Mis on C4 fotosünteesi eelis?

Fotosüntees on protsess, mis kasutab suhkrute sünteesimiseks vett, süsinikdioksiidi (CO2) ja päikeseenergiat. Seda teostavad paljud taimed, vetikad ja bakterid. Taimedes ja vetikates toimub fotosüntees raku spetsiaalsetes osades, mida nimetatakse kloroplastideks; asub lehtedes ja vartes. Kui enamik taimi teostavad nn C3 fotosünteesi, siis kuumas keskkonnas kohanenud taimed teevad modifitseeritud vormi, mida nimetatakse C4 fotosünteesiks.

Seda tüüpi fotosünteesi korral lisatakse CO2 kõigepealt mesofüllina tuntud rakkudes 4-süsinikhapeteks. Need happed transporditakse teistesse rakkudesse, mida tuntakse kimbu rakkudena. Nendes rakkudes on reaktsioon vastupidine, CO2 eraldub ja kasutatakse seejärel normaalses (C3) fotosünteesirajal. CO2 kaasamist 3-süsinikühenditesse katalüüsib ensüüm, mida tuntakse kui Rubisco.

Kuumas ja kuivas keskkonnas on C4 fotosüntees tõhusam kui C3 fotosüntees. Selle põhjuseks on kaks põhjust. Esimene on see, et süsteem ei läbi fotorespiratsiooni, see protsess on fotosünteesiga vastuolus (vt allpool). Teine on see, et taimed suudavad oma poore kauem kinni hoida, vältides seega veekadu.

See on protsess, kus kasvava suhkru CO2 lisamise asemel lisab Rubisco hapnikku. Olukordades, kus fotosüntees toimub kiiresti (kõrgel temperatuuril, kõrgel valgustasemel või mõlemal), on O2 nii palju saadaval, et see reaktsioon muutub oluliseks probleemiks. C4 taimed lahendavad selle probleemi, säilitades kõrge CO2 kontsentratsiooni lehe vastavas osas (kimbu ümbrisrakkudes).

Taimed vahetavad gaase, süsinikdioksiidi ja O2 oma keskkonnaga pooride kaudu, mida tuntakse stomaatidena. Kui stoomid on avatud, võib CO2 difundeeruda fotosünteesis ja O2-s kasutamiseks, siis võib fotosünteesi saadus hajuda. Kuid kui stomad on avatud, kaotab taim ka hingamise tõttu vett ja see probleem suureneb kuumas ja kuivas kliimas. Taimed, kes teostavad C4 fotosünteesi, võivad hoida oma stomaadid suletuna rohkem kui nende C3 ekvivalendid, kuna nad on CO2 lisamisel tõhusamad. See minimeerib nende veekadu.

Kuigi C4 fotosüntees on selgelt kasulik kuumas ja kuivas kliimas, ei kehti see jahedas ja niiskes. Seda seetõttu, et C4 fotosüntees on keerulisem: sellel on rohkem samme ja see nõuab spetsiaalset anatoomiat. Sel põhjusel on C3 fotosüntees tõhusam, välja arvatud juhul, kui fotorespiratsioon või veekadu on olulised probleemid. Sellepärast teostab enamik taimi C3 fotosünteesi.