Fotosynteza to proces, w którym do syntezy cukrów wykorzystuje się wodę, dwutlenek węgla (CO2) i energię słoneczną. Dokonuje go wiele roślin, glonów i bakterii. W roślinach i algach fotosynteza zachodzi w specjalnych częściach komórki zwanych chloroplastami; znajduje się w liściach i łodygach. Podczas gdy większość roślin wykonuje tak zwaną fotosyntezę C3, rośliny przystosowane do gorących środowisk wykonują zmodyfikowaną formę zwaną fotosyntezą C4.
Fotosynteza C4
W tego typu fotosyntezie środowiskowy CO2 jest najpierw włączany do kwasów 4-węglowych w komórkach znanych jako mezofile. Kwasy te są transportowane do innych komórek, zwanych komórkami osłonek wiązek. W tych komórkach reakcja jest odwrócona, CO2 jest uwalniany, a następnie wykorzystywany w normalnym (C3) szlaku fotosyntezy. Włączenie CO2 do związków 3-węglowych jest katalizowane przez enzym znany jako Rubisco.
Zalety fotosyntezy C4
W gorącym i suchym środowisku fotosynteza C4 jest bardziej wydajna niż fotosynteza C3. Wynika to z dwóch powodów. Po pierwsze, system nie podlega fotooddychaniu, procesowi sprzecznemu z fotosyntezą (patrz poniżej). Po drugie, rośliny mogą utrzymywać pory zamknięte przez dłuższy czas, unikając w ten sposób utraty wody.
Fotooddychanie
Jest to proces, w którym Rubisco zamiast dodawać CO2 do rosnącego cukru, dodaje tlen. W sytuacjach, w których fotosynteza zachodzi szybko (w wysokiej temperaturze, przy wysokim natężeniu światła lub w obu przypadkach), jest tak dużo O2, że reakcja ta staje się poważnym problemem. Rośliny C4 rozwiązują ten problem, utrzymując wysokie stężenie CO2 w odpowiedniej części liścia (komórki osłonki wiązki).
Utrata wody
Rośliny wymieniają gazy CO2 i O2 z otoczeniem poprzez pory zwane aparatami szparkowymi. Gdy aparaty szparkowe są otwarte, CO2 może dyfundować do wykorzystania w fotosyntezie, a O2, produkt fotosyntezy może dyfundować. Jednakże, gdy aparaty szparkowe są otwarte, roślina traci również wodę z powodu transpiracji, a problem ten nasila się w gorącym i suchym klimacie. Rośliny, które przeprowadzają fotosyntezę C4 mogą utrzymywać swoje aparaty szparkowe bardziej zamknięte niż ich odpowiedniki C3, ponieważ są bardziej wydajne w inkorporacji CO2. Minimalizuje to ich utratę wody.
Niedogodności
Chociaż fotosynteza C4 jest wyraźnie korzystna w gorącym i suchym klimacie, nie jest to prawdą w chłodnych i wilgotnych. Dzieje się tak, ponieważ fotosynteza C4 jest bardziej złożona: ma więcej etapów i wymaga specjalistycznej anatomii. Z tego powodu, o ile fotooddychanie lub utrata wody nie są istotnymi problemami, fotosynteza C3 jest bardziej efektywna. Dlatego większość roślin przeprowadza fotosyntezę C3.
