Mi az előnye a C4 fotoszintézisnek?

A fotoszintézis olyan folyamat, amely vizet, szén-dioxidot (CO2) és napenergiát használ a cukrok szintetizálásához. Sok növény, algák és baktériumok hajtják végre. Növényekben és algákban a fotoszintézis a sejt kloroplasztnak nevezett speciális részeiben fordul elő; a levelekben és a szárakban található. Míg a legtöbb növény az úgynevezett C3 fotoszintézist hajtja végre, a forró környezetekhez alkalmazkodott növények a C4 fotoszintézis néven ismert módosított formát hajtják végre.

Az ilyen típusú fotoszintézis során a környezeti CO2 először a mezofillként ismert sejtekben beépül a 4-szénsavakba. Ezeket a savakat más köteghüvelyként ismert sejtekbe szállítják. Ezekben a sejtekben a reakció megfordul, a CO2 felszabadul és ezt követően felhasználják a normál (C3) fotoszintetikus úton. A CO2 3 szénatomos vegyületekbe történő beépülését egy Rubisco néven ismert enzim katalizálja.

Forró és száraz környezetben a C4 fotoszintézis hatékonyabb, mint a C3 fotoszintézis. Ennek két oka van. Az első az, hogy a rendszer nem megy át fotorezpirációval, ez a folyamat ellentétes a fotoszintézissel (lásd alább). A második az, hogy a növények hosszabb ideig bezárhatják pórusukat, elkerülve ezzel a vízveszteséget.

Ez egy olyan folyamat, amelyben a növekvő cukorhoz CO2 hozzáadása helyett a Rubisco oxigént ad hozzá. Olyan helyzetekben, amikor a fotoszintézis gyorsan zajlik (magas hőmérsékleten, magas fényszintnél vagy mindkettőnél), annyi O2 áll rendelkezésre, hogy ez a reakció jelentős problémává válik. A C4 növények ezt a problémát úgy oldják meg, hogy a levél megfelelő részében (a köteghüvely sejtekben) magas CO2 koncentrációt tartanak fenn.

A növények gázokat, CO2-t és O2-t cserélnek a környezetükkel sztómákként ismert pórusokon keresztül. Ha a sztómák nyitva vannak, a CO2 diffundálhat, hogy a fotoszintézis során felhasználja, és az O2, a fotoszintézis terméke diffundálhat. Ha azonban a sztómák nyitva vannak, a növény a belégzés miatt is veszít a vízből, és ez a probléma fokozódik meleg és száraz éghajlaton is. A C4 fotoszintézist végző növények a sztómáikat jobban zárva tudják tartani, mint a C3 ekvivalensek, mert hatékonyabban építik be a CO2-t. Ez minimalizálja a vízveszteségüket.

Noha a C4 fotoszintézis egyértelműen előnyös meleg és száraz éghajlaton, ez nem igaz hűvös és nedves környezetben. A C4 fotoszintézis ugyanis összetettebb: több lépéssel rendelkezik, és speciális anatómiát igényel. Ezért a C3 fotoszintézis hatékonyabb, kivéve, ha a fényelégzés vagy a vízveszteség jelentõs kérdés. Ezért a növények többsége C3 fotoszintézist hajt végre.