為什麼仙人掌如此多汁? 多肉植物的秘密戰略

為什麼仙人掌如此多汁? 多肉植物的秘密戰略 盛開的奇妙:仙人掌是少數能在沙漠中繁衍生息的植物物種之一。 Alan Levine / Flickr, CC BY-SA

在光合作用過程中被植物利用的陽光幾乎為地球上的所有生命提供動力。 特殊適應性允許某些植物在一夜之間儲存一組二氧化碳,用於白天的光合作用,在乾燥的沙漠條件下為它們提供了多汁的優勢。

構成生命的過程 - 例如生長,修復,運動和繁殖 - 都需要能源。 對許多生物來說,這種能量的直接來源是化學能。

高能碳基分子,如糖和脂肪,被分解為生命過程的動力。 這些高能分子不會在環境中自然發生。 工作害羞和不誠實的生物,如人類,依賴於通過食用來竊取其他生物的高能分子。 然而,最終需要更多的高能分子來代替那些被分解的能量分子。

雖然糖和脂肪可悲地不從太空下雨,但是能量豐富的光子(下一個最好的東西)以陽光的形式出現。 比我們更負責任的生物,如植物和藻類,進行光合作用。 該過程利用來自太陽光的能量從其分解廢物產物二氧化碳(CO2),所有生物不斷釋放到大氣中。

在最常見的光合作用形式中,CO2 通過植物表面的微小孔隙在白天被攝入葉子。 然後利用來自太陽光的能量將其直接附著或“固定”在糖分子上,用作化學能源 - 由植物或食用它的動物。

為什麼仙人掌如此多汁? 多肉植物的秘密戰略 微小的毛孔讓二氧化碳進入葉子 - 但也允許氧氣進入和排出水。 Photohound

但收購CO2 在某些情況下,從大氣層可能會出現問題。 打開植物表面的毛孔可以讓CO2 在,但也讓氧氣和水流出。 在乾燥環境中水分流失是一個問題 - 特別是在白天,即CO時2 是光合作用所必需的。


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此外,在炎熱的環境中,工廠不太能夠區分氧氣和CO2 並且實際上最終可以將氧氣附著到糖分子上。 一旦將氧分子固定在糖上,就必須以顯著的能量成本再次將其分解,從而降低植物從光合作用中獲得的淨能量。

二氧化碳電池提高效率

已經進化出幾組不直接固定大氣CO的植物2 製糖,但附加CO2 在其他分子上可以儲存,運輸和分解以釋放CO2 再一次,像電池一樣。 這避免了水分流失和意外氧氣固定的問題。

已經發展了兩種替代策略來利用這種能力:C4光合作用,它控制CO的濃度2 在空間和CAM光合作用,它們及時地控制濃度。

C4光合作用由7,600物種進行,其中大多數是禾本科植物,包括玉米和高粱。 它有 至少獨立進化60次但是存在於少於0.5%的植物物種中。 雖然在炎熱環境中具有很強的競爭力,但與碳儲存相關的能量成本意味著進行常規光合作用的植物在較低溫度下具有優勢。

C4光合作用使用特殊的酶來固定大氣中的CO2 在酸上。 這種酶在區分CO方面要好得多2 和氧氣比傳統光合作用中使用的經典酶。 酸在植物內部深處輸送,其中氧氣的濃度低得多,並且CO2 重新發布。 在這種低氧環境中,植物減少了固氧錯誤,提高了光合作用的效率。 這種迂迴的光合作用方式有一個充滿活力的成本,但這遠遠超過了在炎熱環境中昂貴的氧氣固定的減少。

為什麼仙人掌如此多汁? 多肉植物的秘密戰略 仙人掌和菠蘿植物使用CAM光合作用保持多汁。 hiyori13 / Flickr的, CC BY-SA

另一種替代的光合作用是CAM或Crassulacean Acid Metabolism,其在C4光合作用之前至少持續150百萬年。 這是 最初在Crassula家族中發現 植物但有 在許多譜系中獨立進化 植物,總數超過9,000物種。

與C4工廠一樣,CAM也存儲CO2 在酸中,但它在夜間進行這種反應,而不是將酸分子運輸到植物的不同部分,它只是將它們儲存在液泡中 - 每個植物細胞核心的儲存區域。 在白天,當光合作用所需的光線可用時,植物不需要打開它的毛孔:它有一個已經儲存在其細胞中的包裝午餐。 這使得植物能夠在不打開白天的毛孔的情況下進行光合作用,大大減少了水的流失量。

這就是CAM植物如仙人掌和菠蘿在它們生長的炎熱環境中仍然可以保持多汁和含水的方式。然而,在潮濕或涼爽的環境中,CAM和C4光合作用解決的問題並不嚴重 - 而且能量成本高存儲和重新釋放CO2 意味著植物只能在炎熱或乾燥的環境中與傳統的光合作用表親競爭。

也許最後一個地方,人們可能期望找到CAM植物是水下的,所有人都認為這是一個非常潮濕的環境。 因此CAM有些意外 首先在湖泊植物Isoetes報導 其次是發現 其他四種水生植物.

為什麼仙人掌如此多汁? 多肉植物的秘密戰略 Isoetes屬的微小水生植物進行CAM以在海底世界中濃縮二氧化碳。 美國魚類和野生動物管理局

儘管環境非常不同,但湖泊和沙漠中的植物最終會遇到同樣的問題 - 獲取CO的難度2。 雖然很多CO2 它可以溶解在水中,比空氣中的擴散速度慢得多,因此植物周圍的水可以消耗掉CO2。 水生植物已經進化出CAM光合作用,因此它們可以繼續吸收CO2 在晚上,用它來補充他們白天可以獲得的東西。

除了旨在的研究 將C4光合作用引入水稻人們對改變作物植物進行CAM光合作用有著濃厚的興趣,因此它們可以更好地應對氣候變化引起的干旱。談話

關於作者

Daniel Wood,植物生物學博士生, 謝菲爾德大學

本文重新發表 談話 根據知識共享許可。 閱讀 原創文章.

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