素晴らしい開花：サボテンは砂漠で繁栄することができるいくつかの植物種の一つです。 アラン・レヴィン／フリッカー, のCC BY-SA
光合成の過程で植物によって利用される日光は、地球上のほとんどすべての生命を動かします。 特別な適応により、日中の光合成で使用するために特定の植物が一晩に二酸化炭素を貯めることができ、乾燥した砂漠の状況でジューシーな利点をもたらします。
成長、修復、移動、繁殖など、生命を構成するプロセスはすべてエネルギー源を必要とします。 多くの生物にとってこのエネルギーの直接の源は化学エネルギーです。
糖や脂肪などの高エネルギーの炭素ベースの分子は、生命のプロセスを促進するために分解されます。 これらの高エネルギー分子は自然に環境中には発生しません。 人間のような恥ずかしがり屋で不正な生物は、食べることによって他の生物から高エネルギー分子を盗むことに頼っています。 しかし、結局のところ、故障したものを置き換えるにはもっと高エネルギーの分子が必要です。
砂糖や脂肪は残念ながら宇宙から降りませんが、エネルギーが豊富な光子（次善の策）は、太陽光の形で降ります。 植物や藻類など、私たちより責任ある生物が光合成を行います。 このプロセスは太陽光からのエネルギーを使用して、それらの分解廃棄物である二酸化炭素（CO）から高エネルギー分子を再生します。2これは、すべての生物によって絶えず大気中に放出されています。
光合成の最も一般的な形では、CO2 植物の表面の小さい気孔を介して日中に葉に取り込まれます。 それはそれから化学エネルギーの源として使用されるために - 植物によって、またはそれを食べる動物によって - 、直射日光からのエネルギーを使用して直接糖分子に付着、または「固定」されます。
小さな孔は二酸化炭素を葉の中に入れます - しかしまた酸素を出し入れします。 フォトハウンド
しかしCOを取得2 状況によっては、大気からの放出が問題になることがあります。 植物表面の孔をあけるとCOができる2 中だけでなく、酸素を出し入れします。 水分の損失は乾燥した環境で問題になります - 特に日中はCOです。2 光合成に必要です。
さらに、暑い環境では、植物は酸素とCOを区別することができません。2 そして実際には糖分子に酸素を付着させることになりかねません。 酸素分子がいったん糖に固定されると、それは多大なエネルギーコストで再び賞賛されなければならず、植物が光合成から獲得することができる純エネルギーを減少させる。
効率のための二酸化炭素電池
大気中のCOを直接固定しないいくつかの植物群が進化してきました2 糖を作るが、COをつける2 貯蔵、輸送、分解してCOを放出する可能性のある他の分子に2 電池のように。 これは水分の損失と偶発的な酸素固定の問題を回避します。
この能力を利用するために、2つの代替戦略が進化してきました。COの濃度を操作するC4光合成2 宇宙で、そしてCAM光合成、それは時間の中で集中を操作します。
C4の光合成は7,600種によって行われ、それらのほとんどはトウモロコシやモロコシを含む草です。 それは持っています 少なくとも60回独立して進化したそれでも、植物種の0.5％未満にしか存在しません。 暑い環境では非常に競争が激しいが、炭素貯蔵に関連するエネルギーコストは、従来の光合成を行う植物がより低い温度で優位性を持つことを意味する。
C4光合成は大気中のCOを固定するために特別な酵素を使用します2 酸の上に。 この酵素はCOを区別するのがはるかに優れています2 そして伝統的な光合成で使われる古典的な酵素より酸素。 酸は、酸素濃度がはるかに低い植物の奥深くまで運ばれ、CO2 再リリースされます。 この低酸素環境では、植物は酸素固定ミスを少なくし、光合成の効率を高めます。 このラウンドアバウトな光合成のやり方には精力的なコストがありますが、これは暑い環境での高価な酸素固定の減少によって相殺される以上のものです。
サボテンとパイナップルの植物はジューシーなままにするためにCAM光合成を使います。 hiyori13 / Flickr, のCC BY-SA
もう1つの代替的な種類の光合成は、CAM、またはC4光合成より少なくとも150百万年前のCrassulacean Acid Metabolismである。 これは。。。でした Crassulaファミリーで最初に発見された 植物の 多くの系統で独立して進化した 9,000種の上に合計植物の。
C4プラントと同様に、CAMにもCOが格納されています。2 酸の中では、それは夜にこの反応を行い、そして酸分子を植物の異なる部分に輸送するのではなく、単にそれらを液胞（各植物細胞の中心の貯蔵領域）に貯蔵する。 日中、光合成に必要な光が利用可能であるとき、植物はその孔を開ける必要はありません：それはすでにそのセルに格納されているランチパックを持っています。 これにより、植物は日中に気孔を開かずに光合成を行うことができ、水の損失量を大幅に減らすことができます。
サボテンやパイナップルなどのCAM植物は、暑い環境にもかかわらず、多肉植物や水っぽいままでいることができます。ただし、CAMやC4の光合成によって解決される問題はそれほど深刻ではありません。 COの貯留と再放出2 植物は暑いか乾燥した環境で彼らの伝統的に光合成のいとことだけ競争力があることを意味します。
したがって、CAMプラントを見つけることが期待できる最後の場所は、おそらく水中であり、すべての理由からかなり濡れた環境です。 それゆえ、CAMが 湖沼植物Isoetesで最初に報告された 続いての発見 水生植物の他の4属.
Isoetes属の小さな水生植物は、水中の世界で二酸化炭素を濃縮するためにCAMを実行します。 アメリカの魚類野生生物局
非常に異なる環境にもかかわらず、湖や砂漠の植物は最終的に同じ問題を共有しています。2。 COが多いうちに2 水に溶けることができ、それは空気中よりもはるかにゆっくりと拡散するので、植物の周りの水はCOが枯渇することができます2。 水生植物は、COを吸収し続けることができるようにCAM光合成を進化させました2 夜には、日中に獲得できるものを補うためにそれを使用します。
を目指した研究に加えて C4の光合成をイネに導入する気候変動によって引き起こされた干ばつをよりよく生き残ることができるように、CAM光合成を実行するために作物を改良することに大きな関心が寄せられています。
著者について
ダニエル・ウッド、植物生物学博士課程、 シェフィールド大学
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