Vraag:
Hoe zullen de stijgende kooldioxide-niveaus in de troposfeer de fotosynthetische producenten beïnvloeden?
Poshpaws
2012-01-16 19:47:26 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Er is veel discussie geweest over de effecten van klimaatverandering op planten, maar hoe zullen stijgende kooldioxideconcentraties het fotosyntheseproces zelf beïnvloeden? Zouden we, aangezien CO₂ een reagens is in fotosynthese, verwachten dat een hogere CO₂ een hogere fotosynthesesnelheid betekent in een reële context? Is hier onderzoek naar gedaan?

Ik denk meer aan grootschalige veldtesten dan aan laboratoriumplanten.

Ik neem aan dat je [dit] (http://mitochon.gs.dna.affrc.go.jp:81/csdb/jc/jc47/47587.pdf) en [dit] (https: // www. gewassen.org/publications/jeq/abstracts/19/1/JEQ0190010015), en wat meer nodig?
Het is een goede starter, hoewel het toevoegen van co2 aan een plant in een doos misschien niet echt verlichtend is. Tuinbouwers voegen al heel lang co2 toe aan tomaten in kassen. Ik dacht aan iets geavanceerder. Ik zal mijn vraag aanpassen.
Twee antwoorden:
Rik Smith-Unna
2012-02-01 01:06:05 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Er zijn verschillende belangrijke manieren waarop stijgende CO₂-concentraties in de atmosfeer de fotosynthese beïnvloeden, en deze houden verband met de verschillende soorten fotosynthese. Om je vraag goed te kunnen beantwoorden, geef ik wat achtergrondinformatie over fotosynthese zelf.

Fotosynthese evolueerde in een atmosfeer met veel CO₂, vóór de zuurstofverrijking van de atmosfeer (wat feitelijk gebeurde als gevolg van fotosynthese). De meeste plantensoorten werken met C3 fotosynthese . In deze fabrieken diffundeert kooldioxide in de cel waar het wordt gefixeerd door Ribulose-1,5-bisfosfaatcarboxylase-oxygenase (RuBisCO) in een 3-koolstofmolecuul (vandaar C3), dat vervolgens wordt gepolymeriseerd tot suikers maken. Een cruciaal feit over RuBisCO is dat het zowel carboxylase (koolstofbindende) activiteit als oxygenase (zuurstofbindende) activiteit heeft. Dit betekent dat zuurstof en kooldioxide strijden om de actieve plaats op het enzymcomplex, wat ertoe leidt dat RuBisCO vrij inefficiënt en langzaam is bij het fixeren van koolstof in hogere zuurstofconcentraties. Dat deed er niet toe in de CO₂-hoge atmosfeer van de vroege aarde, maar in de huidige atmosfeer zijn de O₂-concentraties hoog genoeg om de productiviteit van C3-planten ernstig te beperken.

Planten groeien echter niet alleen al die tijd langzaam - er zijn verschillende mechanismen ontwikkeld om de fotosynthetische efficiëntie te verhogen. De meest invloedrijke systemen zijn het concentreren van kooldioxide in een bepaald gebied, exclusief zuurstof, en het concentreren van RuBisCO in datzelfde gebied. Hierdoor wordt de zuurstofconcurrentie voor de actieve site vermeden en kan RuBisCO efficiënter werken. De belangrijkste aanpassing hier is C4-fotosynthese - het systeem dat aanwezig is in de meeste grassen en veel van de meest productieve planten op aarde (bijv. Maïs, suikerriet, Miscanthus). Het is onafhankelijk minstens 62 keer geëvolueerd. Het werkt door RuBisCO te concentreren in 'bundle sheath'-cellen die zijn omgeven door een laag suberinewas. Deze laag voorkomt dat CO₂ ontsnapt en O₂ binnendringt. CO₂ uit de atmosfeer wordt vervolgens gefixeerd in verschillende cellen - 'mesofylcellen' - door een ander enzym - fosfoenolpyruvaatcarboxylase (PEPC) , wat resulteert in een vierkoolstofcel molecuul (vandaar C4). Dit 4-koolstofzuur (malaat of oxaalacetaat afhankelijk van het systeem) wordt vervolgens in de cellen van de bundelschede gebracht. Daar wordt de CO₂ weer vrijgegeven door een verscheidenheid aan enzymen, afhankelijk van het systeem, waardoor een hoge CO₂-concentratie in de cel ontstaat waar RuBisCO dan efficiënt kan werken.

Over het algemeen zijn C4-planten veel (ongeveer 50%) efficiënter dan hun C3-tegenhangers, en ze zijn bijzonder goed aangepast aan hoge temperaturen en vochtige omgevingen. Dus om je eerste vraag te beantwoorden: naarmate de atmosferische CO2-niveaus blijven stijgen, zullen C3-planten geleidelijk efficiënter kunnen fotosynthetiseren. Interessant is echter dat wordt voorspeld dat C4-planten ook profiteren van verhoogde atmosferische CO₂. Als de mondiale temperatuur stijgt zoals voorspeld, zullen zowel C3- als C4-fabrieken efficiënter kunnen werken dan ze momenteel doen, tot een maximumtemperatuur waarboven enzymen sneller beginnen te denatureren en de efficiëntie zal afnemen. Een overweging is dat het verschil in efficiëntie tussen C3- en C4-systemen zal afnemen, wat de samenstelling van plantengemeenschappen over de hele wereld aanzienlijk kan veranderen.

Dit is een enorme versimpeling, maar het is juist voor de voorspelde algemene Effecten. Lokale effecten (dwz productiviteitsveranderingen in een bepaalde regio of voor een bepaald gewas) zullen afhangen van habitat, fysiologie, enz.

Enkele belangrijke artikelen om u in de literatuur te introduceren:

Bedankt voor uw antwoord @Richard Smith. Heel interessant. Ik vroeg me ook af of veel planten nutriëntenbeperkt zijn of niet - d.w.z., hoewel CO2 toeneemt, kan hun groei worden bepaald door de beschikbaarheid van N, P, K enz ...?
@Poshpaws Goede vraag. Het is nogal fundamenteel en belangrijk, dus het verdient het om als een aparte vraag te worden gepost - ik zal het stellen en beantwoorden en de link hier terug plaatsen.
In gematigd en koud klimaat doen C3-planten het beter dan C4, omdat ze niet hoeven te investeren in extra enzymen wanneer het fotorespiratie-effect verwaarloosbaar is. Dus temperatuurstijging zou C4-planten bevorderen.
@MartaCz-C ja dat is waar, goed punt.
Kun je in je antwoord ook celademhaling noemen? Is dat hoe zuurstoftekort planten beïnvloedt? Ook vraag ik me af waarom onderzoek naar de overleving van planten in een atmosfeer van het Mars-type aantoont dat fotosynthese efficiënter is bij een atmosfeer met alleen CO2 onder lage druk dan bij normale druk.
@Anixx dat is een aparte, maar gerelateerde vraag. Als je het als een nieuwe vraag stelt, zal ik zo goed mogelijk antwoorden.
gremau
2012-04-07 13:24:36 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Ik wilde iets meer toevoegen aan het uitstekende antwoord hierboven, vooral omdat het OP vraagt ​​naar onderzoek naar deze vraag in een "real-world context".

Er is een aanzienlijke hoeveelheid bewijs over precies deze vraag die afkomstig is van experimenten op "Free Air CO 2 Enrichment" ( FACE) -sites. FACE is een experimentele methode / technologie waarbij staande ecosystemen CO 2 -verrijking ondergaan zonder (veel) verstoring van het ecosysteem. Het is bekend dat hogere CO 2 de plantengroei verhoogt sinds de jaren zestig of zo, maar de motivatie voor FACE was om te begrijpen wat de langetermijneffecten en de effecten op ecosysteemschaal zijn van stijgende CO 2 sub> in de atmosfeer zou zijn. Veel verschillende soorten ecosystemen (bossen, gewassen, struikgewas, enz.) Zijn tot nu toe met deze techniek bestudeerd, sommige gedurende een vrij lange tijd. Ik denk dat veel van deze sites nu worden gesloten.

Enkele belangrijke bevindingen:

  • De netto primaire productie (assimilatie van plant C - ademhaling) is over het algemeen verhoogd voor plantensoorten, maar productiviteitsverhogingen varieerden sterk tussen ecosysteemtypen.
  • Deze productiviteitstoename nam in de loop van de tijd af, een effect dat grotendeels werd gemedieerd door veranderingen in de beschikbaarheid van plant N.
  • Verschillende plantfunctionele typen toon verschillende reacties. Kruidachtige soorten zagen bijvoorbeeld minder verbetering van de assimilatie (door een afname van blad N) in vergelijking met houtachtige planten op sommige locaties.
  • Op ecosysteemniveau wordt de primaire productie vaak beperkt door andere factoren dan de beschikbare CO 2 - stikstof of water bijvoorbeeld.

Er zijn een aantal uitstekende recensies beschikbaar:

  • Nowak, RS, Ellsworth, DS en Smith, SD (2004), Functionele reacties van planten op verhoogde atmosferische CO2 - ondersteunen fotosynthetische en productiviteitsgegevens van FACE-experimenten vroege voorspellingen ?. New Phytologist, 162: 253-280. doi: 10.1111 / j.1469-8137.2004.01033.x pdf

  • Norby, R. J. en Zak, D. R. (2011), ecologische lessen uit experimenten met CO2-verrijking in de vrije lucht (FACE). Jaaroverzicht van ecologie, evolutie en systematiek, 42: 181-203. doi: 10.1146 / annurev-ecolsys-102209-144647 link.

Dit artikel bespreekt het belang van stikstof bij het beperken van de bosproductiviteit onder hoge CO 2 :

  • Norby, RJ, Warren, JM, Iversen, CM, Medlyn, BE en McMurtrie, RE (2010), CO2-verhoging van de bosproductiviteit beperkt door beperkte beschikbaarheid van stikstof. PNAS, 107 (45) 19368-19373. doi: 10.1073 / pnas.1006463107 link
Geef het netwerk van FACE-sites een +1 om deze exacte vraag uitvoerig te beantwoorden. Toch zou het bieden van verwijzingen in std-formaat in plaats van links het antwoord nuttiger maken.


Deze Q&A is automatisch vertaald vanuit de Engelse taal.De originele inhoud is beschikbaar op stackexchange, waarvoor we bedanken voor de cc by-sa 3.0-licentie waaronder het wordt gedistribueerd.
Loading...