Zawartość
Fotosynteza to proces wykorzystujący wodę, dwutlenek węgla (CO2) i energię słoneczną do syntezy cukrów. Przeprowadza go wiele roślin, glonów i bakterii. U roślin i glonów fotosynteza zachodzi w specjalnych częściach komórki zwanych chloroplastami; znajduje się w liściach i łodygach. Podczas gdy większość roślin wykonuje tak zwaną fotosyntezę C3, rośliny, które przystosowały się do gorących środowisk, wykonują zmodyfikowaną formę zwaną fotosyntezą C4.
C4 Fotosynteza
W tego rodzaju fotosyntezie środowiskowy CO2 jest najpierw włączany do kwasów 4-węglowych w komórkach zwanych mezofilami. Kwasy te są transportowane do innych komórek, zwanych wiązkami komórek płaszcza. W tych komórkach reakcja jest odwrócona, CO2 jest uwalniany, a następnie wykorzystywany w normalnym szlaku fotosyntetycznym (C3). Włączenie CO2 do związków 3-węglowych jest katalizowane przez enzym znany jako Rubisco.
Zalety fotosyntezy C4
W gorącym i suchym otoczeniu fotosynteza C4 jest bardziej wydajna niż fotosynteza C3. Wynika to z dwóch powodów. Pierwszym z nich jest to, że system nie podlega fotooddychaniu, procesowi, który działa wbrew fotosyntezie (patrz poniżej). Drugim jest to, że rośliny mogą utrzymywać zamknięte pory przez dłuższy czas, unikając w ten sposób utraty wody.
Fotooddychanie
Jest to proces, w którym zamiast dodawać CO2 do rosnącego cukru, Rubisco dodaje tlen. W sytuacjach, w których fotosynteza zachodzi szybko (w wysokiej temperaturze, przy wysokim poziomie światła lub w obu przypadkach), dostępnych jest tak dużo O2, że ta reakcja staje się znaczącym problemem. Rośliny C4 rozwiązują ten problem, utrzymując wysokie stężenie CO2 w odpowiedniej części liścia (komórki osłonki wiązki).
Utrata wody
Rośliny wymieniają gazy, CO2 i O2 ze swoim środowiskiem przez pory zwane szparkami. Gdy aparaty szparkowe są otwarte, CO2 może dyfundować do wykorzystania w fotosyntezie i O2, produkt fotosyntezy może dyfundować. Jednak gdy szparki są otwarte, roślina traci również wodę z powodu transpiracji, a problem ten nasila się w gorącym i suchym klimacie. Rośliny, które wykonują fotosyntezę C4, mogą utrzymywać zamknięte aparaty szparkowe bardziej niż ich odpowiedniki C3, ponieważ są bardziej wydajne we wprowadzaniu CO2. To minimalizuje ich utratę wody.
Niedogodności
Chociaż fotosynteza C4 jest wyraźnie korzystna w gorącym i suchym klimacie, nie dotyczy to chłodnych i wilgotnych klimatów. Wynika to z faktu, że fotosynteza C4 jest bardziej złożona: ma więcej kroków i wymaga specjalistycznej anatomii. Z tego powodu, o ile fotooddychanie lub utrata wody nie stanowią poważnych problemów, fotosynteza C3 jest bardziej skuteczna. Dlatego większość roślin wykonuje fotosyntezę C3.