Fotosyntéza je proces, který k syntéze cukrů využívá vodu, oxid uhličitý (CO2) a sluneční energii. Provádí ji mnoho rostlin, řas a bakterií. V rostlinách a řasách dochází k fotosyntéze ve zvláštních částech buňky nazývaných chloroplasty; umístěné v listech a stoncích. Zatímco většina rostlin provádí takzvanou fotosyntézu C3, rostliny, které se přizpůsobily horkému prostředí, provádějí upravenou formu známou jako fotosyntéza C4.
C4 fotosyntéza
U tohoto typu fotosyntézy se CO2 nejprve začleňuje do 4-uhlíkových kyselin v buňkách známých jako mezofyly. Tyto kyseliny jsou transportovány do dalších buněk známých jako buňky pláště svazku. V těchto buňkách je reakce obrácena, uvolňuje se CO2 a následně se používá v normální (C3) fotosyntetické dráze. Inkorporace CO2 do 3-uhlíkových sloučenin je katalyzována enzymem známým jako Rubisco.
Výhody fotosyntézy C4
V horkém a suchém prostředí je fotosyntéza C4 účinnější než fotosyntéza C3. To je způsobeno dvěma důvody. První z nich je, že systém nepodléhá fotorespiraci, což je proces, který je v rozporu s fotosyntézou (viz níže). Druhým je to, že rostliny mohou udržovat své póry zavřené delší dobu, čímž zabrání ztrátě vody.
Fotorespirace
Jedná se o proces, ve kterém místo přidání CO2 do rostoucího cukru přidává Rubisco kyslík. V situacích, kdy fotosyntéza probíhá rychle (při vysoké teplotě, vysoké úrovni světla nebo obojí), je k dispozici tolik O2, že se tato reakce stává významným problémem. Rostliny C4 tento problém řeší udržováním vysoké koncentrace CO2 v příslušné části listu (buňky pochvy svazku).
Ztráta vody
Rostliny si vyměňují plyny, CO2 a O2, se svým prostředím prostřednictvím pórů známých jako průduchy. Když jsou průduchy otevřené, CO2 může difundovat, aby se mohl použít při fotosyntéze a O2, produkt fotosyntézy může difundovat ven. Když jsou však průduchy otevřené, rostlina také ztrácí vodu v důsledku transpirace a tento problém se zvyšuje v horkém a suchém podnebí. Rostliny, které provádějí fotosyntézu C4, mohou udržovat své průduchy uzavřené více než jejich ekvivalenty C3, protože jsou účinnější při zabudování CO2. To minimalizuje jejich ztrátu vody.
Nevýhody
Ačkoli je fotosyntéza C4 jednoznačně výhodná v horkém a suchém podnebí, v chladném a vlhkém prostředí to neplatí. Důvodem je, že fotosyntéza C4 je složitější: má více kroků a vyžaduje speciální anatomii. Z tohoto důvodu, pokud fotorespirace nebo ztráta vody nejsou významnými problémy, je fotosyntéza C3 účinnější. Proto většina rostlin provádí fotosyntézu C3.