Koks yra C4 fotosintezės pranašumas?

Fotosintezė yra procesas, kurio metu cukrams sintetinti naudojamas vanduo, anglies dioksidas (CO2) ir saulės energija. Jį vykdo daugybė augalų, dumbliai ir bakterijos. Augaluose ir dumbliuose fotosintezė vyksta specialiose ląstelės dalyse, vadinamose chloroplastais; esančių lapuose ir stiebuose. Nors dauguma augalų atlieka vadinamąją C3 fotosintezę, augalai, prisitaikę prie karštos aplinkos, atlieka modifikuotą formą, vadinamą C4 fotosinteze.

Šio tipo fotosintezėje aplinkos CO2 pirmiausia į 4-anglies rūgštis patenka ląstelėse, vadinamose mezofilais. Šios rūgštys perduodamos į kitas ląsteles, žinomas kaip ryšulio apvalkalo ląstelės. Šiose ląstelėse reakcija yra atvirkštinė, išsiskiria CO2 ir vėliau naudojama įprastu (C3) fotosintezės keliu. CO2 jungimąsi į 3 anglies junginius katalizuoja fermentas, žinomas kaip „Rubisco“.

Karštoje ir sausoje aplinkoje C4 fotosintezė yra efektyvesnė nei C3 fotosintezė. Taip yra dėl dviejų priežasčių. Pirmasis yra tas, kad sistemoje nevyksta fotorespiracija, šis procesas prieštarauja fotosintezei (žr. Toliau). Antrasis yra tas, kad augalai gali ilgiau uždaryti savo poras, taip išvengdami vandens praradimo.

Tai procesas, kurio metu užuot pridėjus CO2 prie augančio cukraus, „Rubisco“ prideda deguonies. Tose situacijose, kuriose fotosintezė vyksta greitai (esant aukštai temperatūrai, dideliam šviesos lygiui ar abiem), O2 yra tiek daug, kad ši reakcija tampa reikšminga problema. C4 augalai išsprendžia šią problemą išlaikydami didelę CO2 koncentraciją atitinkamoje lapo dalyje (ryšulio apvalkalo ląstelėse).

Augalai keičia savo dujas, CO2 ir O2, su savo aplinka per poras, žinomas kaip stomatai. Kai stomatai yra atviri, CO2 gali difunduoti, kad būtų naudojamas fotosintezėje, ir O2, fotosintezės produktas gali difunduoti. Tačiau atidarius stomas, augalas taip pat praranda vandenį dėl pernešimo, ir ši problema sustiprėja karštame ir sausame klimate. Augalų, kurie atlieka C4 fotosintezę, stomatai gali būti uždaryti labiau nei jų C3 ekvivalentai, nes jie efektyviau įtraukia CO2. Tai sumažina jų vandens nuostolius.

Nors C4 fotosintezė yra akivaizdžiai naudinga esant karštam ir sausam klimatui, tai netiesa vėsioje ir drėgnoje. Taip yra todėl, kad C4 fotosintezė yra sudėtingesnė: ji turi daugiau pakopų ir reikalauja specializuotos anatomijos. Dėl šios priežasties C3 fotosintezė yra efektyvesnė, nebent fotorezorbcija ar vandens praradimas yra svarbūs dalykai. Štai kodėl dauguma augalų atlieka C3 fotosintezę.