Было много дискуссий о влиянии изменения климата на жизнь растений, но как повышение концентрации углекислого газа повлияет на сам процесс фотосинтеза? Поскольку CO₂ является реагентом фотосинтеза, можем ли мы ожидать, что более высокий уровень CO₂ будет означать повышенную скорость фотосинтеза в реальном контексте? Были ли какие-либо исследования по этому поводу?
Я больше думаю о крупномасштабных полевых испытаниях, чем о лабораторных установках.
Есть несколько ключевых способов, которыми повышение концентрации CO₂ в атмосфере повлияет на фотосинтез, и они связаны с различными типами фотосинтеза. Чтобы правильно ответить на ваш вопрос, я расскажу о самом фотосинтезе.
Фотосинтез развивался в атмосфере с высоким содержанием CO₂ до обогащения атмосферы кислородом (что на самом деле произошло в результате фотосинтеза). Большинство видов растений осуществляют фотосинтез С3 . У этих растений углекислый газ диффундирует в клетку, где он фиксируется оксигеназой рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазы (RuBisCO).в 3-углеродную молекулу (отсюда C3), которая затем полимеризуется с образованием сахаров. Важным фактом о RuBisCO является то, что он обладает как карбоксилазной (фиксирующей углерод), так и оксигеназной (фиксирующей кислород) активностью. Это означает, что кислород и углекислый газ конкурируют за активное место в ферментном комплексе, что приводит к тому, что RuBisCO совершенно неэффективен и медленно фиксирует углерод при более высоких концентрациях кислорода. Это не имело значения в атмосфере с высоким содержанием CO₂ на ранней Земле, но в сегодняшней атмосфере концентрация O₂ достаточно высока, что сильно ограничивает продуктивность C3-растений.
Однако растения не просто медленно росли все это время — развилось несколько механизмов повышения эффективности фотосинтеза. Наиболее влиятельные системы включают концентрацию углекислого газа в определенной области, исключая кислород, и концентрацию RuBisCO в той же области. Это позволяет избежать конкуренции кислорода за активный центр и позволяет RuBisCO работать более эффективно. Ключевой адаптацией здесь является фотосинтез С4 .- система, присутствующая в большинстве трав и многих наиболее продуктивных растениях на Земле (например, кукуруза, сахарный тростник, мискантус). Он эволюционировал как минимум 62 раза независимо. Он работает за счет того, что RuBisCO концентрируется внутри клеток «пучковой оболочки», которые окружены слоем суберинового воска. Этот слой препятствует выходу CO₂ и проникновению O₂. Затем CO₂ из атмосферы фиксируется в разных клетках — «клетках мезофилла» — другим ферментом — фосфоенолпируваткарбоксилазой (ФЭПК)., что приводит к четырехуглеродной молекуле (отсюда C4). Эта 4-углеродная кислота (малат или оксалоацетат в зависимости от системы) затем перемещается в клетки обкладки пучка. Там CO₂ снова высвобождается различными ферментами в зависимости от системы, создавая высокую концентрацию CO₂ в клетке, где затем RuBisCO может эффективно работать.
В целом растения С4 намного (примерно на 50%) более эффективны, чем их аналоги С3, и они особенно хорошо приспособлены к высоким температурам и влажной среде. Итак, отвечая на ваш первый вопрос: по мере того, как уровень CO2 в атмосфере продолжает расти, C3-растения постепенно смогут более эффективно фотосинтезировать. Интересно, однако, что растения C4, по прогнозам, также выиграют от повышенного содержания CO₂ в атмосфере. Если глобальные температуры вырастут, как прогнозируется, растения C3 и C4 смогут работать более эффективно, чем в настоящее время, вплоть до максимальной температуры, выше которой ферменты начнут денатурировать быстрее, а эффективность упадет. Одно из соображений заключается в том, что разница в эффективности между системами C3 и C4 уменьшится, что может значительно изменить состав растительных сообществ по всему миру.
Это сильное упрощение, но оно верно для прогнозируемых общих эффектов. Локальные эффекты (т. е. изменения продуктивности в конкретном регионе или для конкретной культуры) будут зависеть от среды обитания, физиологии и т. д.
Некоторые ключевые документы, чтобы ввести вас в литературу:
Я хотел добавить немного больше к превосходному ответу выше, тем более что ОП спрашивает об исследовании этого вопроса в «реальном контексте».
Именно по этому вопросу имеется существенный объем данных, полученный в результате экспериментов на объектах «Обогащение CO 2 в свободном воздухе» ( FACE ). FACE представляет собой экспериментальный метод/технологию, при которой постоянные экосистемы подвергаются обогащению CO 2 без (значительного) нарушения экосистемы. Было известно, что более высокий уровень CO 2 увеличивает рост растений примерно с 1960-х годов, но мотивация для FACE заключалась в том, чтобы понять, каковы будут долгосрочные и масштабные последствия повышения уровня CO 2 в атмосфере в масштабе экосистемы. Многие различные типы экосистем (леса, сельскохозяйственные культуры, кустарники и т. д.) были изучены с помощью этого метода на сегодняшний день, некоторые в течение довольно длительного периода времени. Я думаю, что многие из этих сайтов сейчас закрываются.
Некоторые ключевые выводы:
Есть пара отличных отзывов:
Новак, Р.С., Эллсуорт, Д.С. и Смит, С.Д. (2004), Функциональные реакции растений на повышенное содержание CO2 в атмосфере – подтверждают ли данные экспериментов FACE фотосинтетические данные и продуктивность в отношении ранних прогнозов? Новый фитолог, 162: 253–280. doi: 10.1111/j.1469-8137.2004.01033.x pdf
Норби, Р. Дж. и Зак, Д. Р. (2011), Экологические уроки экспериментов по обогащению CO2 в воздухе (FACE). Ежегодный обзор экологии, эволюции и систематики, 42: 181-203. doi: 10.1146/annurev-ecolsys-102209-144647 ссылка .
В этой статье обсуждается важность азота в ограничении продуктивности леса в условиях высокого содержания CO 2 :
пользователь132
Пошпау