Paradoxy fotosyntézy a paleobarometr

Na celosvětové fotosyntéze (redukci oxidu uhličitého na organické látky) se organizmy oceánů podílejí 40 procenty. Organický uhlík vznikající při fotosyntetické asimilaci v oceánech není recyklován na CO₂ přímo na místě syntézy, ale klesá s mrtvými těly do velkých hloubek a spotřebovává se až tam. Naproti tomu ztráta v povrchové zóně se doplní oxidem uhličitým z atmosféry. Tato „biologická pumpa“ udržuje hladinu CO₂ v atmosféře asi o polovinu nižší, než odpovídá jeho rovnovážnému rozložení mezi oceánem a atmosférou, a přispívá tak k snížení skleníkového efektu (viz také Vesmír 71, 485, 1992/9; 73, 55, 1994/1).

Nemalá část (snad i většina) oceánské fotosyntézy jde na vrub fotosyntetizujících bakterií – sinic (Cyanobacteria). Ukazuje se však, že sinice při fotosyntéze oxid uhličitý produkují. Vysvětlení paradoxu nutno hledat ve dvou skutečnostech:

• Enzym katalyzující asimilaci (ribulózabisfosfátkarboxyláza/oxygenáza, zkráceně RUBISCO) potřebuje oxid uhličitý. Při koncentracích okolo 100 μM jím je z poloviny saturován. U suchozemských rostlin plyn samovolně vstupuje do buněk z ovzduší (přesněji z mezibuněčných prostor) a nabízí se v dostatečném množství. Ne tak v oceánu.
• Ve vodních roztocích většina rozpuštěného anorganického uhlíku není ve formě CO₂, ale kyseliny uhličité a jejích produktů – uhličitanových a hydrogenuhličitanových iontů:

  CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃ ↔ HCO₃^– + H⁺ ↔ CO₃^2– + 2H⁺

  V oceánu při pH 8,1 a teplotě 18 °C je 95 % anorganického uhlíku přítomno ve formě hydrogenuhličitanu HCO₃^– (2 mM oproti pouhým 10 μM CO₂) a jeho proměna na CO₂ je poměrně pomalá, takže fotosyntetizující buňka by spotřebovala CO₂ ve svém okolí rychleji, než by stačil vznikat z hydrogenuhličitanu nebo difundovat z okolí.

Jedinou obranou proti nedostatku je proces rozkladu hydrogenuhličitanu urychlit. (S problémem se potýkají všechny mořské rostliny, zde bude řeč jen o sinicích.) Dochází k tomu uvnitř buňky, kde je přítomen enzym karboxyanhydráza, jeden z nejaktivnějších známých enzymů. Hydrogenuhličitanové anionty (jako ostatně žádné ionty) však do buňky, na rozdíl od CO₂, nevstupují samovolně a buňka proto musí vlastnit ještě pumpu pro aktivní hromadění hydrogenuhličitanu (poháněnou světlem). Musí také, opět s výdajem energie, čelit alkalizaci vnitřního prostředí, kterou je rozklad hydrogenuhličitanu doprovázen. A protože RUBISCO se (při dostatečné intenzitě světla) saturuje rychleji než systém transportu a rozkladu hydrogenuhličitanu, vzniká v buňce víc CO₂, než je potřeba (při příznivých podmínkách se asimiluje jen pětina vyprodukovaného CO₂) a uniká z buňky ven. Produkce CO₂ se však projeví jen v bezprostředním okolí buňky. Ve vzdálenosti zhruba 20 μm je, díky zpětné reakci CO₂ s vodou, opět vše v rovnováze.

• Problém logický: Proč buňka takto plýtvá energií? Fixace jedné molekuly CO₂ vyžaduje vklad energie úměrný asi 3 molekulám ATP a kvůli dodatečným energetickým výdajům stoupá toto číslo u sinic dokonce na 4,5; přitom by se dalo snadno ušetřit, kdyby se vyrábělo jen tolik CO₂, kolik je potřeba. Nabízí se vysvětlení, že vysoká intenzita světla by mohla nevratně poškodit fotoasimilační aparát buňky, a tak je vlastně nadbytečná produkce CO₂ pojistkou chránící citlivé fotoantény před zničením.
• Problém geochemický: Uhlík se vyskytuje jako směs dvou stabilních izotopů – většinového ¹²C a příměsi ¹³C. Z obou vzniká CO₂, ale RUBISCO při asimilaci dává přednost formě lehčí, a tak je organická hmota ochuzena o ¹³C – v průměru asi o 27 promile. U anorganických reakcí, ale i při jiných životných procesech používajících CO₂ (např. při tvorbě uhličitanových schránek) je tato frakcionace izotopů zanedbatelná. Proto najde-li geochemik nebo paleontolog v hornině sloučeniny s vysokým deficitem ¹³C, domnívá se automaticky, že primárně vznikaly v procesu fotosyntetické asimilace pomocí RUBISCO. Protože se takové sloučeniny najdou i v nejstarších známých horninách (kolem 4 miliard let), předpokládáme, že už v té době existoval život, a tedy i fotosyntéza. A teď jsme u avizovaného problému. Účinnost oddělení izotopů enzymem RUBISCO stoupá s koncentrací CO₂. Čím vyšší je parciální tlak CO₂ v atmosféře, tím je deficit těžšího izotopu uhlíku vyšší. A s tím souvisejí pokusy o rekonstrukci složení pradávné atmosféry z naměřeného deficitu ¹³C v organických sloučeninách z dané doby. Kdyby se vše odehrávalo na souši, snad by s tímto „paleobarometrem“ nebyl žádný problém (pravda, pokud to bylo od prvopočátku v režii RUBISCO a enzym měl po celé věky stejné parametry jako dnes). Jenže po většinu zemské historie probíhala fotosyntéza téměř výlučně v mořském prostředí. A tam, jak jsme viděli, RUBISCO používá CO₂, který není s atmosférou v rovnováze chemické, a dokonce ani izotopické: těžší analog je snadněji rozpustný ve vodě, a proto je mořský hydrogenuhličitan ve srovnání s atmosférickým CO₂ o celých 90 promile bohatší na ¹³C. A tak nám toho míra diskriminace v pradávných organických sloučeninách o složení atmosféry té doby asi moc nepoví ...