Фотосинтез эволюционировал под влиянием засухи

Настройка системы фотосинтеза происходила из-за необходимости экономить воду, в результате чего растения научились беречь не только её, но и углекислый газ.

У современных растений есть несколько разновидностей фотосинтеза. Общий смысл у них один — получение органических веществ из углекислого газа и воды через ряд биохимических реакций, протекающих в хлоропластах. Но способ пространственной организации этих реакций при разных типах фотосинтеза различен. Если сравнить фотосинтез с фабрикой, то можно сказать, что различия лежат в инфраструктуре производства, в том, откуда, куда и когда транспортируются химические «полуфабрикаты», пишет Компьюлента.

Большинство растений используют С3-фотосинтез, когда все реакции по сборке глюкозы из углекислого газа происходят в клетках мезофилла — в толще листа, относительно близко к поверхности. Но значительное число травянистых растений пользуется другой схемой, названной С4-фотосинтезом. В этом варианте часть фотосинтетических реакций происходит там же, где у всех остальных растений, но потом продукты транспортируются в глубь листа, к клеткам, окружающим проводящие сосуды.

Считалось, что С4-фотосинтез помогает более эффективно использовать углекислый газ, и появился он в ответ на снижение концентрации СО2 в среде. Когда травы растут в густом тропическом лесу, деревья создают благоприятный микроклимат с большим содержанием СО2. Но когда лес редеет (например, из-за более сухого климата), травам приходится приспосабливаться к жизни на открытых и сухих пространствах. Поэтому и возникла такая система фотосинтеза, работающая с большей отдачей.

В статье, опубликованной в Philosophical Transactions of the Royal Society B, учёные из Университета Шеффилда (Великобритания) выдвигают другое объяснение тому, зачем растениям понадобилась иная схема фотосинтеза. Движущей силой, по их мнению, оказалось не падение концентрации СО2, а недостаток воды. Углекислый газ для фотосинтеза поступает в растения большей частью через устьица — поры на поверхности листа, окружённые запирающими клетками. Через эти же поры испаряется вода. Устьица необходимы для поднятия воды из почвы: испарение через листья создаёт необходимую гидравлическую силу, и вода перемещается от корней растения к листьям.

Однако в засушливом климате перед растениями встаёт нелёгкий выбор: чтобы вести фотосинтез, нужно держать устьица открытыми для захвата СО2, но через эти же устьица происходит значительная потеря воды. Если вода будет испаряться слишком быстро, гидравлический столб будет двигаться с разной скоростью у основания растения и у его вершины — и в итоге разорвётся. Растение может устранить разрыв и восстановить водоснабжение, но это требует больших затрат энергии, и если это будет происходить слишком часто, то растение попросту погибнет. По словам учёных, С4-фотосинтез возник как раз из-за необходимости экономить воду. Более эффективное использование углекислого газа позволяет держать устьица закрытыми, то есть снизить водопотери.

Считается, что фотосинтез изобрели цианобактерии, а эукариоты потом подселили этих фотосинтезирующих одноклеточных в свои клетки. Спустя миллионы лет эволюции цианобактерии превратились в хлоропласты. Что до С4-фотосинтеза, то, как полагают, история насчитывает едва ли не 60 независимых случаев его возникновения. Такой способ фотосинтеза не единственное приспособление к засушливому местообитанию и, надо признать, не самое эффективное. Растения-суккуленты, вроде кактусов, пошли ещё дальше, разделив стадии фотосинтеза во времени: они держат устьица открытыми по ночам, не давая дневной жаре выкачать из них всю воду.

Исследователи убеждены, что эволюция систем фотосинтеза направлялась именно необходимостью экономить воду. Чтобы окончательно подтвердить свою гипотезу, учёные собираются экспериментально сравнить, как ведут себя в засушливых условиях близкородственные растения с С3- и С4-фотоситнезом.