Фотосинтез - це процес, який використовує воду, вуглекислий газ (CO2) та сонячну енергію для синтезу цукрів. Це здійснюється багатьма рослинами, водоростями та бактеріями. У рослин і водоростей фотосинтез відбувається в особливих частинах клітини, які називаються хлоропластами; розташовані в листі і стеблах. У той час як більшість рослин виконують так званий фотосинтез С3, рослини, які пристосувались до гарячого середовища, виконують модифіковану форму, відому як фотосинтез С4.
C4 Фотосинтез
При цьому типі фотосинтезу СО2 уперше включається в 4-вуглецеві кислоти в клітинах, відомих як мезофіли. Ці кислоти транспортуються до інших клітин, відомих як пучкові клітини оболонки. У цих клітинах реакція зворотна, СО2 виділяється і згодом використовується за нормальним (С3) фотосинтетичним шляхом. Включення СО2 у 3-вуглецеві сполуки каталізується ферментом, відомим як Рубіско.
Переваги фотосинтезу С4
У гарячому та сухому середовищі фотосинтез С4 є більш ефективним, ніж фотосинтез С3. Це пов’язано з двома причинами. Перший з них полягає в тому, що система не зазнає фотодихання - процесу, який суперечить фотосинтезу (див. Нижче). Другий - рослини можуть тримати свої пори закритими довше, тим самим уникаючи втрат води.
Фотодихання
Це процес, при якому замість додавання CO2 до зростаючого цукру Рубіско додає кисень. У ситуаціях, коли фотосинтез відбувається швидко (при високій температурі, високому рівні світла або в обох випадках), доступно стільки О2, що ця реакція стає значною проблемою. Рослини С4 вирішують цю проблему, підтримуючи високу концентрацію СО2 у відповідній частині листа (клітинах оболонки пучка).
Втрата води
Рослини обмінюються газами, CO2 і O2, із своїм оточенням через пори, відомі як продихи. Коли продихи відкриті, CO2 може дифундувати для використання у фотосинтезі та O2, продукт фотосинтезу може дифундувати. Однак, коли продихи відкриті, рослина також втрачає воду через транспірацію, і ця проблема посилюється в жаркому та сухому кліматі. Рослини, які проводять фотосинтез С4, можуть утримувати продихи закритими більше, ніж їх еквіваленти С3, оскільки вони ефективніше включають СО2. Це мінімізує їх втрати води.
Недоліки
Хоча фотосинтез С4 явно вигідний у жаркому та сухому кліматі, це не відповідає дійсності у прохолодних та вологих. Це тому, що фотосинтез С4 є більш складним: він має більше етапів і вимагає спеціалізованої анатомії. З цієї причини, якщо фотодихання або втрата води не є серйозними проблемами, фотосинтез С3 є більш ефективним. Ось чому більшість рослин здійснюють фотосинтез С3.