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夜から昼へ: 植物はどのようにして二酸化炭素を 2 つの期間で賢く利用するのでしょうか?
乾燥した環境では、一部の植物はベンケイソウ科酸代謝 (CAM) と呼ばれる独自の炭素固定経路を進化させています。この光合成方法により、植物は日中に光合成を行い、夜間にガス交換を行うことで二酸化炭素（CO2）を賢く利用することができます。このプロセスは、自然の知恵を示すだけでなく、植物が極限環境に適応する能力を明らかにします。
CAM は、植物が水不足の環境でも生存し、限られた二酸化炭素資源を効果的に利用できるようにする適応性のある光合成メカニズムです。
歴史的背景
CAM の注釈は、科学者が植物の呼吸とその酸性度を観察した 1804 年に遡ります。科学研究の深化に伴い、関連研究も徐々に発展し、1940 年頃には「多肉植物の酸代謝」という用語が初めて科学界に導入されました。この発見は主に、さまざまな植物、特に多肉植物が属するオウムガイ科（ベンケイソウ科）の研究に基づいています。
ダブルサイクルの概要
CAM プロセスは、夜間と日中の 2 つの部分に分けることができます。夜になると、植物の気孔が開き、二酸化炭素が侵入し、エノールリン酸（PEP）との反応によって有機酸が固定されます。これらの有機酸は、後で使用するために液胞に保存されます。対照的に、日中は、植物の気孔が閉じて水分を保持し、次に貯蔵された有機酸を放出します。その後、有機酸は二酸化炭素に再変換され、光合成のカルビンサイクルに入ります。
メリットは何ですか
CAM を使用する植物は、日中ほとんどの気孔を閉じた状態に保つことができ、蒸発散による水分の損失を大幅に削減できます。これは乾燥した環境に生息する植物にとって非常に重要であり、水が非常に限られている場合でも成長を続けることができます。対照的に、C3 炭素固定のみを使用する植物は、根が吸収する水の約 97% を失いますが、これは間違いなく高コストのプロセスです。
CAM と C4 の代謝の比較
CAM と C4 は両方とも RuBisCO の効率を高めるように設計されていますが、時間と空間で炭素を集中させる方法が異なります。 CAMは日中に二酸化炭素を供給しますが、C4は構造的に二酸化炭素の濃度を高めます。さらに、一部の植物は同じ葉内で C4 光合成と CAM 光合成を同時に行うことができ、環境の変化に応じて炭素固定機構を柔軟に調整できることを意味します。
生化学プロセス
CAM を使用するプラントでは、CO2 の貯蔵と削減のプロセスを空間と時間で正確に制御する必要があります。夜になると、植物は気孔を開き、一連の酵素によって触媒された後、二酸化炭素が細胞に入り、有機酸が形成され、液胞に蓄えられます。日が近づくと気孔が閉じ、貯蔵されていた有機酸が二酸化炭素に変換され、カルビン回路に参加してエネルギーと炭水化物の合成が行われます。
植物の多様性利用
植物が CAM を使用する程度は異なります。「強い CAM 植物」など、光合成をこのメカニズムに完全に依存する植物もあれば、環境の変化に応じて CAM または C3/C4 メカニズムを選択的に使用する植物もあります。このことは、植物の適応力と生存戦略が多様かつ柔軟であることを示しています。
水生 CAM の驚異
驚くべきことに、CAM 光合成は陸生植物にだけ存在するのではなく、このメカニズムは水生植物にも見られます。二酸化炭素は空気中よりも水中での拡散がはるかに遅いため、一部の水生植物は水中での競争に抵抗するために夜間に二酸化炭素を蓄えることを選択します。この現象は、水中の二酸化炭素の需要が増加する夏に特に顕著であり、夜間の二酸化炭素回収がさらに重要になります。
生態学と分類学的分布
CAM の植物は主に多肉植物と着生植物に分布しており、干ばつに直面しても驚異的な生存戦略を示します。クルーシアなどの多くの樹木は二重炭素固定機能も示しており、環境の変化に応じて光合成機構を自由に切り替えることができます。研究によると、CAMは複数回進化し、これまでに16,000以上の植物種がこの特性を示しています。
このような環境適応の過程で、私たちは考えずにはいられません。これらの植物は、生存競争で優位に立つために、限られた資源をどのように最大限に利用しているのでしょうか?
