Mikä on C4-fotosynteesin etu?

Fotosynteesi on prosessi, joka käyttää vettä, hiilidioksidia (CO2) ja aurinkoenergiaa sokerien syntetisoimiseksi. Sitä suorittavat monet kasvit, levät ja bakteerit. Kasveissa ja levissä fotosynteesi tapahtuu solun erityisosissa, joita kutsutaan kloroplasteiksi; sijaitsevat lehdissä ja varret. Vaikka useimmat kasvit suorittavat niin kutsutun C3-fotosynteesin, kuumiin ympäristöihin sopeutuneet kasvit suorittavat muunnetun muodon, joka tunnetaan nimellä C4-fotosynteesi.

Tämän tyyppisessä fotosynteesissä ympäristön CO2 lisätään ensin 4-hiilihappoihin soluissa, jotka tunnetaan nimellä mesofylli. Nämä hapot kuljetetaan muihin soluihin, jotka tunnetaan nipputupen soluina. Näissä soluissa reaktio on päinvastainen, CO2 vapautuu ja käytetään sen jälkeen normaalissa (C3) fotosynteesireitissä. CO2: n sisällyttämistä 3-hiiliyhdisteisiin katalysoi entsyymi, joka tunnetaan nimellä Rubisco.

Kuumassa ja kuivassa ympäristössä C4-fotosynteesi on tehokkaampaa kuin C3-fotosynteesi. Tämä johtuu kahdesta syystä. Ensimmäinen on, että järjestelmässä ei tapahdu valohengitystä, prosessi, joka on ristiriidassa fotosynteesin kanssa (katso alla). Toinen on se, että kasvit voivat pitää huokoset kiinni pidempään, välttäen siten vesihäviöitä.

Tämä on prosessi, jossa sen sijaan, että lisätään hiilidioksidia kasvavaan sokeriin, Rubisco lisää happea. Tilanteissa, joissa fotosynteesi tapahtuu nopeasti (korkeassa lämpötilassa, korkeassa valotasossa tai molemmissa), käytettävissä on niin paljon O2: ta, että tästä reaktiosta tulee merkittävä ongelma. C4-kasvit ratkaisevat tämän ongelman pitämällä korkean CO2-konsentraation lehden asianomaisessa osassa (nipun vaippasolut).

Kasvit vaihtavat kaasuja, CO2: ta ja O2: ta ympäristön kanssa huokosten kautta, jotka tunnetaan stomatana. Kun stomat ovat auki, CO2 voi diffundoitua käytettäväksi fotosynteesissä ja O2, fotosynteesin tuote voi diffundoitua. Kuitenkin, kun stomat ovat auki, kasvi menettää myös vettä haihtumisen vuoksi, ja tämä ongelma lisääntyy kuumassa ja kuivassa ilmastossa. C4-fotosynteesin suorittavat kasvit voivat pitää stomataan suljettuna enemmän kuin C3-ekvivalenttinsa, koska ne ovat tehokkaampia sisällyttämään hiilidioksidia. Tämä minimoi niiden vesihävikin.

Vaikka C4-fotosynteesi on selvästi edullista kuumassa ja kuivassa ilmastossa, tämä ei ole totta viileässä ja kosteassa ilmastossa. Tämä johtuu siitä, että C4-fotosynteesi on monimutkaisempi: sillä on enemmän vaiheita ja se vaatii erikoistunutta anatomiaa. Tästä syystä, ellei valohengitys tai vesihäviö ole merkittäviä asioita, C3-fotosynteesi on tehokkaampaa. Siksi suurin osa kasveista suorittaa C3-fotosynteesiä.