מה היתרון של פוטוסינתזה של C4?

פוטוסינתזה היא תהליך המשתמש במים, פחמן דו חמצני (CO2) ואנרגיית שמש כדי לסנתז סוכרים. זה מבוצע על ידי צמחים רבים, אצות וחיידקים. בצמחים ובאצות, פוטוסינתזה מתרחשת בחלקים מיוחדים של התא הנקראים כלורופלסטים; ממוקם בעלים ובגבעולים. בעוד שרוב הצמחים מבצעים מה שמכונה פוטוסינתזה C3, צמחים שהסתגלו לסביבות חמות מבצעים צורה שונה המכונה פוטוסינתזה C4.

בסוג זה של פוטוסינתזה משולב תחילה CO2 סביבתי בחומצות בעלות 4 פחמן בתאים המכונים מזופילים. חומצות אלו מועברות לתאים אחרים המכונים תאי נדן צרור. בתאים אלה התגובה הפוכה, CO2 משתחרר ומשמש לאחר מכן במסלול הפוטוסינתטי הרגיל (C3). שילוב של CO2 בתרכובות 3 פחמן מזרז על ידי אנזים המכונה Rubisco.

בסביבות חמות ויבשות C4 פוטוסינתזה יעילה יותר מפוטוסינתזה C3. זה נובע משתי סיבות. הראשון הוא שהמערכת לא עוברת פוטורפירציה, תהליך שנוגד את פוטוסינתזה (ראה להלן). השנייה היא שצמחים יכולים לסגור את נקבוביותיהם פרקי זמן ארוכים יותר, וכך למנוע אובדן מים.

זהו תהליך שבמקום להוסיף CO2 לסוכר הגובר, רוביסקו מוסיף חמצן. במצבים בהם פוטוסינתזה מתרחשת במהירות (בטמפרטורה גבוהה, רמות אור גבוהות או שניהם), יש כל כך הרבה O2 זמין שתגובה זו הופכת לבעיה משמעותית. צמחי C4 פותרים בעיה זו על ידי שמירה על ריכוז גבוה של CO2 בחלק הרלוונטי של העלה (תאי מעטפת הצרור).

צמחים מחליפים גזים, CO2 ו- O2, עם סביבתם דרך נקבוביות המכונות סטומטה. כאשר הסטומטיות פתוחות CO2 יכול להתפזר לשימוש בפוטוסינתזה ו- O2, תוצר של פוטוסינתזה יכול להתפזר. עם זאת, כאשר הסטומטיות פתוחות הצמח מאבד גם מים בגלל זרימת דם, ובעיה זו מתגברת באקלים חם ויבש. צמחים המבצעים פוטוסינתזה של C4 יכולים לשמור על סגירת הסטומטיות שלהם יותר מאשר המקבילות ל- C3 מכיוון שהם יעילים יותר בשילוב CO2. זה ממזער את אובדן המים שלהם.

למרות שהפוטוסינתזה של C4 מועילה בבירור באקלים חם ויבש, זה לא נכון בקוררים ולחים. הסיבה לכך היא שהפוטוסינתזה של C4 מורכבת יותר: יש לה יותר שלבים ודורשת אנטומיה מיוחדת. מסיבה זו, אלא אם כן פוטוספירציה או אובדן מים הם נושאים משמעותיים, פוטוסינתזה של C3 יעילה יותר. זו הסיבה שרוב הצמחים מבצעים פוטוסינתזה של C3.