ما هي ميزة التمثيل الضوئي لـ C4؟

التمثيل الضوئي هو عملية تستخدم الماء وثاني أكسيد الكربون (CO2) والطاقة الشمسية لتركيب السكريات. يتم تنفيذه بواسطة العديد من النباتات والطحالب والبكتيريا. يحدث التمثيل الضوئي في النباتات والطحالب في أجزاء خاصة من الخلية تسمى البلاستيدات الخضراء. تقع في الأوراق والسيقان. بينما تؤدي معظم النباتات ما يُعرف باسم التمثيل الضوئي لـ C3 ، فإن النباتات التي تكيفت مع البيئات الحارة تؤدي شكلًا معدلًا يُعرف باسم التمثيل الضوئي C4.

في هذا النوع من التمثيل الضوئي ، يتم دمج ثاني أكسيد الكربون البيئي لأول مرة في أحماض 4 كربون في الخلايا المعروفة باسم الميزوفيل. يتم نقل هذه الأحماض إلى خلايا أخرى تعرف باسم خلايا غمد الحزمة. في هذه الخلايا ، يتم عكس التفاعل ، ويتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون ثم استخدامه لاحقًا في مسار التمثيل الضوئي الطبيعي (C3). يتم تحفيز دمج ثاني أكسيد الكربون في مركبات ثلاثية الكربون بواسطة إنزيم يُعرف باسم Rubisco.

في البيئات الحارة والجافة ، يكون التمثيل الضوئي لـ C4 أكثر كفاءة من التمثيل الضوئي لـ C3. هذا ينتمى الى سببين. الأول هو أن النظام لا يخضع لعملية التنفس الضوئي ، وهي عملية تتعارض مع التمثيل الضوئي (انظر أدناه). والثاني هو أن النباتات يمكن أن تحافظ على مسامها مغلقة لفترات أطول من الوقت ، وبالتالي تجنب فقدان الماء.

هذه عملية يقوم فيها Rubisco بإضافة الأكسجين بدلاً من إضافة ثاني أكسيد الكربون إلى السكر النامي. في الحالات التي يحدث فيها التمثيل الضوئي بسرعة (في درجات حرارة عالية ، مستويات عالية من الضوء أو كليهما) ، يوجد الكثير من O2 المتاح بحيث يصبح هذا التفاعل مشكلة كبيرة. تحل نباتات C4 هذه المشكلة بالحفاظ على تركيز عالٍ من ثاني أكسيد الكربون في الجزء ذي الصلة من الورقة (خلايا غلاف الحزمة).

تتبادل النباتات غازات ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون مع بيئتها من خلال المسام المعروفة باسم الثغور. عندما تكون الثغور مفتوحة ، يمكن أن ينتشر ثاني أكسيد الكربون لاستخدامه في التمثيل الضوئي و O2 ، يمكن أن ينتشر منتج التمثيل الضوئي. ومع ذلك ، عندما تكون الثغور مفتوحة ، يفقد النبات أيضًا الماء بسبب النتح ، وتزداد هذه المشكلة في المناخات الحارة والجافة. يمكن للنباتات التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي لـ C4 أن تبقي ثغورها مغلقة أكثر من مثيلاتها من C3 لأنها أكثر كفاءة في دمج ثاني أكسيد الكربون. هذا يقلل من فقدان المياه.

على الرغم من أن التمثيل الضوئي لـ C4 مفيد بشكل واضح في المناخات الحارة والجافة ، إلا أن هذا غير صحيح في المناخات الباردة والرطبة. وذلك لأن التمثيل الضوئي لـ C4 أكثر تعقيدًا: فهو يحتوي على خطوات أكثر ويتطلب تشريحًا متخصصًا. لهذا السبب ، ما لم يكن التنفس الضوئي أو فقدان الماء من المشكلات المهمة ، فإن التمثيل الضوئي لـ C3 يكون أكثر فعالية. هذا هو السبب في أن غالبية النباتات تقوم بعملية التمثيل الضوئي لـ C3.