Φυτά CAM: Επιβίωση στην έρημο

Υπάρχουν πολλοί μηχανισμοί που λειτουργούν πίσω από την ανοχή στην ξηρασία στα φυτά, αλλά μια ομάδα φυτών διαθέτει έναν τρόπο να το χρησιμοποιήσει που του επιτρέπει να ζει σε συνθήκες χαμηλού νερού και ακόμη και σε άνυδρες περιοχές του κόσμου όπως το έρημος. Αυτά τα φυτά ονομάζονται φυτά μεταβολισμού οξέος Crassulacean ή φυτά CAM. Παραδόξως, πάνω από το 5% όλων των αγγειακών φυτικών ειδών χρησιμοποιούν το CAM ως φωτοσυνθετικό μονοπάτι τους και άλλα μπορεί να εμφανίζουν δραστηριότητα CAM όταν χρειάζεται. Το CAM δεν είναι μια εναλλακτική βιοχημική παραλλαγή, αλλά ένας μηχανισμός που επιτρέπει σε ορισμένα φυτά να επιβιώσουν σε ξηρές περιοχές. Μπορεί, στην πραγματικότητα, να είναι μια οικολογική προσαρμογή.

Παραδείγματα φυτών CAM, εκτός από τον προαναφερθέντα κάκτο (οικογένεια Cactaceae), είναι ο ανανάς (οικογένεια Bromeliaceae), η αγαύη (οικογένεια Agavaceae), ακόμη και ορισμένα είδη Πελαργόνιο (τα γεράνια). Πολλές ορχιδέες είναι επιφυτικά και επίσης φυτά CAM, καθώς βασίζονται στις εναέριες ρίζες τους για απορρόφηση νερού.

Η ανακάλυψη φυτών CAM ξεκίνησε με έναν μάλλον ασυνήθιστο τρόπο όταν οι Ρωμαίοι ανακάλυψαν ότι κάποιο φυτό Τα φύλλα που χρησιμοποιήθηκαν στη διατροφή τους είχαν πικρή γεύση εάν συγκομίστηκαν το πρωί, αλλά δεν ήταν τόσο πικρά εάν συγκομίστηκαν αργότερα η μέρα. Ένας επιστήμονας με το όνομα Benjamin Heyne παρατήρησε το ίδιο πράγμα το 1815 ενώ δοκιμάζει Bryophyllum calycinum, ένα φυτό στην οικογένεια Crassulaceae (ως εκ τούτου, το όνομα "μεταβολισμός οξέος Crassulacean" για αυτήν τη διαδικασία). Γιατί έτρωγε το φυτό είναι ασαφές, καθώς μπορεί να είναι δηλητηριώδες, αλλά προφανώς επέζησε και τόνισε την έρευνα για το γιατί συνέβαινε αυτό.

Λίγα χρόνια πριν, ωστόσο, ένας Ελβετός επιστήμονας με το όνομα Nicholas-Theodore de Saussure έγραψε ένα βιβλίο με το όνομα Recherches Chimiques sur la Vegetation (Χημική έρευνα φυτών). Θεωρείται ως ο πρώτος επιστήμονας που τεκμηριώνει την παρουσία του CAM, καθώς αυτός έγραψε το 1804 ότι η φυσιολογία της ανταλλαγής αερίων σε φυτά όπως ο κάκτος διέφερε από εκείνη στα φυτά με λεπτά φύλλα.

Τα φυτά CAM διαφέρουν από τα "κανονικά" φυτά (που ονομάζονται C3 φυτά) στο πώς αυτοί φωτοσύνθεση. Στην κανονική φωτοσύνθεση, η γλυκόζη σχηματίζεται όταν διοξείδιο του άνθρακα (CO2), νερό (H2O), φως και ένα ένζυμο που ονομάζεται Ο Rubisco συνεργάζεται για τη δημιουργία οξυγόνου, νερού και δύο μορίων άνθρακα που περιέχουν τρεις άνθρακες το καθένα (εξ ου και το όνομα C3). Αυτή είναι πραγματικά μια αναποτελεσματική διαδικασία για δύο λόγους: χαμηλά επίπεδα άνθρακα στην ατμόσφαιρα και η χαμηλή συγγένεια που έχει το Rubisco για το CO2. Επομένως, τα φυτά πρέπει να παράγουν υψηλά επίπεδα Rubisco για να «αρπάξουν» όσο περισσότερο CO2 μπορεί. Το αέριο οξυγόνο (O2) επηρεάζει επίσης αυτήν τη διαδικασία, επειδή κάθε Rubisco που δεν χρησιμοποιείται οξειδώνεται από το O2. Όσο υψηλότερα είναι τα επίπεδα αερίου οξυγόνου στο εργοστάσιο, τόσο μικρότερο είναι το Rubisco. Επομένως, ο λιγότερο άνθρακας εξομοιώνεται και μετατρέπεται σε γλυκόζη. Τα φυτά C3 αντιμετωπίζουν αυτό διατηρώντας τα δικά τους στομάτα ανοιχτό κατά τη διάρκεια της ημέρας για να συγκεντρώσει όσο το δυνατόν περισσότερο άνθρακα, παρόλο που μπορεί να χάσει πολύ νερό (μέσω διαπνοής) στη διαδικασία.

Τα φυτά στην έρημο δεν μπορούν να αφήσουν τα στομάτα τους ανοιχτά κατά τη διάρκεια της ημέρας επειδή θα χάσουν πάρα πολύ πολύτιμο νερό. Ένα φυτό σε ξηρό περιβάλλον πρέπει να συγκρατεί όλο το νερό που μπορεί! Έτσι, πρέπει να ασχοληθεί με τη φωτοσύνθεση με διαφορετικό τρόπο. Τα φυτά CAM πρέπει να ανοίγουν τα στοματικά τη νύχτα όταν υπάρχει λιγότερη πιθανότητα απώλειας νερού μέσω διαπνοής. Το εργοστάσιο μπορεί να συνεχίσει να λαμβάνει CO2 τη νύχτα. Το πρωί, το μηλικό οξύ σχηματίζεται από το CO2 (θυμηθείτε την πικρή γεύση που ανέφερε ο Heyne;) και το οξύ αποκαρβοξυλιώνεται (διασπάται) σε CO2 κατά τη διάρκεια της ημέρας υπό κλειστές στοματικές συνθήκες. Το CO2 μετατρέπεται στη συνέχεια στους απαραίτητους υδατάνθρακες μέσω του Κύκλος Calvin.

Η έρευνα διεξάγεται ακόμη σχετικά με τις λεπτές λεπτομέρειες του CAM, συμπεριλαμβανομένης της εξελικτικής ιστορίας και της γενετικής βάσης. Τον Αύγουστο του 2013, πραγματοποιήθηκε στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις στο Urbana-Champaign, ένα συμπόσιο για τη βιολογία φυτών C4 και CAM. τη δυνατότητα χρήσης εγκαταστάσεων CAM για πρώτες ύλες παραγωγής βιοκαυσίμων και για περαιτέρω διευκρίνιση της διαδικασίας και της εξέλιξης ΕΚΚΕΝΤΡΟ.