Florescendo maravilhosamente: os cactos estão entre as poucas espécies de plantas que podem prosperar no deserto. Alan Levine / Flickr, CC BY-SA

A luz solar, aproveitada pelas plantas no processo de fotossíntese, alimenta quase toda a vida na Terra. Adaptações especiais permitem que certas plantas armazenem uma bateria de dióxido de carbono durante a noite para uso na fotossíntese durante o dia, dando-lhes uma vantagem suculenta em condições de deserto seco.

Os processos que constituem a vida - como crescimento, reparo, movimento e reprodução - exigem uma fonte de energia. A fonte imediata dessa energia para muitos seres vivos é a energia química.

As moléculas baseadas em carbono de alta energia, como açúcares e gorduras, são quebradas para potencializar os processos da vida. Essas moléculas de alta energia não ocorrem naturalmente no meio ambiente. Organismos tímidos e desonestos, como humanos, confiam em roubar moléculas de alta energia de outros organismos comendo-os. Em última análise, no entanto, mais moléculas de alta energia são necessárias para substituir as quebradas.

Embora os açúcares e as gorduras, infelizmente, não caiam do espaço, fótons ricos em energia (a melhor coisa a seguir) são, na forma de luz solar. Organismos mais responsáveis ​​do que nós, como plantas e algas, realizam a fotossíntese. Este processo usa a energia da luz solar para regenerar moléculas de alta energia a partir de seus resíduos de decomposição, dióxido de carbono (CO₂), que é constantemente liberado na atmosfera por todos os seres vivos.

Na forma mais comum de fotossíntese, CO₂ é absorvido em folhas durante o dia por minúsculos poros na superfície da planta. É então anexado, ou "fixo", diretamente em uma molécula de açúcar usando energia da luz solar, para ser usado como uma fonte de energia química - seja pela planta, ou pelo animal que a consome.

Poros minúsculos deixam dióxido de carbono na folha - mas também permitem a entrada e saída de oxigênio. Photohound

Mas adquirindo CO₂ da atmosfera pode ser problemático em algumas situações. Abrir os poros na superfície da planta permite que o CO₂ mas também permite que o oxigênio entre e saia pela água. A perda de água é um problema em ambientes secos - particularmente durante o dia, que é quando o CO₂ é necessário para a fotossíntese.

Além disso, em ambientes quentes, a planta é menos capaz de discriminar entre oxigênio e CO₂ e pode realmente acabar ligando o oxigênio à molécula de açúcar. Uma vez que uma molécula de oxigênio é fixada a um açúcar, ela deve ser extraída novamente a um custo energético significativo, reduzindo a energia líquida que as plantas podem adquirir da fotossíntese.

Baterias de dióxido de carbono para eficiência

Vários grupos de plantas evoluíram e não fixam diretamente CO atmosférico₂ fazer açúcares, mas anexar CO₂ em outras moléculas que podem ser armazenadas, transportadas e quebradas para liberar CO₂ novamente, como uma bateria. Isso evita os problemas de perda de água e fixação acidental de oxigênio.

Duas estratégias alternativas evoluíram para fazer uso dessa capacidade: a fotossíntese C4, que manipula a concentração de CO₂ no espaço, e fotossíntese CAM, que manipula a concentração no tempo.

A fotossíntese de C4 é realizada por espécies 7,600, a maioria delas gramíneas, incluindo milho e sorgo. Tem evoluiu independentemente pelo menos 60 vezes, ainda está presente em menos de 0.5% de espécies de plantas. Embora altamente competitivos em ambientes quentes, os custos energéticos associados ao armazenamento de carbono significam que as plantas que realizam a fotossíntese convencional têm a borda em temperaturas mais baixas.

A fotossíntese da C4 usa uma enzima especial para fixar CO atmosférico₂ em um ácido. Esta enzima é muito melhor em discriminar entre CO₂ e oxigênio do que a enzima clássica usada na fotossíntese tradicional. O ácido é transportado profundamente dentro da planta, onde as concentrações de oxigênio são muito mais baixas, e o CO₂ é relançado. Neste ambiente de baixo oxigênio, a planta comete menos erros de fixação de oxigênio, aumentando a eficiência da fotossíntese. Há um custo energético para essa forma indireta de fazer fotossíntese, mas isso é mais do que compensado pela diminuição da dispendiosa fixação de oxigênio em ambientes quentes.

As plantas de cactos e abacaxis usam a fotossíntese CAM para permanecer suculenta. hiyori13 / Flickr, CC BY-SA

O outro tipo alternativo de fotossíntese é o CAM, ou Metabolismo do Ácido Crassuláceo, que antecede a fotossíntese do C4 em pelo menos 150 milhões de anos. Isso foi descoberto pela primeira vez na família Crassula de plantas, mas tem evoluiu independentemente em muitas linhagens de plantas, totalizando mais de espécies 9,000.

Como as plantas C4, o CAM também armazena CO₂ em um ácido, mas realiza essa reação à noite, e, em vez de transportar as moléculas de ácido para uma parte diferente da planta, simplesmente as armazena no vacúolo - a área de armazenamento no coração de cada célula da planta. Durante o dia, quando a luz necessária para a fotossíntese está disponível, a planta não precisa abrir os poros: ela tem um almoço embalado já armazenado em suas células. Isso permite que a planta realize a fotossíntese sem abrir seus poros durante o dia, reduzindo massivamente a quantidade de água perdida.

É assim que as plantas CAM, como os cactos e abacaxis, podem permanecer suculentas e aquosas apesar dos ambientes quentes em que crescem. Em ambientes mais úmidos ou mais frios, os problemas resolvidos pela fotossíntese CAM e C4 não são tão severos - e o custo energético armazenar e relançar o CO₂ significa que as plantas são competitivas apenas com seus primos tradicionalmente fotossintetizantes em ambientes quentes ou secos.

Talvez o último lugar, portanto, que se espere encontrar plantas CAM seja debaixo d'água, um ambiente bastante úmido por todas as contas. Foi com alguma surpresa, portanto, que CAM foi relatado pela primeira vez na planta do lago Isoetes seguido por descobertas em quatro outros gêneros de plantas aquáticas.

Pequenas plantas aquáticas do gênero Isoetes realizam CAM para concentrar o dióxido de carbono no mundo subaquático. US Fish & Wildlife Service

Apesar de seus ambientes muito diferentes, as plantas em lagos e desertos acabam compartilhando o mesmo problema - a dificuldade de adquirir CO₂. Enquanto muitos CO₂ pode ser dissolvido em água, ele se difunde muito mais lentamente do que no ar, então a água ao redor de uma planta pode ficar sem CO₂. As plantas aquáticas evoluíram a fotossíntese CAM para que possam continuar a absorver CO₂ à noite, usando-o para suplementar o que eles podem adquirir durante o dia.

Além de pesquisas visando introduzir a fotossíntese C4 em arroz, tem havido um interesse significativo em modificar plantas de culturas para realizar a fotossíntese de CAM, para que possam sobreviver melhor às secas causadas pela mudança climática.

Sobre o autor

Daniel Wood, estudante de PhD em Biologia Vegetal, Universidade de Sheffield

Este artigo foi republicado a partir de A Conversação sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.

ing