ข้อดีของการสังเคราะห์ด้วยแสง C4 คืออะไร?

การสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นกระบวนการที่ใช้น้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) และพลังงานแสงอาทิตย์ในการสังเคราะห์น้ำตาล ดำเนินการโดยพืช สาหร่ายและแบคทีเรียหลายชนิด ในพืชและสาหร่าย การสังเคราะห์แสงเกิดขึ้นในส่วนพิเศษของเซลล์ที่เรียกว่าคลอโรพลาสต์ อยู่ในใบและลำต้น ในขณะที่พืชส่วนใหญ่ทำสิ่งที่เรียกว่าการสังเคราะห์ด้วยแสง C3 พืชที่ปรับให้เข้ากับสภาพแวดล้อมที่ร้อนจะมีรูปแบบดัดแปลงที่เรียกว่าการสังเคราะห์ด้วยแสง C4

ในการสังเคราะห์แสงประเภทนี้ในสิ่งแวดล้อม CO2 ถูกรวมเข้ากับกรดคาร์บอน 4 ตัวในเซลล์ที่เรียกว่ามีโซฟิลล์เป็นครั้งแรก กรดเหล่านี้ถูกส่งไปยังเซลล์อื่นที่เรียกว่าเซลล์ปลอกหุ้ม ในเซลล์เหล่านี้ ปฏิกิริยาจะกลับกัน ปล่อย CO2 และต่อมาใช้ในวิถีการสังเคราะห์แสงปกติ (C3) การรวมตัวของ CO2 เข้ากับสารประกอบ 3 คาร์บอนนั้นถูกเร่งโดยเอนไซม์ที่เรียกว่า Rubisco

ในสภาพแวดล้อมที่ร้อนและแห้ง การสังเคราะห์ด้วยแสง C4 มีประสิทธิภาพมากกว่าการสังเคราะห์ด้วยแสง C3 นี่เป็นเพราะเหตุผลสองประการ อย่างแรกคือระบบไม่ผ่านการหายใจด้วยแสง ซึ่งเป็นกระบวนการที่ต่อต้านการสังเคราะห์ด้วยแสง (ดูด้านล่าง) ข้อที่สองคือพืชสามารถปิดรูขุมขนได้นานกว่า ดังนั้นจึงหลีกเลี่ยงการสูญเสียน้ำ

นี่เป็นกระบวนการที่แทนที่จะเติม CO2 ลงในน้ำตาลที่กำลังเติบโต Rubisco จะเพิ่มออกซิเจน ในสถานการณ์ที่การสังเคราะห์แสงเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว (ที่อุณหภูมิสูง ระดับแสงสูง หรือทั้งสองอย่าง) มี O2 อยู่มากจนปฏิกิริยานี้กลายเป็นปัญหาสำคัญ พืช C4 แก้ปัญหานี้โดยรักษาความเข้มข้นสูงของ CO2 ในส่วนที่เกี่ยวข้องของใบ (เซลล์ฝักมัด)

พืชแลกเปลี่ยนก๊าซ CO2 และ O2 กับสภาพแวดล้อมผ่านรูพรุนที่เรียกว่าปากใบ เมื่อปากใบเปิดอยู่ CO2 สามารถแพร่กระจายเข้าไปเพื่อใช้ในการสังเคราะห์แสงและ O2 ผลิตภัณฑ์จากการสังเคราะห์ด้วยแสงสามารถแพร่กระจาย อย่างไรก็ตาม เมื่อเปิดปากใบ พืชก็จะสูญเสียน้ำเนื่องจากการคายน้ำ และปัญหานี้จะทวีความรุนแรงมากขึ้นในสภาพอากาศที่ร้อนและแห้ง พืชที่ทำการสังเคราะห์ด้วยแสง C4 สามารถปิดปากใบได้มากกว่า C3 ที่เทียบเท่ากัน เนื่องจากพวกมันมีประสิทธิภาพในการรวม CO2 เข้าด้วยกัน สิ่งนี้ช่วยลดการสูญเสียน้ำ

แม้ว่าการสังเคราะห์ด้วยแสง C4 จะมีประโยชน์อย่างชัดเจนในสภาพอากาศที่ร้อนและแห้ง แต่สิ่งนี้ไม่เป็นความจริงสำหรับการสังเคราะห์แสงที่เย็นและชื้น เนื่องจากการสังเคราะห์ด้วยแสง C4 นั้นซับซ้อนกว่า มันมีขั้นตอนมากกว่าและต้องใช้กายวิภาคเฉพาะทาง ด้วยเหตุผลนี้ เว้นแต่การหายใจด้วยแสงหรือการสูญเสียน้ำเป็นปัญหาสำคัญ การสังเคราะห์ด้วยแสง C3 จึงมีประสิทธิภาพมากกว่า นี่คือเหตุผลที่พืชส่วนใหญ่ทำการสังเคราะห์ด้วยแสง C3