תוֹכֶן
פוטוסינתזה היא תהליך המשתמש במים, פחמן דו חמצני (CO2) ואנרגיה סולארית כדי לסנתז סוכרים. זה מתבצע על ידי צמחים רבים, אצות וחיידקים. בצמחים ובאצות מתרחשת פוטוסינתזה בחלקים מיוחדים של התא הנקראים כלורופלסטים; ממוקם בעלים וגבעולים. בעוד שרוב הצמחים מבצעים את מה שמכונה פוטוסינתזה C3, צמחים שהסתגלו לסביבות חמות מבצעים צורה שונה המכונה פוטוסינתזה C4.
C4 פוטוסינתזה
בסוג זה של פוטוסינתזה משולב לראשונה CO2 סביבתי בחומצות 4-פחמן בתאים המכונים מזופילים. חומצות אלה מועברות לתאים אחרים המכונים תאי נדן צרור. בתאים אלה התגובה מתהפכת, CO2 משתחררת ומשמשת לאחר מכן במסלול פוטוסינתטי רגיל (C3). שילוב CO2 בתרכובות 3-פחמן מזרז אנזים המכונה רוביסקו.
היתרונות של פוטוסינתזה C4
בסביבות חמות ויבשות פוטוסינתזה C4 יעילה יותר מפוטוסינתזה C3. זה נובע משתי סיבות. הראשון הוא שהמערכת לא עוברת הנשמה, תהליך הנוגד את פוטוסינתזה (ראה להלן). השנייה היא שצמחים יכולים לסגור את נקבוביותיהם פרקי זמן ארוכים יותר, ובכך למנוע אובדן מים.
הנשמה לצילום
זהו תהליך שבמקום להוסיף CO2 לסוכר הגדל, רוביסקו מוסיף חמצן. במצבים בהם הפוטוסינתזה מתרחשת במהירות (בטמפרטורה גבוהה, ברמות אור גבוהות או בשניהם), יש כל כך הרבה O2 זמין שתגובה זו הופכת לבעיה משמעותית. צמחי C4 פותרים בעיה זו על ידי שמירה על ריכוז גבוה של CO2 בחלק הרלוונטי של העלה (תאי נדן הצרור).
אובדן מים
צמחים מחליפים גזים, CO2 ו- O2, עם סביבתם דרך נקבוביות הידועות כסטומה. כאשר הסטומטות פתוחות CO2 יכול להתפזר לשימוש בפוטוסינתזה ו- O2, תוצר של פוטוסינתזה יכול להתפזר החוצה. עם זאת, כאשר הסטומטות פתוחות הצמח מאבד גם מים בגלל התפשטות, ובעיה זו משופרת באקלים חם ויבש. צמחים המבצעים פוטוסינתזה של C4 יכולים לשמור על סגירת העגבניות שלהם יותר משווי ה- C3 שלהם מכיוון שהם יעילים יותר לשילוב CO2. זה ממזער את אובדן המים שלהם.
חסרונות
למרות שפוטוסינתזה של C4 מועילה בעליל באקלים חם ויבש, זה לא נכון באלה קרירים ולחים. הסיבה לכך היא שפוטוסינתזה C4 מורכבת יותר: יש לה יותר צעדים ודורשת אנטומיה מתמחה. מסיבה זו, אלא אם כן הנשמה לצילום או אובדן מים הם נושאים משמעותיים, פוטוסינתזה C3 יעילה יותר. זו הסיבה שרוב הצמחים מבצעים פוטוסינתזה C3.