20 – годишен експеримент разклати познанията ни за фотосинтеза

Растенията поглъщат въглерода от атмосферата чрез една от двете версии на фотосинтеза, известни като C3 и C4. Научните изводи около тези алтернативни пътища се смятаха от дълго време за известни, но сега нови изследвания показват, че схващанията по темата може да са били погрешни.

Установено е, че първата версия, С3, е била най-чувствителна към екологичните нива на въглероден диоксид (CO2) и че растенията, които я използват, ще произвеждат повече биомаса, когато тези нива се покачват.

Резултатите от 20-годишен експеримент обаче разкриват, че увеличаването на биомасата е само краткотраен ефект, който се изчерпва бързо и изчезва в по-дълъг период от време.

Констатациите, публикувани в списание Science, имат важни последици за нашата възможност да прогнозираме пълното екологично въздействие на повишаването на нивата на CO2 и последващото изменение на климата.

Около 90% от растенията се характеризират с C3-фиксация на въглероден диоксид, при която въглеродът от въглеродния диоксид се превръща в захар чрез съдържащ мед ензим, наречен рибулоза-1,5-бисфосфат карбоксилаза / оксигеназа (РуБисКО).

С3 са голямата част от растителните видове, включително повечето дървета и основни култури, като ориз и пшеница.

За разлика от тях, растенията имащи фотосинтеза тип C4, съставляват по-малка част от видовете. Те обаче представляват 25% от световната биомаса, тъй като са изключително изобилни. Царевицата, захарната тръстика и повечето треви са C4 растения. При тях процесът на химично свързване на въглероден диоксид е известен като C4-фиксация, а съответните растения се означават като C4-растения.

Реакцията на фиксация протича в клетките на мезофила, където въглеродният диоксид се свързва с молекула фосфоенолпируват с помощта на ензима фосфоенолпируваткарбоксилаза. Продуктът на биохимичната реакция е оксалоцетна киселина, притежаваща четири въглеродни атома и даваща името на този тип фиксация. В класическия си вид C4-фиксацията продължава с редуциране на оксалоцетната киселина до ябълчена киселина (означавана в биохимията и като малат).

Ябълчената киселина се транспортира до клетките на дихателните снопчета, където се локализират ензимите от цикъла на Калвин и РуБисКО. Веднъж достигнал дихателните снопчета, малатът се декарбоксилира до пируват, а отделеният въглероден диоксид се поема от ензима РуБисКО и аналогично на C3-фиксация навлиза в цикъла на Калвин.

C4 растенията насищат РуБисКО с висока концентрация на въглероден диоксид, докато C3 растенията не правят това. Поради тази причина се смяташе, че растенията С3 трябва да бъдат по-чувствителни към атмосферните нива на CO2 и че увеличенията на тези атмосферни равнища СО2 ще предизвикат по-силен растеж.

Голяма част от експерименталните доказателства подкрепят този извод, казва водещият автор на последното проучване Питър Райх от Университета на Минесота, САЩ.

„Това е толкова близо до парадигма или истинност в екологията на растенията и така се възприемаше досега“, казва той.
Опитите, на чиято база се изваждаха доказателствата обаче, се основаваха само на кратки времеви скали. Затова, преди две десетилетия Райх и неговите колеги започват нов експеримент, който днес е един от най-продължителните екологични експерименти в света.

Засадени са били многобройни парцели с треви осъществяващи фотосинтеза от тип C3 и C4. Част от тях са били изложени на атмосферен CO2, а останалите са изложени на повишени нива СО2. При последните въздухът е бил обогатен с допълнителен въглероден диоксид изпускан от тръби, като ефективно растенията са били излагани на нива, очаквани на Земята до 2080 година.

В началото не се случва нищо интересно. За 12 години растенията C3 са реагирали стабилно на по-високия CO2, като са увеличили общата си биомаса с 20%, докато C4 растенията едва са регистрирали разликата.

Въпреки това, през следващите осем години нещата се променят. При по-високи емисии на СО2, С3 растенията са спрели да растат по-добре от техните околни еквиваленти, докато растенията С4 са увеличили с 24% биомасата си.

Това е напълно безпрецедентно,

казва Райх.

Любопитно е, че степента на фотосинтеза не обяснява обратния ход. Вместо това растенията C4 правят почвата по-плодородна, което води до по-добър растеж, докато C3 растенията са направили обратния ефект.

Растенията се нуждаят от азот, за да растат, а микробите в почвата разрушават живата и мъртвата биоматерия и осигуряват азот във форма, която растенията могат да усвояват. При дългосрочно високо съдържание на CO2 този процес се засилва в почвата около C4 растенията и се потиска около C3 растенията.

Райх и колегите му, не могат да обяснят какво причинява това, но възнамеряват да разберат. Те подозират, че с течение на времето високият CO2 причинява C4 растения и C3 растения да променят микробните съобщества в почвата по различен начин и в зависимост от това кои микроби са предпочитани, това ускорява цикъла на хранителните вещества или го забавя.

Роберт Фурбанк, директор на Центъра за върхови постижения и изследвания на фотосинтезата от Канбера, Австралия, който не е участвал в проучването, казва, че констатациите са изненадващи.

„Нещо се случва под земята, което оказва голямо влияние върху растежа на растенията“, казва той. Според него, изследването поставя повече въпроси, отколкото дава отговори, но е изключително интересно.