В засушливой среде у некоторых растений развился уникальный путь фиксации углерода, называемый метаболизмом крассуловой кислоты (CAM). Этот метод фотосинтеза позволяет растениям осуществлять фотосинтез днем и осуществлять газообмен ночью, тем самым умело утилизируя углекислый газ (CO2). Этот процесс не только демонстрирует мудрость природы, но и раскрывает способность растений адаптироваться к экстремальным условиям.
CAM — это адаптируемый механизм фотосинтеза, который позволяет растениям выживать в условиях нехватки воды и эффективно использовать ограниченные ресурсы углекислого газа.
Аннотация САМ датируется 1804 годом, когда ученые наблюдали дыхание растений и их кислотность. По мере углубления научных исследований соответствующие исследования постепенно развивались, и примерно в 1940 году в научное сообщество впервые был введен термин «кислотный метаболизм суккулентных растений». Это открытие основано главным образом на изучении множества растений, особенно семейства Nautilus (Crassulaceae), к которому относятся суккуленты.
Процесс CAM можно разделить на две части: ночь и день. Ночью устьица растения открываются, позволяя углекислому газу проникать и фиксировать органические кислоты в результате реакции с енолфосфатом (ПЭП). Эти органические кислоты будут храниться в вакуоли для дальнейшего использования. Напротив, в течение дня устьица растения закрываются, чтобы удерживать влагу, а затем выделять накопленные органические кислоты, которые затем снова превращаются в углекислый газ и вступают в цикл фотосинтеза Кальвина.
Растения, использующие CAM, могут держать большую часть устьиц закрытыми в течение дня, что значительно снижает потерю воды из-за эвапотранспирации. Это имеет решающее значение для растений, живущих в засушливой среде, позволяя им продолжать расти даже при крайне ограниченном количестве воды. Напротив, растения, использующие только фиксацию углерода C3, потеряют около 97% воды, поглощенной корнями, что, несомненно, является дорогостоящим процессом.
Хотя и CAM, и C4 предназначены для повышения эффективности RuBisCO, они различаются тем, как концентрируют углерод во времени и пространстве. CAM обеспечивает углекислый газ в течение дня, а C4 структурно увеличивает концентрацию углекислого газа. Кроме того, некоторые растения могут даже одновременно осуществлять фотосинтез C4 и CAM в одном и том же листе, а это означает, что они могут гибко регулировать свой механизм фиксации углерода в соответствии с изменениями окружающей среды.
На предприятиях, использующих CAM, процессы хранения и снижения выбросов CO2 должны точно контролироваться в пространстве и времени. Ночью растения открывают устьица, и углекислый газ попадает в клетки. Под действием ряда ферментов органические кислоты образуются и сохраняются в вакуолях. С наступлением дня устьица закрываются, и накопленные органические кислоты превращаются в углекислый газ, который затем участвует в цикле Кальвина для создания энергии и синтеза углеводов.
Степень, в которой растения используют САМ, варьируется. Некоторые растения, такие как «сильные растения САМ», полностью полагаются на этот механизм фотосинтеза, в то время как другие выборочно используют механизм САМ или C3/C4 в зависимости от изменений окружающей среды. Это показывает, что стратегии адаптации и выживания растений разнообразны и гибки.
Удивительно, но фотосинтез САМ существует не только у наземных растений, но этот механизм можно обнаружить и у водных растений. Углекислый газ диффундирует в воде гораздо медленнее, чем в воздухе, поэтому некоторые водные растения предпочитают хранить углекислый газ ночью, чтобы противостоять конкуренции в воде. Это явление особенно заметно летом, когда потребность в углекислом газе в воде увеличивается, а улавливание CO2 в ночное время становится еще более важным.
Растения CAM в основном распространены среди суккулентов и эпифитов, которые демонстрируют необычайные стратегии выживания в условиях засухи. Многие деревья, такие как Клузия, также обладают способностью к двойной фиксации углерода, что позволяет им свободно переключать механизмы фотосинтеза в соответствии с изменениями окружающей среды. Исследования показывают, что CAM эволюционировал несколько раз, и на данный момент эту характеристику демонстрируют более 16 000 видов растений.
В процессе такой адаптации к окружающей среде мы не можем не задуматься: как этим растениям максимально эффективно использовать ограниченные ресурсы, чтобы получить преимущества в борьбе за выживание?