نصائح

C3 ، C4 ، و CAM النباتات: التكيف مع تغير المناخ

C3 ، C4 ، و CAM النباتات: التكيف مع تغير المناخ

جميع النباتات تستوعب ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي وتحوله إلى سكريات ونشويات من خلال عملية التمثيل الضوئي ، لكنها تفعل ذلك بطرق مختلفة. لتصنيف النباتات من خلال عملية التمثيل الضوئي ، يستخدم علماء النبات التسميات:

  • C3
  • C4
  • CAM

التمثيل الضوئي ودورة كالفين

طريقة التمثيل الضوئي المحددة (أو المسار) التي تستخدمها فئات النبات هي اختلافات في مجموعة من التفاعلات الكيميائية تسمى دورة كالفن. تحدث هذه التفاعلات داخل كل مصنع ، مما يؤثر على عدد ونوع جزيئات الكربون التي ينشئها المصنع ، والأماكن التي يتم فيها تخزين هذه الجزيئات في المصنع ، والأهم بالنسبة لنا اليوم ، قدرة المصنع على تحمل الأجواء المنخفضة الكربون ، وارتفاع درجات الحرارة ، وخفض الماء والنيتروجين.

ترتبط هذه العمليات ارتباطًا مباشرًا بدراسات تغير المناخ العالمي لأن النباتات C3 و C4 تستجيب بشكل مختلف للتغيرات في تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي والتغيرات في درجة الحرارة وتوفر المياه. يعتمد البشر حاليًا على نوع النبات الذي لا يحقق أداءً جيدًا في ظل ظروف أكثر دفئًا ومجففًا وظروف غير منتظمة ، ولكن يتعين علينا إيجاد طريقة للتكيف ، وقد يكون تغيير عمليات التمثيل الضوئي طريقة واحدة للقيام بذلك.

التمثيل الضوئي وتغير المناخ

يؤدي تغير المناخ العالمي إلى زيادات في درجات الحرارة اليومية والموسمية والسنوية ، وزيادة في شدة وتواتر ومدة درجات الحرارة المنخفضة والعالية بشكل غير طبيعي. درجة الحرارة تحد من نمو النبات وهي عامل حاسم رئيسي في توزيع النبات عبر بيئات مختلفة: بما أن النباتات نفسها لا تستطيع الحركة ، وبما أننا نعتمد على النباتات لإطعامنا ، فسيكون من المفيد للغاية حقًا إذا تمكنت مصانعنا من الصمود و / أو يتأقلم مع النظام البيئي الجديد. هذا ما قد تعطينا دراسة مسارات C3 و C4 و CAM.

النباتات C3

  • النباتات: الحبوب الحبوب الأرز والقمح وفول الصويا والجاودار والشعير. الخضروات مثل الكسافا والبطاطا والسبانخ والطماطم والبطاطا ؛ أشجار مثل التفاح والخوخ والأوكالبتوس
  • خميرة: الريبوز ثنائي فسفات (RuBP أو Rubisco) الأكسجيناز كربوكسيلاز (Rubisco)
  • معالجة: تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى حمض فوسفوجليسيريك 3 مركب كربوني (أو PGA)
  • حيث الكربون ثابت: جميع الخلايا ورقة mesophyll
  • أسعار الكتلة الحيوية: -22 ٪ إلى -35 ٪ ، مع متوسط ​​-26.5 ٪

تستخدم الغالبية العظمى من النباتات البرية التي نعتمد عليها في الغذاء البشري والطاقة اليوم مسار C3 ، ولا عجب في ذلك: إن عملية التمثيل الضوئي C3 هي أقدم مسارات تثبيت الكربون ، وهي موجودة في النباتات التي تحتوي على جميع التصنيفات. لكن المسار C3 غير فعال أيضًا. لا يتفاعل روبيسكو مع ثاني أكسيد الكربون فحسب ، بل يتفاعل مع ثاني أكسيد الكربون أيضًا ، مما يؤدي إلى التنفس الضوئي ، الذي يهدر الكربون المماثل. في ظل الظروف الجوية الحالية ، يتم قمع التمثيل الضوئي المحتمل في النباتات C3 بواسطة الأكسجين بقدر 40 ٪. يزداد مدى هذا القمع في ظروف الإجهاد مثل الجفاف والضوء العالي ودرجات الحرارة المرتفعة.

تقريبا كل الطعام الذي نأكله البشر هو C3 ، وهذا يشمل تقريبا جميع الرئيسيات غير البشرية الموجودة في جميع أحجام الجسم ، بما في ذلك البروتينات ، قرود العالم الجديدة والقديمة ، وجميع القرود ، حتى أولئك الذين يعيشون في مناطق بها نباتات C4 و CAM. مع ارتفاع درجات الحرارة العالمية ، سوف تكافح النباتات C3 للبقاء على قيد الحياة ولأننا نعتمد عليها ، فسنقوم بذلك.

نباتات C4

  • النباتات: شائع في الأعشاب العلفية ذات خطوط العرض الأدنى ، والذرة ، والذرة الرفيعة ، وقصب السكر ، والفونيو ، والتيف ، والبردي
  • انزيم: فسفوينول بيروفيت (PEP) كربوكسيلاز
  • معالجة: تحويل CO2 إلى 4 الكربون وسيطة
  • حيث الكربون ثابت: خلايا mesophyll (MC) وخلايا غمد الحزمة (BSC). تحتوي C4s على حلقة من BSC المحيطة بكل وريد وحلقة خارجية من MCs المحيطة بغمد الحزمة ، والمعروفة باسم تشريح Kranz.
  • أسعار الكتلة الحيوية: -9 إلى -16٪ ، بمتوسط ​​-12.5٪.

فقط حوالي 3 ٪ من جميع أنواع النباتات البرية تستخدم مسار C4 ، لكنها تهيمن على جميع الأراضي العشبية تقريبًا في المناطق الاستوائية وشبه الاستوائية والمناطق المعتدلة الدافئة. كما تشمل المحاصيل عالية الإنتاجية مثل الذرة والذرة البيضاء وقصب السكر: هذه المحاصيل تقود مجال استخدام الطاقة الحيوية ولكنها ليست مناسبة حقًا للاستهلاك البشري. الذرة هي الاستثناء ، لكنها ليست قابلة للهضم حقًا إلا إذا كانت مطحونة إلى مسحوق. تستخدم الذرة وغيرها أيضًا كغذاء للحيوانات ، وتحول الطاقة إلى اللحوم ، وهو استخدام آخر غير فعال للنباتات.

التمثيل الضوئي C4 هو تعديل كيميائي حيوي لعملية التمثيل الضوئي C3. في النباتات C4 ، تحدث دورة النمط C3 فقط في الخلايا الداخلية داخل الورقة ؛ وتحيط بها خلايا mesophyll التي تحتوي على إنزيم أكثر نشاطًا ، ويسمى phoxphoenolpyruvate (PEP) كربوكسيلاز. ولهذا السبب ، فإن نباتات C4 هي تلك التي تزدهر في فصول طويلة تنمو مع الكثير من الوصول إلى أشعة الشمس. حتى أن بعضها يتحمل الملوحة ، مما يسمح للباحثين بالنظر فيما إذا كان من الممكن استعادة المناطق التي شهدت تملح ناتجة عن جهود الري السابقة من خلال زراعة أنواع C4 التي تتحمل الملح.

نباتات CAM

  • النباتات: صبار وعصارة أخرى ، كلوسيا ، تيكيلا أغاف ، أناناس.
  • انزيم: فسفوينول بيروفيت (PEP) كربوكسيلاز
  • معالجة: أربع مراحل مرتبطة بأشعة الشمس المتاحة ، تقوم مصانع CAM بجمع ثاني أكسيد الكربون خلال النهار ثم إصلاح ثاني أكسيد الكربون في الليل على أنه متوسط ​​4 كربون.
  • حيث الكربون ثابت: الفجوات
  • أسعار الكتلة الحيوية: يمكن أن تنخفض الأسعار في نطاقات C3 أو C4.

تم تسمية عملية التمثيل الضوئي CAM تكريما لعائلة النبات التيCrassulacean، عائلة stonecrop أو عائلة orpine ، تم توثيقها لأول مرة. التمثيل الضوئي CAM هو التكيف مع انخفاض توافر المياه ، ويحدث في بساتين الفاكهة والعصارة من المناطق القاحلة للغاية. يمكن أن تكون عملية التغير الكيميائي هي تلك التي يتبعها إما C3 أو C4 ؛ في الواقع ، هناك حتى مصنع يسمى Agave augustifolia يتحول جيئة وذهابا بين الأوضاع كما يتطلب النظام المحلي.

من حيث الاستخدام البشري للغذاء والطاقة ، فإن نباتات الطبابة البديلة غير مستغلة نسبيًا ، باستثناء أنواع الأناناس وعدد قليل من أنواع الأغاف ، مثل أغاف التكيلا. تُظهر محطات CAM أعلى مستويات كفاءة استخدام المياه في النباتات التي تمكنها من القيام بعمل جيد في البيئات المحدودة المياه ، مثل الصحاري شبه القاحلة.

التطور والهندسة الممكنة

يمثل انعدام الأمن الغذائي العالمي بالفعل مشكلة حادة للغاية ، والاستمرار في الاعتماد على مصادر الطاقة والغذاء غير الفعالة أمر خطير ، لا سيما لأننا لا نعرف ما قد يحدث لتلك الدورات النباتية حيث يصبح الغلاف الجوي لدينا أكثر ثراءً بالكربون. يُعتقد أن انخفاض ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي وتجفيف مناخ الأرض قد عززا تطور C4 و CAM ، مما يثير احتمالًا مزعجًا مفاده أن ثاني أكسيد الكربون المرتفع قد يعكس الظروف التي تفضل هذه البدائل لعملية التمثيل الضوئي C3.

تشير الدلائل المقدمة من أسلافنا إلى أن البشر يمكن أن يتكيفوا مع نظامهم الغذائي لتغير المناخ. كان كل من Ardipithecus ramidus و Ar anamensis مستهلكين يركزون على C3. ولكن عندما غيّر التغير المناخي شرق إفريقيا من المناطق المشجرة إلى السافانا قبل حوالي 4 ملايين سنة ، كانت الأنواع التي نجت هي مستهلكات C3 / C4 مختلطة (Australopithecus afarensis و Kenyanthropus platyops). بحلول عام 2.5 م ، تطور نوعان جديدان ، Paranthropus الذين تحولوا ليصبحوا أخصائيين في C4 / CAM ، وفي وقت مبكر من Homo ، يستخدم كلا الأطعمة C3 / C4.

إن توقع أن يتطور الإنسان العاقل خلال الخمسين سنة القادمة أمر غير عملي: ربما يمكننا تغيير النباتات. يحاول العديد من علماء المناخ إيجاد طرق لنقل سمات C4 و CAM (كفاءة العملية ، تحمل درجات الحرارة العالية ، ارتفاع الغلات ، ومقاومة الجفاف والملوحة) إلى نباتات C3. تمت متابعة الهجينة من C3 و C4 لمدة 50 عامًا أو أكثر ، لكنها لم تنجح بعد بسبب عدم توافق الكروموسوم والعقم الهجين. يأمل بعض العلماء في النجاح باستخدام علم الجينوم المعزز.

سواء كان ذلك ممكنا

يُعتقد أن بعض التعديلات على نباتات C3 ممكنة لأن الدراسات المقارنة أظهرت أن نباتات C3 لديها بالفعل بعض الجينات البدائية المتشابهة في وظيفتها مع نباتات C4. لم تحدث العملية التطورية التي خلقت C4 من النباتات C3 مرة واحدة ولكن على الأقل 66 مرة خلال الـ 35 مليون سنة الماضية. حققت تلك الخطوة التطورية أداءً ضوئيًا عاليًا وكفاءة عالية في استخدام المياه والنيتروجين. ذلك لأن نباتات C4 لديها قدرة ضوئية مضاعفة تبلغ ضعف النباتات C3 ، ويمكنها التعامل مع درجات الحرارة المرتفعة ، كمية أقل من الماء ، والنيتروجين المتاح. لهذا السبب ، يحاول الكيميائيون الحيويون نقل سمات C4 إلى النباتات C3 كوسيلة لتعويض التغيرات البيئية التي تواجه ظاهرة الاحتباس الحراري.

أدت إمكانية تعزيز الأمن الغذائي والطاقة إلى زيادات ملحوظة في البحوث المتعلقة بالتمثيل الضوئي. يوفر التمثيل الضوئي إمداداتنا الغذائية والألياف ، لكنه يوفر أيضًا معظم مصادر الطاقة لدينا. حتى بنك الهيدروكربونات الموجود في القشرة الأرضية تم إنشاؤه في الأصل عن طريق التمثيل الضوئي. نظرًا لاستنفاد أنواع الوقود الأحفوري هذه أو إذا حد البشر من استخدام الوقود الأحفوري لمنع الاحترار العالمي ، فسيواجه الناس التحدي المتمثل في استبدال إمدادات الطاقة بموارد قابلة للتجديد. الغذاء والطاقة هما شيئان لا يمكن للبشر العيش بدونهما.

مصادر:

  • Ehleringer JR ، و Cerling TE. 2002. C3 و C4 التمثيل الضوئي. في: Munn T و Mooney HA و Canadell JG ، المحررين. موسوعة التغير البيئي العالمي. لندن: جون وايلي وأولاده. ص 186-190.
  • Keerberg O، Pärnik T، Ivanova H، Bassüner B، and Bauwe H. 2014. C2 التمثيل الضوئي يولد حوالي 3 أضعاف مستويات CO2 ورقة مرتفعة في الأنواع C3-C4 المتوسطة فلافينيا العانات. مجلة علم النبات التجريبي 65(13):3649-3656.
  • Matsuoka M و Furbank RT و Fukayama H و Miyao M. 2014. الهندسة الجزيئية لعملية التمثيل الضوئي c4. الاستعراض السنوي لعلم وظائف الأعضاء النباتية والبيولوجيا الجزيئية النباتية 2014:297-314.
  • حكيم RF. 2014. كفاءة التمثيل الضوئي وتركيز الكربون في النباتات الأرضية: حلول C4 و CAM. مجلة علم النبات التجريبي 65(13):3323-3325.
  • شونينجر إم جي. 2014. تحليلات النظائر المستقرة وتطور النظم الغذائية البشرية. الاستعراض السنوي للأنثروبولوجيا 43:413-430.
  • Sponheimer M، Alemseged Z، Cerling TE، Grine FE، Kimbel WH، Leakey MG، Lee-Thorp JA، Manthi FK، Reed KE، Wood BA et al. 2013. دليل نظائري من وجبات هومينين المبكرة. وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم 110(26):10513-10518.
  • Van der Merwe N. 1982. نظائر الكربون ، التمثيل الضوئي وعلم الآثار. العالم الأمريكي 70:596-606.


شاهد الفيديو: Photosynthesis: Comparing C3, C4 and CAM (يوليو 2021).