Wissenschaft

CAM-Pflanzen: Überleben in der Wüste

Es gibt mehrere Mechanismen, die hinter der Trockenheitstoleranz von Pflanzen stehen, aber eine Gruppe von Pflanzen verfügt über eine Nutzungsmöglichkeit, die es ihnen ermöglicht, unter Niedrigwasserbedingungen und sogar in ariden Regionen der Welt wie der Wüste zu leben. 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 Dürregebieten 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 Pelargonium (Geranien). Viele Orchideen sind Epiphyten und auch CAM-Pflanzen, da sie für die Wasseraufnahme auf ihre Luftwurzeln angewiesen sind.

Geschichte und Entdeckung von CAM-Anlagen

Die Entdeckung von CAM-Pflanzen wurde auf ungewöhnliche Weise begonnen, als die Römer entdeckten, dass einige Pflanzenblätter, die in ihrer Ernährung verwendet wurden, bitter schmeckten, wenn sie morgens geerntet wurden, aber nicht so bitter, wenn sie später am Tag geerntet wurden. Ein Wissenschaftler namens Benjamin Heyne bemerkte dasselbe im Jahr 1815, als er Bryophyllum calycinum , eine Pflanze aus der Familie der Crassulaceae, probierte (daher der Name „Crassulacean-Säurestoffwechsel“ für diesen Prozess). Warum er die Pflanze aß, ist unklar, da sie giftig sein kann, aber er überlebte offenbar und stimulierte die Forschung, 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 das Vorhandensein von CAM dokumentiert, als er 1804 schrieb, dass sich die Physiologie des Gasaustauschs in Pflanzen wie dem Kaktus von der in dünnblättrigen Pflanzen unterscheidet.

Wie CAM-Pflanzen funktionieren

CAM-Pflanzen unterscheiden sich von „normalen“ Pflanzen ( C3-Pflanzen genannt. darin, wie sie Photosynthese betreiben. Bei der normalen Photosynthese entsteht Glukose, wenn Kohlendioxid (CO2), Wasser (H2O), Licht und ein Enzym namens Rubisco zusammenarbeiten, um Sauerstoff, Wasser und zwei Kohlenstoffmoleküle mit jeweils drei Kohlenstoffen zu erzeugen (daher der Name C3). . Dies ist aus zwei Gründen ein ineffizienter Prozess: niedrige Kohlenstoffgehalte in der Atmosphäre und die geringe Affinität von Rubisco zu CO2. Daher müssen Pflanzen einen hohen Anteil 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 Stomata tagsüber offen halten, 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 den Calvin-Zyklus zu den notwendigen Kohlenhydraten verarbeitet .

Aktuelle Forschung

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, das sich mit der Möglichkeit der Verwendung von CAM-Pflanzen für Rohstoffe zur Herstellung von Biokraftstoffen und der weiteren Aufklärung des Prozesses und der Entwicklung von CAM befasste.

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