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从夜晚到白昼：植物如何在两个时间段内巧妙利用二氧化碳？
在干燥环境中，一些植物演化出一种独特的碳固定途径，称为「肉质植物酸代谢」（Crassulacean Acid Metabolism，简称CAM）。这种光合作用方式使得植物能够在白天进行光合作用，而夜间则进行气体交换，借此巧妙地利用二氧化碳（CO2）。这一过程不仅展示了大自然的智慧，也揭示了植物在应对极端环境下的适应能力。
CAM是一种适应性强的光合作用机制，使植物能在水源稀缺的环境中存活，并有效利用有限的二氧化碳资源。
历史背景
CAM的注解最早追溯到1804年，当时的科学家对于植物的呼吸作用及其酸性进行了观察。随着科学研究的深入，相关的研究逐渐演变，并在1940年左右首次将「肉质植物酸代谢」这一名词引入科学界。这项发现主要是基于多种植物的研究，特别是多肉植物所属的鹦鹉螺科（Crassulaceae）。
双重循环概述
CAM的过程可以分为夜间和白天两部分。在夜晚，植物的气孔打开，让二氧化碳进入，并通过与磷酸烯醇（PEP）的反应进行有机酸的固定。这些有机酸将被储存到液泡中以备日后使用。相对地，白天植物的气孔关闭，以便保持水分，然后释放储存的有机酸，这时有机酸会被再转化为二氧化碳并进入光合作用的卡尔文循环中。
好处何在
利用CAM的植物能够在白天保持大多数气孔闭合，显著减少因蒸散作用所造成的水分流失。这对在干燥环境中生存的植物而言至关重要，它们可以在水源极为有限的状况下，利用这一机制继续生长。对比之下，仅使用C3碳固定的植物会在根系吸收的水分中损失到97%左右，这无疑是一个高成本的过程。
CAM与C4代谢的比较
虽然CAM和C4两者都旨在提高RuBisCO的效率，但二者在时间和空间上的碳浓缩方式有所不同。 CAM在日间提供二氧化碳，而C4则是从结构上提高二氧化碳的浓度。此外，有些植物甚至能在同一叶片中同时进行C4和CAM光合作用，这意味着它们能够根据环境变化灵活调整碳固定的机制。
生物化学过程
在运用CAM的植物中，CO2的储存与还原过程必须在空间和时间上精确控制。夜间，植物进行气孔开放，二氧化碳进入细胞内部，经过一系列酶的催化后形成有机酸，并储存进液泡。随着日间到来，气孔关闭，存储的有机酸被转化为二氧化碳，随后参加卡尔文循环造就能量和碳水化合物的合成。
植物的多样性利用
植物利用CAM的程度有所不同，有些植物如「强CAM植物」完全依赖该机制进行光合作用，而另一些则根据环境变化，选择性地使用CAM或C3/C4机制。这表明植物的适应性与生存策略是多样且灵活的。
水生CAM的奇妙之处
令人惊讶的是，CAM光合作用并不仅存在于陆地植物中，水生植物中同样可以找到这一机制。水中二氧化碳扩散速度远慢于空气，因此一些水生植物选择在夜间储存二氧化碳，以抵抗水中竞争。这种现象在夏季尤为明显，当水中对二氧化碳的需求增高时，夜间的CO2捕获变得更加重要。
生态与分类分布
CAM的植物主要分布在多肉植物和附生植物中，这些植物在面对干旱时展现了非凡的生存策略。而许多树木，如Clusia，也展现出双重的碳固定能力，这使得它们能够根据环境的变化，自由切换光合作用机制。研究显示，CAM的演化是多次进行的，至今已有超过16,000种植物展现出这一特性。
在这样的环境适应过程中，我们不禁要思考：这些植物在生存竞争中，又是如何最大化利用有限的资源以获得优势的呢？
