Mekar luar biasa: kaktus adalah di antara beberapa spesies tanaman yang dapat tumbuh subur di padang pasir. Alan Levine / Flickr, CC BY-SA
Sinar matahari, dimanfaatkan oleh tanaman dalam proses fotosintesis, kekuatan hampir semua kehidupan di bumi. Adaptasi khusus memungkinkan tanaman tertentu untuk menyimpan baterai karbon dioksida semalaman untuk digunakan dalam fotosintesis pada siang hari, memberi mereka keuntungan besar dalam kondisi gurun kering.
Proses yang membentuk kehidupan - seperti pertumbuhan, perbaikan, pergerakan, dan reproduksi - semuanya membutuhkan sumber energi. Sumber langsung energi ini untuk banyak makhluk hidup adalah energi kimia.
Molekul berbasis karbon berenergi tinggi, seperti gula dan lemak, dipecah untuk memberi daya pada proses kehidupan. Molekul berenergi tinggi ini tidak terjadi secara alami di lingkungan. Organisme pemalu dan tidak jujur, seperti manusia, mengandalkan mencuri molekul energi tinggi dari organisme lain dengan memakannya. Namun, pada akhirnya, lebih banyak molekul berenergi tinggi diperlukan untuk menggantikan molekul yang rusak.
Sementara gula dan lemak sayangnya tidak turun dari ruang angkasa, foton yang kaya energi (hal terbaik berikutnya) dilakukan, dalam bentuk sinar matahari. Organisme yang lebih bertanggung jawab daripada kita, seperti tanaman dan ganggang, melakukan fotosintesis. Proses ini menggunakan energi dari sinar matahari untuk meregenerasi molekul berenergi tinggi dari produk limbahnya yang rusak, karbon dioksida (CO2), yang secara konstan dilepaskan ke atmosfer oleh semua makhluk hidup.
Dalam bentuk fotosintesis yang paling umum, CO2 diambil menjadi daun pada siang hari melalui pori-pori kecil di permukaan tanaman. Ini kemudian dilampirkan, atau "diperbaiki", langsung ke molekul gula menggunakan energi dari sinar matahari, untuk digunakan sebagai sumber energi kimia - baik oleh tanaman, atau oleh hewan yang memakannya.
Pori-pori kecil membiarkan karbon dioksida masuk ke dalam daun - tetapi juga memungkinkan oksigen masuk dan keluar air. Photohound
Tetapi memperoleh CO2 dari atmosfer bisa menjadi masalah dalam beberapa situasi. Membuka pori-pori pada permukaan tanaman memungkinkan CO2 masuk, tetapi juga memungkinkan oksigen masuk dan keluar air. Kehilangan air adalah masalah di lingkungan kering - terutama di siang hari, yaitu ketika CO2 diperlukan untuk fotosintesis.
Selain itu, di lingkungan yang panas, tanaman kurang mampu membedakan antara oksigen dan CO2 dan benar-benar dapat berakhir dengan menempelkan oksigen ke molekul gula. Setelah molekul oksigen difiksasi menjadi gula, molekul itu harus dihemat lagi dengan biaya energi yang signifikan, mengurangi energi bersih yang dapat diperoleh tanaman dari fotosintesis.
Baterai karbon dioksida untuk efisiensi
Beberapa kelompok tanaman telah berevolusi yang tidak secara langsung memperbaiki CO atmosfer2 untuk membuat gula, tetapi pasang CO2 ke molekul lain yang dapat disimpan, diangkut dan dipecah untuk melepaskan CO2 lagi, seperti baterai. Ini menghindari masalah kehilangan air dan fiksasi oksigen yang tidak disengaja.
Dua strategi alternatif telah berkembang untuk memanfaatkan kemampuan ini: fotosintesis C4, yang memanipulasi konsentrasi CO2 dalam ruang, dan fotosintesis CAM, yang memanipulasi konsentrasi dalam waktu.
Fotosintesis C4 dilakukan oleh spesies 7,600, kebanyakan dari mereka adalah rumput, termasuk jagung dan sorgum. Memiliki berevolusi secara independen setidaknya 60 kali, namun hadir dalam kurang dari 0.5% spesies tanaman. Meskipun sangat kompetitif di lingkungan yang panas, biaya energi yang terkait dengan penyimpanan karbon berarti bahwa pabrik yang melakukan fotosintesis konvensional memiliki keunggulan pada suhu yang lebih rendah.
Fotosintesis C4 menggunakan enzim khusus untuk memperbaiki CO atmosfer2 ke asam. Enzim ini jauh lebih baik dalam membedakan antara CO2 dan oksigen daripada enzim klasik yang digunakan dalam fotosintesis tradisional. Asam diangkut jauh di dalam pabrik, di mana konsentrasi oksigen jauh lebih rendah, dan CO2 dirilis ulang. Dalam lingkungan rendah oksigen ini, pabrik membuat lebih sedikit kesalahan pengaturan oksigen, meningkatkan efisiensi fotosintesis. Ada biaya energetik untuk cara bundaran melakukan fotosintesis, tetapi ini lebih dari diimbangi dengan penurunan fiksasi oksigen yang mahal di lingkungan yang panas.
Tanaman kaktus dan nanas menggunakan fotosintesis CAM agar tetap berair. hiyori13 / Flickr, CC BY-SA
Jenis fotosintesis alternatif lainnya adalah CAM, atau Metabolisme Asam Crassulacean, yang mendahului fotosintesis C4 setidaknya 150 juta tahun. Ini pertama kali ditemukan di keluarga Crassula tanaman tetapi memiliki berkembang secara mandiri dalam banyak garis keturunan tanaman, berjumlah lebih dari spesies 9,000.
Seperti tanaman C4, CAM juga menyimpan CO2 dalam asam, tetapi melakukan reaksi ini pada malam hari, dan alih-alih mengangkut molekul asam ke bagian tanaman yang berbeda, ia hanya menyimpannya di vakuola - area penyimpanan di jantung setiap sel tanaman. Pada siang hari, ketika cahaya yang diperlukan untuk fotosintesis tersedia, tanaman tidak perlu membuka pori-porinya: ia memiliki bekal makan siang yang sudah disimpan dalam sel-selnya. Hal ini memungkinkan tanaman untuk melakukan fotosintesis tanpa membuka pori-pori pada siang hari, mengurangi jumlah air yang hilang secara besar-besaran.
Ini adalah bagaimana tanaman CAM seperti kaktus dan nanas dapat tetap segar dan berair meskipun lingkungan panas mereka tumbuh. Namun, dalam lingkungan yang lebih basah atau lebih dingin, masalah yang dipecahkan oleh fotosintesis CAM dan C4 tidak separah - dan biaya energi dari menyimpan dan melepaskan kembali CO2 berarti tanaman hanya bersaing dengan sepupu fotosintesis tradisional mereka di lingkungan yang panas atau kering.
Mungkin tempat terakhir, oleh karena itu, yang mungkin diharapkan untuk menemukan tanaman CAM adalah di bawah air, lingkungan yang cukup basah. Karena itu, dengan mengejutkan ada CAM pertama kali dilaporkan di danau tanaman Isoetes diikuti oleh penemuan di empat genus tanaman air lainnya.
Tumbuhan air kecil dari genus Isoetes melakukan CAM untuk memusatkan karbon dioksida di dunia bawah laut. Layanan Ikan & Margasatwa AS
Meskipun lingkungan mereka sangat berbeda, tanaman di danau dan gurun pada akhirnya memiliki masalah yang sama - kesulitan memperoleh CO2. Sementara banyak CO2 dapat dilarutkan dalam air, berdifusi jauh lebih lambat daripada di udara, sehingga air di sekitar tanaman dapat menjadi terkuras CO2. Tumbuhan air telah berevolusi fotosintesis CAM sehingga mereka dapat terus mengambil CO2 di malam hari, menggunakannya untuk melengkapi apa yang bisa mereka peroleh di siang hari.
Selain bertujuan penelitian memperkenalkan fotosintesis C4 ke dalam beras, telah ada minat yang signifikan dalam memodifikasi tanaman tanaman untuk melakukan fotosintesis CAM sehingga mereka dapat bertahan lebih baik dari kekeringan yang disebabkan oleh perubahan iklim.
Tentang Penulis
Daniel Wood, mahasiswa PhD bidang Biologi Tumbuhan, University of Sheffield
Artikel ini diterbitkan kembali dari Percakapan di bawah lisensi Creative Commons. Membaca Artikel asli.
ing
