Es wurde viel über die Auswirkungen des Klimawandels auf die Pflanzenwelt diskutiert, aber wie werden sich steigende Kohlendioxidkonzentrationen auf den Photosyntheseprozess selbst auswirken? Da CO₂ ein Reagenz in der Photosynthese ist, würden wir erwarten, dass ein höherer CO₂-Gehalt in einem realen Kontext eine erhöhte Photosyntheserate bedeutet? Gab es hierzu Untersuchungen?
Ich denke eher an groß angelegte Feldversuche als an Laboranlagen.
Es gibt mehrere Schlüsselwege, auf denen steigende atmosphärische CO₂-Konzentrationen die Photosynthese beeinflussen, und diese hängen mit den verschiedenen Arten der Photosynthese zusammen. Um Ihre Frage richtig zu beantworten, werde ich einige Hintergrundinformationen über die Photosynthese selbst liefern.
Die Photosynthese entwickelte sich in einer Atmosphäre mit hohem CO₂-Gehalt vor der Sauerstoffanreicherung der Atmosphäre (die tatsächlich als Ergebnis der Photosynthese stattfand). Die meisten Pflanzenarten betreiben C3-Photosynthese . In diesen Pflanzen diffundiert Kohlendioxid in die Zelle, wo es von der Ribulose-1,5-Bisphosphat-Carboxylase-Oxygenase (RuBisCO) fixiert wird.in ein 3-Kohlenstoff-Molekül (daher C3), das dann polymerisiert wird, um Zucker herzustellen. Eine entscheidende Tatsache bei RuBisCO ist, dass es sowohl eine Carboxylase-Aktivität (Kohlenstoff-Fixierung) als auch eine Oxygenase-Aktivität (Sauerstoff-Fixierung) aufweist. Dies bedeutet, dass Sauerstoff und Kohlendioxid um das aktive Zentrum des Enzymkomplexes konkurrieren, was dazu führt, dass RuBisCO ziemlich ineffizient und langsam bei der Fixierung von Kohlenstoff in höheren Sauerstoffkonzentrationen ist. In der CO₂-reichen Atmosphäre der frühen Erde spielte das keine Rolle, aber in der heutigen Atmosphäre sind die O₂-Konzentrationen hoch genug, um die Produktivität von C3-Pflanzen stark einzuschränken.
Allerdings sind Pflanzen die ganze Zeit über nicht nur langsam gewachsen – es haben sich mehrere Mechanismen zur Steigerung der photosynthetischen Effizienz entwickelt. Die einflussreichsten Systeme beinhalten die Konzentration von Kohlendioxid in einem bestimmten Bereich unter Ausschluss von Sauerstoff und die Konzentration von RuBisCO in demselben Bereich. Dadurch wird die Sauerstoffkonkurrenz um das aktive Zentrum vermieden und RuBisCO kann effizienter arbeiten. Die Schlüsseladaption ist hier die C4-Photosynthese- das System, das in den meisten Gräsern und vielen der produktivsten Pflanzen der Erde vorhanden ist (z. B. Mais, Zuckerrohr, Miscanthus). Es hat sich mindestens 62 Mal unabhängig voneinander entwickelt. Es funktioniert, indem RuBisCO in „Bündelhüllen“-Zellen konzentriert wird, die von einer Schicht aus Suberinwachs umgeben sind. Diese Schicht verhindert, dass CO₂ entweicht und O₂ eindringt. CO₂ aus der Atmosphäre wird dann in verschiedenen Zellen – „Mesophyllzellen“ – durch ein weiteres Enzym – die Phosphoenolpyruvat-Carboxylase (PEPC) – fixiert., was zu einem Molekül mit vier Kohlenstoffatomen führt (daher C4). Diese 4-Kohlenstoffsäure (Malat oder Oxalacetat, je nach System) wird dann in die Bündelhüllenzellen transportiert. Dort wird das CO₂ je nach System durch unterschiedliche Enzyme wieder freigesetzt, wodurch eine hohe CO₂-Konzentration in der Zelle entsteht, wo RuBisCO dann effizient wirken kann.
Im Allgemeinen sind C4-Pflanzen viel (etwa 50%) effizienter als ihre C3-Pendants und sie sind besonders gut an hohe Temperaturen und feuchte Umgebungen angepasst. Um Ihre erste Frage zu beantworten: Wenn der atmosphärische CO2-Gehalt weiter ansteigt, werden C3-Pflanzen nach und nach in der Lage sein, effizienter Photosynthese zu betreiben. Interessanterweise wird jedoch vorausgesagt, dass C4-Pflanzen auch von erhöhtem atmosphärischem CO₂ profitieren. Wenn die globalen Temperaturen wie vorhergesagt ansteigen, werden sowohl C3- als auch C4-Anlagen effizienter arbeiten können als sie es derzeit tun, bis zu einer maximalen Temperatur, über der Enzyme schneller zu denaturieren beginnen und die Effizienz sinkt. Eine Überlegung ist, dass der Effizienzunterschied zwischen C3- und C4-Systemen abnehmen wird, was die Zusammensetzung von Pflanzengemeinschaften auf der ganzen Welt erheblich verändern kann.
Dies ist eine starke Vereinfachung, aber sie ist für die vorhergesagten Gesamteffekte zutreffend. Lokale Auswirkungen (dh Produktivitätsänderungen in einer bestimmten Region oder für eine bestimmte Kultur) hängen vom Lebensraum, der Physiologie usw. ab.
Einige Schlüsselpapiere, um Sie in die Literatur einzuführen:
Ich wollte der obigen hervorragenden Antwort etwas mehr hinzufügen, zumal das OP nach der Erforschung dieser Frage in einem "realen Kontext" fragt.
Zu genau dieser Frage gibt es eine beachtliche Menge an Beweisen, die aus Experimenten an "Free Air CO 2 Enrichment" ( FACE )-Standorten stammen. FACE ist eine experimentelle Methode/Technologie, bei der bestehende Ökosysteme einer CO 2 -Anreicherung ohne (große) Störung des Ökosystems unterzogen werden. Seit etwa den 1960er Jahren ist bekannt, dass ein höherer CO 2 -Gehalt das Pflanzenwachstum erhöht, aber die Motivation für FACE bestand darin, zu verstehen, welche langfristigen und ökosystemweiten Auswirkungen ein steigender CO 2 -Gehalt in der Atmosphäre haben würde. Viele verschiedene Arten von Ökosystemen (Wälder, Feldfrüchte, Buschland usw.) wurden bisher mit dieser Technik untersucht, einige davon über ziemlich lange Zeiträume. Ich denke, dass viele dieser Seiten jetzt geschlossen werden.
Einige zentrale Erkenntnisse:
Es gibt ein paar hervorragende Rezensionen:
Nowak, RS, Ellsworth, DS und Smith, SD (2004), Funktionelle Reaktionen von Pflanzen auf erhöhtes atmosphärisches CO2 – unterstützen Photosynthese- und Produktivitätsdaten aus FACE-Experimenten frühe Vorhersagen?. Neuer Phytologe, 162: 253–280. doi: 10.1111/j.1469-8137.2004.01033.x pdf
Norby, RJ und Zak, DR (2011), Ökologische Lehren aus Freiluft-CO2-Anreicherungsexperimenten (FACE). Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics, 42: 181-203. doi: 10.1146/annurev-ecolsys-102209-144647 link .
Dieser Artikel diskutiert die Bedeutung von Stickstoff bei der Begrenzung der Waldproduktivität bei hohem CO 2 :
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