CAM-Pflanzen: Überleben in der Wüste

Es gibt mehrere Mechanismen, die hinter der Trockenheitstoleranz von Pflanzen stehen, aber eine Gruppe von Pflanzen besitzt einen Weg zu nutzen, ermöglicht es ihm, unter Niedrigwasserbedingungen und sogar in ariden Regionen der Welt wie der zu leben Wüste. Diese Pflanzen werden als Crassulacean-Säurestoffwechselpflanzen oder CAM-Pflanzen bezeichnet. Überraschenderweise verwenden über 5% aller Gefäßpflanzenarten CAM als Photosyntheseweg, und andere können bei Bedarf CAM-Aktivität aufweisen. CAM ist keine alternative biochemische Variante, sondern ein Mechanismus, der es bestimmten Pflanzen ermöglicht, in Trockengebieten zu überleben. Es kann tatsächlich eine ökologische Anpassung sein.

Beispiele für CAM-Pflanzen sind neben dem oben genannten Kaktus (Familie Cactaceae) Ananas (Familie Bromeliaceae), Agave (Familie Agavaceae) und sogar einige Arten von Pelargonie (die Geranien). Viele Orchideen sind Epiphyten und auch CAM-Pflanzen, da sie für die Wasseraufnahme auf ihre Luftwurzeln angewiesen sind.

Die Entdeckung von CAM-Pflanzen wurde auf ungewöhnliche Weise begonnen, als die Römer diese Pflanze entdeckten Blätter, die in ihrer Ernährung verwendet wurden, schmeckten bitter, wenn sie morgens geerntet wurden, waren aber nicht so bitter, wenn sie später geerntet wurden der Tag. Ein Wissenschaftler namens Benjamin Heyne bemerkte 1815 dasselbe bei der Verkostung Bryophyllum calycinum, eine Pflanze aus der Familie der Crassulaceae (daher der Name "Crassulacean-Säurestoffwechsel" für diesen Prozess). Warum er die Pflanze aß, ist unklar, da sie giftig sein kann, aber er hat offenbar überlebt und die Forschung angeregt, warum dies geschah.

Einige Jahre zuvor schrieb ein Schweizer Wissenschaftler namens Nicholas-Theodore de Saussure ein Buch mit dem Titel Recherches Chimiques sur la Vegetation (Chemische Pflanzenforschung). Er gilt als der erste Wissenschaftler, der die Anwesenheit von CAM dokumentiert schrieb 1804 dass sich die Physiologie des Gasaustauschs in Pflanzen wie dem Kaktus von der in dünnblättrigen Pflanzen unterschied.

CAM-Pflanzen unterscheiden sich von "normalen" Pflanzen (genannt C3 Pflanzen) wie sie Photosynthese. Bei der normalen Photosynthese entsteht Glukose, wenn Kohlendioxid (CO2), Wasser (H2O), Licht und ein Enzym genannt werden Rubisco arbeitet zusammen, um Sauerstoff, Wasser und zwei Kohlenstoffmoleküle mit jeweils drei Kohlenstoffen zu erzeugen (daher die Name C3). Dies ist aus zwei Gründen ein ineffizienter Prozess: Geringe Kohlenstoffkonzentration in der Atmosphäre und geringe Affinität von Rubisco zu CO2. Daher müssen Pflanzen hohe Mengen an Rubisco produzieren, um so viel CO2 wie möglich zu "gewinnen". Sauerstoffgas (O2) beeinflusst diesen Prozess ebenfalls, da nicht verwendetes Rubisco durch O2 oxidiert wird. Je höher der Sauerstoffgasgehalt in der Anlage ist, desto weniger Rubisco gibt es; Daher wird weniger Kohlenstoff aufgenommen und zu Glucose verarbeitet. C3-Pflanzen bewältigen dies, indem sie ihre behalten Stomata tagsüber geöffnet, um so viel Kohlenstoff wie möglich zu sammeln, obwohl sie dabei viel Wasser (durch Transpiration) verlieren können.

Pflanzen in der Wüste können ihre Stomata tagsüber nicht offen lassen, da sie zu viel wertvolles Wasser verlieren. Eine Pflanze in einer trockenen Umgebung muss so viel Wasser halten, wie sie kann! Es muss also anders mit der Photosynthese umgehen. CAM-Pflanzen müssen die Stomata nachts öffnen, wenn die Wahrscheinlichkeit eines Wasserverlusts durch Transpiration geringer ist. Die Anlage kann nachts noch CO2 aufnehmen. Am Morgen wird aus dem CO2 Apfelsäure gebildet (erinnern Sie sich an den von Heyne erwähnten bitteren Geschmack?), Und die Säure wird tagsüber unter Bedingungen geschlossener Stomata zu CO2 decarboxyliert (abgebaut). Das CO2 wird dann über die zu den notwendigen Kohlenhydraten verarbeitet Calvin-Zyklus.

Die feinen Details von CAM, einschließlich seiner Evolutionsgeschichte und genetischen Grundlage, werden noch erforscht. Im August 2013 fand an der Universität von Illinois in Urbana-Champaign ein Symposium über C4- und CAM-Pflanzenbiologie statt die Möglichkeit der Verwendung von CAM-Anlagen zur Herstellung von Biokraftstoffen und zur weiteren Aufklärung des Prozesses und der Entwicklung von NOCKEN.