Language
Country/Area
No result found
Từ đêm sang ngày: Làm thế nào thực vật sử dụng carbon dioxide một cách khéo léo trong hai khoảng thời gian?
Trong môi trường khô ráo, một số loài thực vật đã phát triển một con đường cố định carbon độc đáo được gọi là Chuyển hóa Axit Crassulacean (CAM). Phương pháp quang hợp này cho phép thực vật thực hiện quang hợp vào ban ngày và thực hiện trao đổi khí vào ban đêm, từ đó sử dụng khéo léo carbon dioxide (CO2). Quá trình này không chỉ thể hiện sự khôn ngoan của thiên nhiên mà còn bộc lộ khả năng thích ứng của thực vật với môi trường khắc nghiệt.
CAM là một cơ chế quang hợp có khả năng thích ứng, cho phép thực vật tồn tại trong môi trường khan hiếm nước và sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên carbon dioxide hạn chế.
Bối cảnh lịch sử
Chú thích của CAM có từ năm 1804, khi các nhà khoa học quan sát quá trình hô hấp của thực vật và tính axit của nó. Với sự đi sâu của nghiên cứu khoa học, các nghiên cứu liên quan dần dần phát triển và vào khoảng năm 1940, thuật ngữ "chuyển hóa axit thực vật mọng nước" lần đầu tiên được đưa vào cộng đồng khoa học. Khám phá này chủ yếu dựa trên nghiên cứu về nhiều loại thực vật, đặc biệt là họ Nautilus (Crassulaceae) thuộc họ mọng nước.
Tổng quan về chu kỳ kép
Quy trình CAM có thể được chia thành hai phần: đêm và ngày. Vào ban đêm, khí khổng của cây mở ra, cho phép carbon dioxide xâm nhập và cố định axit hữu cơ thông qua phản ứng với enol phosphate (PEP). Những axit hữu cơ này sẽ được lưu trữ trong không bào để sử dụng sau này. Ngược lại, vào ban ngày, khí khổng của cây đóng lại để giữ độ ẩm và sau đó giải phóng các axit hữu cơ dự trữ, sau đó được chuyển hóa trở lại thành carbon dioxide và tham gia vào chu trình quang hợp Calvin.
Lợi ích là gì
Thực vật sử dụng CAM có thể đóng hầu hết các khí khổng trong ngày, giảm đáng kể lượng nước mất đi do thoát hơi nước. Điều này rất quan trọng đối với những cây sống trong môi trường khô ráo, cho phép chúng tiếp tục phát triển ngay cả khi lượng nước cực kỳ hạn chế. Ngược lại, thực vật chỉ sử dụng quá trình cố định carbon C3 sẽ mất khoảng 97% lượng nước được rễ hấp thụ, đây chắc chắn là một quá trình tốn kém.
So sánh quá trình trao đổi chất CAM và C4
Mặc dù cả CAM và C4 đều được thiết kế để tăng hiệu suất của RuBisCO, nhưng chúng khác nhau ở cách tập trung carbon theo thời gian và không gian. CAM cung cấp carbon dioxide trong ngày, trong khi C4 có cấu trúc làm tăng nồng độ carbon dioxide. Ngoài ra, một số cây thậm chí có thể thực hiện đồng thời quá trình quang hợp C4 và CAM trên cùng một lá, nghĩa là chúng có thể điều chỉnh linh hoạt cơ chế cố định carbon theo sự thay đổi của môi trường.
Các quá trình sinh hóa
Trong các nhà máy sử dụng CAM, quá trình lưu trữ và khử CO2 phải được kiểm soát chính xác về không gian và thời gian. Vào ban đêm, thực vật mở khí khổng và carbon dioxide đi vào tế bào. Sau khi được xúc tác bởi một loạt enzyme, axit hữu cơ được hình thành và lưu trữ trong không bào. Khi ngày đến, khí khổng đóng lại và các axit hữu cơ dự trữ được chuyển hóa thành carbon dioxide, sau đó tham gia vào chu trình Calvin để tạo ra năng lượng và tổng hợp carbohydrate.
Sử dụng đa dạng cây trồng
Mức độ sử dụng CAM của thực vật là khác nhau. Một số thực vật, chẳng hạn như "thực vật CAM mạnh", hoàn toàn dựa vào cơ chế quang hợp này, trong khi những thực vật khác sử dụng có chọn lọc cơ chế CAM hoặc C3/C4 tùy theo sự thay đổi của môi trường. Điều này cho thấy khả năng thích ứng và chiến lược sinh tồn của thực vật rất đa dạng và linh hoạt.
Sự kỳ diệu của CAM thủy sinh
Đáng ngạc nhiên là quá trình quang hợp CAM không chỉ tồn tại ở thực vật trên cạn mà cơ chế này còn có thể được tìm thấy ở thực vật thủy sinh. Carbon dioxide khuếch tán trong nước chậm hơn nhiều so với trong không khí, vì vậy một số thực vật thủy sinh chọn cách lưu trữ carbon dioxide vào ban đêm để chống lại sự cạnh tranh trong nước. Hiện tượng này đặc biệt rõ ràng vào mùa hè, khi nhu cầu về carbon dioxide trong nước tăng lên và việc thu giữ CO2 vào ban đêm càng trở nên quan trọng hơn.
Sinh thái và phân bố phân loại
Thực vật CAM phân bố chủ yếu trong các loài mọng nước và thực vật biểu sinh, chúng thể hiện các chiến lược sinh tồn phi thường khi đối mặt với hạn hán. Nhiều cây, chẳng hạn như Clusia, cũng thể hiện khả năng cố định carbon kép, cho phép chúng tự do chuyển đổi cơ chế quang hợp tùy theo sự thay đổi của môi trường. Nghiên cứu cho thấy CAM đã tiến hóa nhiều lần, cho đến nay đã có hơn 16.000 loài thực vật biểu hiện đặc điểm này.
Trong quá trình thích ứng với môi trường như vậy, chúng ta không thể không nghĩ: Làm thế nào để những loài thực vật này tận dụng tối đa nguồn tài nguyên hạn chế để đạt được lợi thế trong cuộc cạnh tranh sinh tồn?
