Ljudje naravo pogosto vzamemo za zgled in celo najnaprednejši tehnološki procesi in iznajdbe pogosto temeljijo na posnemanju naravnih procesov. A kljub milijonom let evolucije celo v naravi najdemo neučinkovite, potratne in celo povsem odvečne procese.
Eden izmed njih je tudi fotorespiracija pri rastlinah. Gre za potratno reakcijo, s katero energije trošijo kisik in pri tem ne proizvajajo nič energije. Nekatere rastline so razvile posebne prilagoditve, s katerim se lahko fotorespiraciji izognejo – a tudi te imajo svojo ceno, ki jo rastline plačajo v obliki energijsko bogatih molekul ATP. Fotorespiracija pa še zdaleč ni pomembna le za rastline: zaradi globalnega segrevanja bo ta proces lahko tudi ključno vplival na rastlinstvo in celo kulturne rastline, ki bodo v prihodnosti še uspevale.
V rastlinah potekata fotosinteza in celično dihanje… ter fotorespiracija
Rastline sodijo med avtotrofe. V procesu fotosinteze oksidirajo vodo do kisika in obenem reducirajo ogljikov dioksid v ogljikove hidrate. Fotosinteza poteka le podnevi, saj zahteva sončno svetlobo kot vir energije. Proces se odvija v posebnih celičnih organelih, kloroplastih. Poleg tega imajo rastline tudi mitohondrije, tako kot živali, glive in ti! Kadar ni svetlobe, tam poteka povsem običajno celično dihanje in kisik se porablja. Poleg omenjenih reakcij obstaja še manj znana stranska reakcija fotorespiracije. Ta porablja kisik, vendar pri tem za razliko od celičnega dihanja ne proizvaja nič energije.
Za vse je kriv Rubisco
Fotorespiracijo katalizira encim Rubisco. Ta encim sicer igra ključno vlogo pri asimilaciji ogljikovega dioksida pri fotosintezi in je na Zemlji izmed vseh encimov najbolj zastopan. Katalizira adicijo ogljikovega dioksida ter s tem tvorbo novih vezi med ogljikovimi atomi. Vsebuje magnezijev ion, ki skupaj drži pravilno orientirane reaktante in stabilizira negativni naboj. Pri svojem delovanju je Rubisco zelo počasen: sposoben je namreč adirati le tri molekule ogljikovega dioksida na sekundo. Za potraten proces fotorespiracije pa je kriva nespecifičnost encima: v njegovo aktivno mesto se namesto ogljikovega dioksida namreč lahko veže tudi kisik. Atmosfero sestavlja približno 21 odstotkov kisika in le 0,038 odstotka ogljikovega dioksida. Za fotorespiracijo je še pomembnejše dejstvo, da je v čisti vodi koncentracija kisika približno 260 milimolarna, koncentracija ogljikovega dioksida pa le 11 milimolarna. Rubisco ima torej v kloroplastih precej veliko verjetnost, da naleti na kisik namesto na ogljikov dioksid.
Tropske rastline so našle rešitev
Pri višjih temperaturah je razmerje med koncentracijo kisika in ogljikovega dioksida v vodi še večje. To pomeni še večjo verjetnost za fotorespiracijo. Mnoge tropske rastline se potratni fotorespiraciji izognejo s fizično ločenim zbiranjem ogljikovega dioksida in Rubisco reakcijo. Pri teh rastlinah se ogljikov dioksid najprej fiksira v oksaloacetat v celicah mezofila. Oksaloacetat je molekula s tremi ogljikovimi atomi, zato te rastline označimo tudi kot C4 rastline (preostale rastline ogljikov dioksid vežejo v spojino s tremi ogljikovimi atomi, to so C3 rastline). Oksaloacetat se pretvori v malat, ta pa se transportira v celice, ki so ločene od celic mezofila in v katerih je encim Rubisco. Malat tam odda molekulo ogljikovega dioksida in se kot piruvat vrne v celico mezofila. V celicah z Rubiscom je lokalna koncentracija ogljikovega dioksida mnogo višja kot koncentracija kisika. S tem je tudi verjetnost, da bo Rubisco pomotoma vezal kisik, precej manjša.
Bodo prevladale C4 rastline?
Poleti lahko opaziš, da v veliki vročini določeni »pleveli« lahko povsem podivjajo in nadvladajo preostale rastline. Povsem verjetno je, da so nekateri izmed teh plevelov predstavniki C4 rastlin. A to ni najbolj zaskrbljujoč pojav. Zaradi globalnega segrevanja bodo temperature postale bolj »tropske« tudi pri nas. To lahko poveča fotorespiracijo in s tem zmanjša učinkovitost C3 rastlin. V novih pogojih bodo uspešnejše C4 rastline, zato bomo morda priča velikim spremembam rastlinstva v zmernih geografskih širinah. Vse to lahko pomembno vpliva tudi na kmetijstvo in poljščine, ki jih bomo v prihodnosti gojili za prehrano človeštva.
Foto: stevanovicigor iz iStock
Novinar
