một đường, nó phải được đánh giá lại một lần nữa với chi phí năng lượng đáng kể, làm giảm năng lượng ròng mà thực vật có thể thu được từ quá trình quang hợp.

Pin carbon dioxide cho hiệu quả

Một số nhóm thực vật đã tiến hóa không khắc phục trực tiếp CO trong khí quyển2 để làm đường, nhưng gắn CO2 lên các phân tử khác có thể được lưu trữ, vận chuyển và phá vỡ để giải phóng CO2 một lần nữa, giống như một cục pin. Điều này tránh được các vấn đề mất nước và cố định oxy vô tình.

Hai chiến lược thay thế đã được phát triển để sử dụng khả năng này: quang hợp C4, điều khiển nồng độ CO2 trong không gian và quang hợp CAM, điều khiển sự tập trung theo thời gian.

Quang hợp C4 được thực hiện bởi các loài 7,600, hầu hết trong số chúng là các loại cỏ, bao gồm ngô và lúa miến. Nó có phát triển độc lập ít nhất là lần 60, nhưng hiện diện ít hơn 0.5% của các loài thực vật. Mặc dù cạnh tranh cao trong môi trường nóng, chi phí năng lượng liên quan đến việc lưu trữ carbon có nghĩa là thực vật quang hợp thông thường có lợi thế ở nhiệt độ thấp hơn.

Quang hợp C4 sử dụng một loại enzyme đặc biệt để cố định CO trong khí quyển2 lên một axit. Enzyme này tốt hơn nhiều trong việc phân biệt giữa CO2 và oxy hơn enzyme cổ điển được sử dụng trong quang hợp truyền thống. Axit được vận chuyển sâu bên trong nhà máy, nơi nồng độ oxy thấp hơn nhiều và CO2 được phát hành lại. Trong môi trường oxy thấp này, nhà máy ít mắc lỗi sửa chữa oxy hơn, làm tăng hiệu quả của quang hợp. Có một chi phí năng lượng cho cách thực hiện quang hợp này, nhưng điều này được bù đắp nhiều hơn bằng việc giảm sự cố định oxy tốn kém trong môi trường nóng.

Tại sao Cacti lại ngon ngọt như vậy? Chiến lược bí mật của các loài mọng nước Cây xương rồng và cây dứa sử dụng quang hợp CAM để giữ được nước. hiyori13 / Flickr, CC BY-SA

Một loại quang hợp khác thay thế là CAM, hoặc Chuyển hóa axit Crassulacean, trước quá trình quang hợp C4 ít nhất là 150 triệu năm. Đây là phát hiện đầu tiên trong gia đình Crassula của thực vật nhưng có phát triển độc lập trong nhiều dòng của thực vật, tổng số loài 9,000.

Giống như các nhà máy C4, CAM cũng lưu trữ CO2 trong một axit, nhưng nó thực hiện phản ứng này vào ban đêm, và thay vì vận chuyển các phân tử axit đến một phần khác của cây, nó chỉ lưu trữ chúng trong không bào - khu vực lưu trữ ở trung tâm của mỗi tế bào thực vật. Vào ban ngày, khi ánh sáng cần cho quang hợp có sẵn, nhà máy không cần mở lỗ chân lông: nó có một bữa ăn trưa đóng gói đã được lưu trữ trong các tế bào của nó. Điều này cho phép nhà máy thực hiện quang hợp mà không cần mở lỗ chân lông vào ban ngày, giảm ồ ạt lượng nước bị mất.

Đây là cách mà các cây CAM như xương rồng và dứa có thể vẫn mọng nước và mọng nước mặc dù môi trường nóng mà chúng phát triển. Tuy nhiên, trong môi trường ẩm ướt hoặc mát hơn, các vấn đề được giải quyết bằng quang hợp CAM và C4 không nghiêm trọng - và chi phí năng lượng của lưu trữ và phát hành lại CO2 có nghĩa là các nhà máy chỉ cạnh tranh với anh em họ quang hợp truyền thống của họ trong môi trường nóng hoặc khô.

Có lẽ, nơi cuối cùng, do đó, người ta có thể mong đợi tìm thấy các nhà máy CAM là dưới nước, một môi trường khá ẩm ướt bởi tất cả các tài khoản. Do đó, thật ngạc nhiên khi CAM báo cáo đầu tiên trong Isoetes thực vật hồ tiếp theo là những khám phá trong bốn chi khác của thực vật thủy sinh.

Tại sao Cacti lại ngon ngọt như vậy? Chiến lược bí mật của các loài mọng nước Thực vật thủy sinh nhỏ thuộc chi Isoetes thực hiện CAM để tập trung carbon dioxide trong thế giới dưới nước. Dịch vụ Cá & Động vật hoang dã Hoa Kỳ

Mặc dù môi trường rất khác nhau, thực vật trong hồ và sa mạc cuối cùng cũng có chung một vấn đề - khó khăn trong việc thu nhận CO2. Trong khi rất nhiều CO2 có thể hòa tan trong nước, nó khuếch tán chậm hơn nhiều so với trong không khí, do đó nước xung quanh nhà máy có thể bị cạn kiệt CO2. Thực vật thủy sinh đã tiến hóa quang hợp CAM để chúng có thể tiếp tục hấp thụ CO2 vào ban đêm, sử dụng nó để bổ sung những gì họ có thể có được vào ban ngày.

Ngoài nghiên cứu nhằm mục đích giới thiệu quang hợp C4 vào lúa, đã có sự quan tâm đáng kể trong việc sửa đổi cây trồng để thực hiện quang hợp CAM để chúng có thể sống sót tốt hơn trong hạn hán do biến đổi khí hậu.Conversation

Giới thiệu về Tác giả

Daniel Wood, nghiên cứu sinh tiến sĩ sinh học thực vật, Đại học Sheffield

Bài viết này được tái bản từ Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc ban đầu bài viết.

sách_giết