¿Por qué los cactus son tan jugosos? La estrategia secreta de las suculentas

¿Por qué los cactus son tan jugosos? La estrategia secreta de las suculentas Florece maravilloso: los cactus se encuentran entre las pocas especies de plantas que pueden prosperar en el desierto. Alan Levine / Flickr, CC BY-SA

La luz solar, aprovechada por las plantas en el proceso de la fotosíntesis, potencia casi toda la vida en la tierra. Las adaptaciones especiales permiten que ciertas plantas almacenen una batería de dióxido de carbono durante la noche para su uso en la fotosíntesis durante el día, lo que les brinda una ventaja jugosa en condiciones de desierto seco.

Los procesos que constituyen la vida, como el crecimiento, la reparación, el movimiento y la reproducción, requieren una fuente de energía. La fuente inmediata de esta energía para muchos seres vivos es la energía química.

Las moléculas de alta energía basadas en carbono, como los azúcares y las grasas, se descomponen para impulsar los procesos de la vida. Estas moléculas de alta energía no ocurren naturalmente en el ambiente. Los organismos tímidos y deshonestos, como los humanos, dependen del robo de moléculas de alta energía de otros organismos al comerlos. En última instancia, sin embargo, se requieren más moléculas de alta energía para reemplazar las descompuestas.

Mientras que los azúcares y las grasas lamentablemente no caen del espacio, los fotones ricos en energía (la mejor opción) lo hacen en forma de luz solar. Los organismos más responsables que nosotros, como las plantas y las algas, realizan la fotosíntesis. Este proceso utiliza energía de la luz solar para regenerar moléculas de alta energía a partir de su producto de desecho de descomposición, dióxido de carbono (CO).2), que se libera constantemente a la atmósfera por todos los seres vivos.

En la forma más común de fotosíntesis, CO2 se recoge en hojas durante el día a través de pequeños poros en la superficie de la planta. Luego se adjunta, o "fija", directamente a una molécula de azúcar utilizando la energía de la luz solar, para ser utilizada como fuente de energía química, ya sea por la planta o por el animal que la come.

¿Por qué los cactus son tan jugosos? La estrategia secreta de las suculentas Los poros pequeños dejan entrar el dióxido de carbono en la hoja, pero también permiten que el oxígeno entre y salga. Perro de foto

Pero adquiriendo CO2 Desde la atmósfera puede ser problemático en algunas situaciones. Abriendo los poros sobre la superficie de la planta se deja el CO.2 Dentro, pero también deja entrar el oxígeno y el agua. La pérdida de agua es un problema en ambientes secos, especialmente durante el día, que es cuando el CO2 Se requiere para la fotosíntesis.

Además, en ambientes cálidos, la planta es menos capaz de discriminar entre oxígeno y CO2 y en realidad puede terminar uniendo oxígeno a la molécula de azúcar. Una vez que una molécula de oxígeno se fija a un azúcar, debe ser eliminada nuevamente a un costo energético significativo, reduciendo la energía neta que las plantas pueden adquirir de la fotosíntesis.

Baterías de dióxido de carbono para mayor eficiencia.

Han evolucionado varios grupos de plantas que no fijan directamente el CO atmosférico.2 para hacer azúcares, pero adjuntar CO2 sobre otras moléculas que pueden almacenarse, transportarse y descomponerse para liberar CO2 de nuevo, como una batería. Esto evita los problemas de pérdida de agua y fijación accidental de oxígeno.

Dos estrategias alternativas han evolucionado para hacer uso de esta capacidad: la fotosíntesis C4, que manipula la concentración de CO2 En el espacio, y la fotosíntesis CAM, que manipula la concentración en el tiempo.

La fotosíntesis de C4 es realizada por especies de 7,600, la mayoría de ellas gramíneas, incluyendo maíz y sorgo. Tiene evolucionó independientemente al menos 60 veces, sin embargo, está presente en menos del 0.5% de especies de plantas. Aunque son altamente competitivos en ambientes cálidos, los costos energéticos asociados con el almacenamiento de carbono hacen que las plantas que realizan la fotosíntesis convencional tengan la ventaja a temperaturas más bajas.

La fotosíntesis C4 utiliza una enzima especial para corregir el CO atmosférico2 en un ácido. Esta enzima es mucho mejor para discriminar entre CO2 y el oxígeno que la enzima clásica utilizada en la fotosíntesis tradicional. El ácido se transporta a lo profundo de la planta, donde las concentraciones de oxígeno son mucho más bajas y el CO2 es re-lanzado. En este entorno de bajo nivel de oxígeno, la planta comete menos errores de fijación de oxígeno, lo que aumenta la eficiencia de la fotosíntesis. Hay un costo energético para esta forma indirecta de hacer la fotosíntesis, pero esto se ve más que compensado por la disminución de la costosa fijación de oxígeno en ambientes cálidos.

¿Por qué los cactus son tan jugosos? La estrategia secreta de las suculentas Las plantas de cactus y piña utilizan la fotosíntesis CAM para mantenerse jugosas. hiyori13 / Flickr, CC BY-SA

El otro tipo alternativo de fotosíntesis es la CAM, o Metabolismo del Ácido Crassulacean, que es anterior a la fotosíntesis del C4 en al menos 150 millones de años. Esto era descubierto por primera vez en la familia Crassula de plantas pero tiene Evolucionó independientemente en muchos linajes. De plantas, totalizando más de 9,000 especies.

Al igual que las plantas de C4, CAM también almacena CO2 en un ácido, pero realiza esta reacción en la noche, y en lugar de transportar las moléculas de ácido a una parte diferente de la planta, simplemente las almacena en la vacuola, el área de almacenamiento en el corazón de cada célula vegetal. Durante el día, cuando la luz necesaria para la fotosíntesis está disponible, la planta no necesita abrir sus poros: ya tiene un almuerzo para llevar almacenado en sus celdas. Esto permite que la planta realice la fotosíntesis sin abrir los poros durante el día, reduciendo enormemente la cantidad de agua perdida.

Así es como las plantas CAM, como los cactus y las piñas, pueden permanecer suculentas y acuosas a pesar de los ambientes cálidos en los que crecen. Sin embargo, en ambientes más húmedos o más fríos, los problemas resueltos por la fotosíntesis de CAM y C4 no son tan graves, y el costo energético de almacenamiento y relanzamiento de CO2 significa que las plantas solo son competitivas con sus primos que tradicionalmente hacen la fotosíntesis en ambientes cálidos o secos.

Tal vez el último lugar, por lo tanto, en el que uno podría esperar encontrar plantas CAM es bajo el agua, un ambiente bastante húmedo por todas las cuentas. Fue con cierta sorpresa que CAM fue Reportado por primera vez en la planta del lago Isoetes. seguido de descubrimientos en Otros cuatro géneros de plantas acuáticas..

¿Por qué los cactus son tan jugosos? La estrategia secreta de las suculentas Las diminutas plantas acuáticas del género Isoetes llevan a cabo CAM para concentrar el dióxido de carbono en el mundo submarino. Servicio de Pesca y Vida Silvestre de los Estados Unidos

A pesar de sus entornos muy diferentes, las plantas en los lagos y desiertos en última instancia comparten el mismo problema: la dificultad de adquirir CO2. Mientras mucho CO2 se puede disolver en agua, se difunde mucho más lentamente que en el aire, por lo que el agua alrededor de una planta puede agotarse de CO2. Las plantas acuáticas han evolucionado la fotosíntesis de CAM para que puedan continuar tomando CO2 Por la noche, usándolo para complementar lo que pueden adquirir durante el día.

Además de la investigación con el objetivo de Introducir la fotosíntesis de C4 en el arroz., ha habido un gran interés en modificar las plantas de cultivo para realizar la fotosíntesis de CAM para que puedan sobrevivir mejor las sequías causadas por el cambio climático.La conversación

Sobre el Autor

Daniel Wood, estudiante de doctorado en biología vegetal. Universidad de Sheffield

Este artículo se republica de La conversación bajo una licencia Creative Commons. Leer el articulo original.

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