Fotosyntesen

Konsentrasjonen av CO₂ i atmosfæren i dag er historisk lav. Det meste dyre- og plante-liv på jorda ble utviklet da atmosfæren hadde en langt høyere CO₂-konsentrasjon (mellom 1000 og 2000 ppm.) enn dagens 400+ ppm. Det er grønne planter som ved hjelp av sollys omdanner karbondioksidmolekyler (CO₂) og vannmolekyler (H₂O) til karbohydrater. Dette gjør at vi mennesker og dyr kan eksistere. Ett oksygenmolekyl (O₂) frigjøres for hvert CO₂-molekyl som finnes i et karbohydrat. Rikelig med oksygen er gunstig for de fleste dyr. På grunn av dagens lave CO₂-nivåer begrenser imidlertid oksygen den fotosyntetiske effektiviteten til C3-planter, som inkluderer alle trær og mange viktige landbruksplanter.

 

Landplanter får det karbonet de trenger fra CO₂ i luften. De fleste planter får andre viktige næringsstoffer - vann, nitrogen, fosfor, kalium osv - fra jorda. På samme måte som planter vokser bedre i gjødslet, godt vannet jord, vokser de også bedre i luft med CO₂-konsentrasjoner som er flere ganger høyere enn dagens verdier.

 

De nåværende lave CO₂-nivåene har avslørt en designfeil som naturen gjorde for milliarder av år siden da den først utviklet enzymet ribulose-1,5-bisfosfatkarboksylase / oksygenase, eller forkortet "RuBisCO".  RuBisCO er det mest brukte proteinet i verden og grunnlaget for alt liv. Ved å bruke energimolekyler, hovedsakelig adenosintrifosfat (ATP), produsert av sollys, omdanner RuBisCO CO₂ til det enkle karbohydratmolekylet, 3-fosfoglyseraldehyd (3-PGA). Anleggets biokjemiske maskineri omdanner deretter 3-PGA-molekylene til sukker, stivelse, aminosyrer og alle de andre kjemikaliene som trengs for å skape liv. Bokstaven "C" i kallenavnet RuBisCO står for "karboksylase" i det fulle navnet, noe som minner om RuBisCOs designmål: CO₂.

Geologiske bevis tyder på at RuBisCO begynte å spille sin nøkkelrolle i fotosyntesen for rundt tre milliarder år siden, da det var rikelig med CO₂ og svært lite O₂ i atmosfæren. Ved dagens lave nivåer av atmosfærisk CO₂ kan planter konsumere mye av tilgjengelig CO₂ i fullt sollys. Denne CO₂-utarmingen betyr problemer for plantene. Bokstaven "O" i kallenavnet RuBisCO står for "oksygenase" i det fulle navnet, som minner oss om at et alternativt mål for RuBisCO er oksygenmolekylet: O₂. Dersom RuBisCO, som er ladet med kjemisk energi fra ATP, ikke raskt finner et CO₂-molekyl, vil det nøye seg med et O₂-molekyl og produsere giftige biprodukter....f.eks. hydrogenperoksid .... i stedet for nyttige karbohydrater. Denne "fotooksidasjonen" er et alvorlig problem. Ved dagens lave CO₂-nivåer og høye O₂-nivåer fører det til en reduksjon av fotosynteseeffektiviteten med ca. 25 % i C3-planter, som inkluderer hovedvekstene: hvete, ris, soyabønner, bomull og mange andre. Siden 3-PGA, det første molekylet syntetisert fra CO₂, har tre karbonatomer, sies slike planter å ha en "C3-fotosyntesevei".

Fig.1. Evolusjons-frembrakt RuBisCO for å katalysere inkorporering av CO2 og H2O i organiske karbohydratmolekyler. Men hvis CO2-nivåene er lave i forhold til geologisk historie, slik de er i dag, vil RuBisCO av og til bruke et O2-molekyl i stedet for å lage forskjellige giftige biprodukter i "foto-respirasjonsprosessen".

[Kilde: rubiscopixeslife.blogspot]

 

Det lave CO₂-nivået de siste mange millioner årene har drevet utviklingen av C4-planter (som mais og sukkerrør), som takler oksygen ved å beskytte RuBisCO inne i "bunnsliren". CO₂-molekyler transporteres inn i bunnkjeden av 4-karbonmolekyler, som gir C4-banen navnet. Men O₂ kan ikke komme inn i bunten, så RuBisCO trenger ikke å kaste bort effektiviteten ved å feilaktig jobbe på de rikelige O₂-molekylene i stedet for de få CO₂-molekylene. Den mer forseggjorte C4-banen har en kostnad i biokjemisk energi, men den er verdt å betale for i tider med uvanlig lave CO₂-konsentrasjoner som i dag. Tusenvis av eksperimenter levner ingen tvil om at alle planter - .både de aller fleste med den gammeldagse C3-banen, men også de med den moderne C4-banen -  vokser bedre med mer CO₂ i atmosfæren. (Se: M.B. Kirkham, Elevated Carbon Dioxide: Impacts on Soil and Plant Water Relations [CRC Press, 2011]).

De grunnleggende egenskapene til C3 og C4 fotosyntetiske veier er oppsummert i figuren nedenfor fra D. Taub, "Effects of Rising Atmospheric Concentrations of Carbon Dioxide on Plants" (Nature Education Knowledge Project, 2010, 3:21).

 

Fig. 2. De fotosyntetiske banene til C3- og C4-planter. I begge veier blir CO2- og H2O-molekyler smeltet sammen til karbohydratmolekyler ved hjelp av RuBisCO, molekylet skissert i fig. 1. Den skadelige fotooksidasjonen som begrenser effektiviteten til C3-planter unngås i C4-planter ved å isolere RuBisCO i buntehylser. hvor den ser kunstig høye konsentrasjoner av CO2 og lave konsentrasjoner av O2.

[Kilde: Nature Education Knowledge Project

Men næringsverdien av ekstra CO₂ er bare en del av fordelene som planter har av det. Like viktig eller viktigere er at mer CO₂ i atmosfæren gjør plantene mer motstandsdyktige mot tørke. Som det fremgår av fig. 2 er planteblader perforert av stomata, små hull i den gasstette overflatehuden som lar CO₂-molekyler diffundere fra den ytre atmosfæren inn i det fuktige indre av bladet, hvor de fotosyntetiseres til karbohydrater. Et blad i fullt sollys kan lett nå en temperatur på 30 ° C, hvor konsentrasjonen av vannmolekyler (H₂O) i bladets fuktige indre luft er ca. 42 000 ppm, som er mer enn 100 ganger større enn konsentrasjonen av CO₂ ved 400 ppm i frisk luft utenfor bladet. Og CO₂-molekyler er mye tyngre enn H₂O-molekyler og diffunderer saktere ut i luften. Så avhengig av den relative fuktigheten i luften utenfor, kan opptil 100 H₂O-molekyler diffundere ut av bladet for hvert CO₂-molekyl som diffunderer inn for å bli tatt opp av fotosyntesen. Dette er grunnen til at de fleste landplanter trenger minst 100 gram vann for å produsere ett gram karbohydrat.

 

Under evolusjonen har landplanter utviklet finjusterte tilbakemeldingsmekanismer som lar dem vokse blader med flere spalter i CO₂-fattig luft, som i dag, eller med færre spalter i CO₂-rikere luft, slik det har vært tilfelle i det meste av geologisk historie. landplanter. Hvis mengden CO₂ dobles i atmosfæren, reduserer plantene antall spalteåpninger i nyspirert blader med ca. en faktor to. Med halvparten så mange spalteåpninger for å lekke vanndamp trenger plantene ca. halvparten så mye vann og vil vokse bedre i tørre områder av jorden.

 

Følgende figur av R.J. Donohue, et al. fra Australian Climate Laboratory ("Impact of CO₂ fertilization on maximum foliage cover over the globe's warm, arid environments," Geophysical Research Letters, 2013, 40: 3031-3035) viser endringen i jordoverflatevegetasjonen fra 1982 til 2010, som planter har reagert på den beskjedne økningen i CO₂ fra ca. 340 ppm til 400 ppm i løpet av satellittperioden.

Fig. 3. Slik har verden blitt grønnere fra 1982 til 2010 på grunn av økende CO2-konsentrasjon i atmosfæren

De fleste områdene viste en netto grønning, noe som ga en samlet økning på 11 %. I tillegg til arbeidet som vises her, finner Ranga Myeni fra Boston University og hans gruppe at i løpet av de siste 30 årene har 20,5 prosent av jordens landareal blitt grønnere, mens bare 3 prosent har blitt brunere. Nedbørseffekter kan skilles ved å korrelere lokal nedbør med endringer i vegetasjonen piksel for piksel. Det kan forventes betydelig større grønnere natur og større jordbruksavlinger når CO₂-konsentrasjonene øker ytterligere.

Stoffet er hentet og oversatt fra et intervju med William Happer.  

Lenke: https://thebestschools.org/magazine/william-happer-on-global-warming/