为什么仙人掌如此多汁? 多肉植物的秘密战略

为什么仙人掌如此多汁? 多肉植物的秘密战略 盛开的奇妙:仙人掌是少数能在沙漠中繁衍生息的植物物种之一。 Alan Levine / Flickr, 创用CC BY-SA

在光合作用过程中被植物利用的阳光几乎为地球上的所有生命提供动力。 特殊适应性允许某些植物在一夜之间储存一组二氧化碳,用于白天的光合作用,在干燥的沙漠条件下为它们提供了多汁的优势。

构成生命的过程 - 例如生长,修复,运动和繁殖 - 都需要能源。 对许多生物来说,这种能量的直接来源是化学能。

高能碳基分子,如糖和脂肪,被分解为生命过程的动力。 这些高能分子不会在环境中自然发生。 工作害羞和不诚实的生物,如人类,依赖于通过食用来窃取其他生物的高能分子。 然而,最终需要更多的高能分子来代替那些被分解的能量分子。

虽然糖和脂肪可悲地不从太空下雨,但是能量丰富的光子(下一个最好的东西)以阳光的形式出现。 比我们更负责任的生物,如植物和藻类,进行光合作用。 该过程利用来自太阳光的能量从其分解废物产物二氧化碳(CO2),所有生物不断释放到大气中。

在最常见的光合作用形式中,CO2 通过植物表面的微小孔隙在白天被摄入叶子。 然后利用来自太阳光的能量将其直接附着或“固定”在糖分子上,用作化学能源 - 由植物或食用它的动物。

为什么仙人掌如此多汁? 多肉植物的秘密战略 微小的毛孔让二氧化碳进入叶子 - 但也允许氧气进入和排出水。 Photohound

但收购CO2 在某些情况下,从大气层可能会出现问题。 打开植物表面的毛孔可以让CO2 在,但也让氧气和水流出。 在干燥环境中水分流失是一个问题 - 特别是在白天,即CO时2 是光合作用所必需的。


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此外,在炎热的环境中,工厂不太能够区分氧气和CO2 并且实际上最终可以将氧气附着到糖分子上。 一旦将氧分子固定在糖上,就必须以显着的能量成本再次将其分解,从而降低植物从光合作用中获得的净能量。

二氧化碳电池提高效率

已经进化出几组不直接固定大气CO的植物2 制糖,但附加CO2 在其他分子上可以储存,运输和分解以释放CO2 再一次,像电池一样。 这避免了水分流失和意外氧气固定的问题。

已经发展了两种替代策略来利用这种能力:C4光合作用,它控制CO的浓度2 在空间和CAM光合作用,它们及时地控制浓度。

C4光合作用由7,600物种进行,其中大多数是禾本科植物,包括玉米和高粱。 它有 至少独立进化60次但是存在于少于0.5%的植物物种中。 虽然在炎热环境中具有很强的竞争力,但与碳储存相关的能量成本意味着进行常规光合作用的植物在较低温度下具有优势。

C4光合作用使用特殊的酶来固定大气中的CO2 在酸上。 这种酶在区分CO方面要好得多2 和氧气比传统光合作用中使用的经典酶。 酸在植物内部深处输送,其中氧气的浓度低得多,并且CO2 重新发布。 在这种低氧环境中,植物减少了固氧错误,提高了光合作用的效率。 这种迂回的光合作用方式有一个充满活力的成本,但这远远超过了在炎热环境中昂贵的氧气固定的减少。

为什么仙人掌如此多汁? 多肉植物的秘密战略 仙人掌和菠萝植物使用CAM光合作用保持多汁。 hiyori13 / Flickr的, 创用CC BY-SA

另一种替代的光合作用是CAM或Crassulacean Acid Metabolism,其在C4光合作用之前至少持续150百万年。 这是 最初在Crassula家族中发现 植物但有 在许多谱系中独立进化 植物,总数超过9,000物种。

与C4工厂一样,CAM也存储CO2 在酸中,但它在夜间进行这种反应,而不是将酸分子运输到植物的不同部分,它只是将它们储存在液泡中 - 每个植物细胞核心的储存区域。 在白天,当光合作用所需的光线可用时,植物不需要打开它的毛孔:它有一个已经储存在其细胞中的包装午餐。 这使得植物能够在不打开白天的毛孔的情况下进行光合作用,大大减少了水的流失量。

这就是CAM植物如仙人掌和菠萝在它们生长的炎热环境中仍然可以保持多汁和含水的方式。然而,在潮湿或凉爽的环境中,CAM和C4光合作用解决的问题并不严重 - 而且能量成本高存储和重新释放CO2 意味着植物只能在炎热或干燥的环境中与传统的光合作用表亲竞争。

也许最后一个地方,人们可能期望找到CAM植物是水下的,所有人都认为这是一个非常潮湿的环境。 因此CAM有些意外 首先在湖泊植物Isoetes报道 其次是发现 其他四种水生植物.

为什么仙人掌如此多汁? 多肉植物的秘密战略 Isoetes属的微小水生植物进行CAM以在海底世界中浓缩二氧化碳。 美国鱼类和野生动物管理局

尽管环境非常不同,但湖泊和沙漠中的植物最终会遇到同样的问题 - 获取CO的难度2。 虽然很多CO2 它可以溶解在水中,比空气中的扩散速度慢得多,因此植物周围的水可以消耗掉CO2。 水生植物已经进化出CAM光合作用,因此它们可以继续吸收CO2 在晚上,用它来补充他们白天可以获得的东西。

除了旨在的研究 将C4光合作用引入水稻人们对改变作物植物进行CAM光合作用有着浓厚的兴趣,因此它们可以更好地应对气候变化引起的干旱。谈话

关于作者

Daniel Wood,植物生物学博士生, 谢菲尔德大学

本文重新发表 谈话 根据知识共享许可。 阅读 原创文章.

博士开发的技术萃取的

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