Wunderbar blühen: Kakteen gehören zu den wenigen Pflanzenarten, die in der Wüste gedeihen können. Alan Levine / Flickr, CC BY-SA

Sonnenlicht, das von Pflanzen bei der Photosynthese genutzt wird, treibt fast alles Leben auf der Erde an. Spezielle Anpassungen ermöglichen es bestimmten Pflanzen, über Nacht eine Batterie mit Kohlendioxid für die Photosynthese während des Tages zu speichern, was ihnen bei trockenen Wüstenbedingungen einen saftigen Vorteil verschafft.

Die Prozesse, die das Leben ausmachen - wie Wachstum, Reparatur, Bewegung und Fortpflanzung - erfordern alle eine Energiequelle. Die unmittelbare Energiequelle für viele Lebewesen ist chemische Energie.

Hochenergetische Moleküle auf Kohlenstoffbasis, wie Zucker und Fette, werden abgebaut, um die Prozesse des Lebens anzutreiben. Diese energiereichen Moleküle kommen natürlicherweise nicht in der Umwelt vor. Arbeitsschüchterne und unehrliche Organismen wie Menschen sind darauf angewiesen, anderen Organismen energiereiche Moleküle zu stehlen, indem sie sie essen. Letztendlich sind jedoch energiereichere Moleküle erforderlich, um die abgebauten zu ersetzen.

Während Zucker und Fette leider nicht aus dem All regnen, regnen energiereiche Photonen (das nächstbeste) in Form von Sonnenlicht. Mehr verantwortungsbewusste Organismen als wir, wie Pflanzen und Algen, führen die Photosynthese durch. Dieser Prozess nutzt Sonnenenergie, um energiereiche Moleküle aus ihrem Abbauprodukt Kohlendioxid (CO 2) zu regenerieren₂), der von allen Lebewesen ständig in die Atmosphäre abgegeben wird.

In der gebräuchlichsten Form der Photosynthese ist CO₂ wird tagsüber über winzige Poren in der Pflanzenoberfläche in die Blätter aufgenommen. Es wird dann direkt an ein Zuckermolekül gebunden oder „fixiert“, wobei Energie aus dem Sonnenlicht verwendet wird, um als chemische Energiequelle verwendet zu werden - entweder von der Pflanze oder von dem Tier, das es isst.

Winzige Poren lassen Kohlendioxid ins Blatt - lassen aber auch Sauerstoff rein und Wasser raus. Fotohund

Aber CO zu erwerben₂ aus der Atmosphäre kann in einigen Situationen problematisch sein. Das Öffnen der Poren auf der Pflanzenoberfläche lässt CO₂ rein, lässt aber auch Sauerstoff rein und Wasser raus. Wasserverlust ist in trockenen Umgebungen ein Problem - insbesondere tagsüber, wenn CO₂ wird für die Photosynthese benötigt.

Außerdem kann die Anlage in heißen Umgebungen weniger zwischen Sauerstoff und CO unterscheiden₂ und kann tatsächlich Sauerstoff an das Zuckermolekül binden. Sobald ein Sauerstoffmolekül an einen Zucker gebunden ist, muss es zu erheblichen energetischen Kosten wieder abgebaut werden, was die Nettoenergie verringert, die Pflanzen aus der Photosynthese gewinnen können.

Kohlendioxidbatterien für Effizienz

Es haben sich mehrere Pflanzengruppen entwickelt, die atmosphärisches CO nicht direkt binden₂ Zucker machen, aber CO anhängen₂ auf andere Moleküle, die gespeichert, transportiert und abgebaut werden können, um CO freizusetzen₂ wieder wie eine Batterie. Dies vermeidet die Probleme des Wasserverlusts und der versehentlichen Sauerstoffixierung.

Zwei alternative Strategien haben sich entwickelt, um diese Fähigkeit zu nutzen: C4-Photosynthese, die die CO-Konzentration beeinflusst₂ im Raum und CAM-Photosynthese, die die Konzentration in der Zeit manipuliert.

Die C4-Photosynthese wird von 7,600-Arten durchgeführt, die meisten von ihnen Gräser, einschließlich Mais und Sorghum. Es hat mindestens 60-mal unabhängig voneinander entwickeltist jedoch in weniger als 0.5% der Pflanzenarten vorhanden. Die energetischen Kosten, die mit der Speicherung von Kohlenstoff verbunden sind, sind zwar in heißen Umgebungen sehr wettbewerbsfähig, haben aber zur Folge, dass Pflanzen, die konventionelle Photosynthesen durchführen, bei niedrigeren Temperaturen die Nase vorn haben.

Die C4-Photosynthese verwendet ein spezielles Enzym, um atmosphärisches CO zu fixieren₂ auf eine Säure. Dieses Enzym unterscheidet viel besser zwischen CO₂ und Sauerstoff als das klassische Enzym, das in der traditionellen Photosynthese verwendet wird. Die Säure wird tief in der Pflanze transportiert, wo die Sauerstoffkonzentrationen viel niedriger sind, und das CO₂ wird wieder freigegeben. In dieser sauerstoffarmen Umgebung macht die Pflanze weniger Fehler bei der Sauerstofffixierung und erhöht so die Effizienz der Photosynthese. Diese Art der Photosynthese ist mit energetischen Kosten verbunden, die jedoch durch den Rückgang der kostspieligen Sauerstofffixierung in heißen Umgebungen mehr als ausgeglichen werden.

Kakteen und Ananaspflanzen nutzen die CAM-Photosynthese, um saftig zu bleiben. hiyori13 / Flickr, CC BY-SA

Die andere alternative Art der Photosynthese ist CAM oder Crassulacean Acid Metabolism, die der C4-Photosynthese um mindestens 150 Millionen Jahre vorausgeht. Das war zum ersten Mal in der Familie Crassula entdeckt von Pflanzen hat aber unabhängig in vielen Abstammungslinien entwickelt von Pflanzen, insgesamt über 9,000 Arten.

Wie C4-Anlagen speichert CAM auch CO₂ in einer Säure, aber es führt diese Reaktion in der Nacht durch, und anstatt die Säuremoleküle zu einem anderen Teil der Pflanze zu transportieren, speichert es sie einfach in der Vakuole - dem Speicherbereich im Herzen jeder Pflanzenzelle. Tagsüber, wenn das für die Photosynthese erforderliche Licht verfügbar ist, muss die Pflanze ihre Poren nicht öffnen: In ihren Zellen befindet sich bereits ein Lunchpaket. Dies ermöglicht der Pflanze die Photosynthese, ohne die Poren während des Tages zu öffnen, wodurch der Wasserverlust massiv verringert wird.

So können CAM-Pflanzen wie Kakteen und Ananas trotz der Hitze, in der sie wachsen, saftig und wässrig bleiben. In feuchteren oder kühleren Umgebungen sind die Probleme, die durch die CAM- und C4-Photosynthese gelöst werden, jedoch nicht so gravierend - und die energetischen Kosten von CO speichern und wieder abgeben₂ bedeutet, dass die Pflanzen nur in heißen oder trockenen Umgebungen mit ihren traditionell photosynthetisierenden Verwandten konkurrieren können.

Vielleicht ist der allerletzte Ort, an dem man CAM-Pflanzen erwarten könnte, unter Wasser, eine ziemlich feuchte Umgebung. Es war daher mit einiger Überraschung, dass CAM war Erstmals berichtet in der Seefabrik Isoetes gefolgt von Entdeckungen in vier weitere Gattungen von Wasserpflanzen.

Winzige Wasserpflanzen der Gattung Isoetes führen CAM durch, um Kohlendioxid in der Unterwasserwelt zu konzentrieren. US Fish & Wildlife Service

Trotz ihrer sehr unterschiedlichen Umgebung haben Pflanzen in Seen und Wüsten letztendlich dasselbe Problem - die Schwierigkeit, CO zu erhalten₂. Während viel CO₂ kann in Wasser gelöst werden, es diffundiert viel langsamer als in Luft, so dass das Wasser um eine Pflanze von CO abgereichert werden kann₂. Wasserpflanzen haben die CAM-Photosynthese entwickelt, damit sie weiterhin CO aufnehmen können₂ Nachts, um das zu ergänzen, was sie tagsüber erwerben können.

Neben der Forschung mit dem Ziel, Einführung der C4-Photosynthese in ReisEs bestand ein großes Interesse daran, Kulturpflanzen für die Durchführung der CAM-Photosynthese zu modifizieren, damit sie Dürren aufgrund des Klimawandels besser überleben können.

Über den Autor

Daniel Wood, Doktorand in Pflanzenbiologie, University of Sheffield

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