Rostliny C₄

Pojem fotosyntéza vyvolává u mnoha lidí představu procesu, ve kterém vzniká kyslík. Přestože typů fotosyntézy je mnoho, ta oxygenní je dnes na Zemi nejrozšířenější a pro naši existenci zcela zásadní. Rostliny při fotosyntéze pohlcují světlo (přesněji záření v rozsahu vlnových délek asi 400–700 nm) a s pomocí jeho energie zabudovávají anorganický oxid uhličitý (CO₂) do organických složek svého těla. Fotosyntéza rostlin je složitý a několikastupňový proces. Zaměřme se pouze na části související s příjmem oxidu uhličitého, které nejvíce odrážejí právě odlišnosti rostlin C₄.

U „běžných“ rostlin, řas a sinic je CO₂ biologicky vázán prostřednictvím enzymu ribulosa-1,5-bisfosfátkarboxyláza/oxygenáza neboli Rubisco. Prvním stabilním produktem fotosyntézy u těchto rostlin je tříuhlíkatá látka, a proto jim fyziologové říkají C₃. Rubisco je evolučně velmi starý enzym a v době jeho vzniku panovaly zcela jiné podmínky než dnes. Především bylo v atmosféře mnohonásobně víc CO₂. Proto se neprojevovala nevýhoda dvojfunkčnosti enzymu, která je zřejmá z jeho názvu a která jeho účinnost v dnešních podmínkách výrazně omezuje. Enzym totiž kromě CO₂ (karboxylace) váže i kyslík (oxygenace) – tím více, čím více kyslíku a méně oxidu uhličitého je v jeho okolí přítomno. Navázáním O₂ však vzniká „špatný produkt“ – glykolát – a uhlík v něm je zachráněn jen ze dvou třetin v energeticky náročném procesu nazývaném fotorespirace. Poslední třetina je odbourána až na oxid uhličitý, který je vydán zpět do mezibuněčného vzduchu.

Fotorespirace je složitou kaskádou reakcí – uhlík v glykolátu prochází řadou přeměn, až se z části (2/3) stává opět tříuhlíkatá látka – regulérní produkt asimilace CO₂. Zajímavé je, že k „úspěšnému zachraňovacímu procesu uhlíku“, kterým fotorespirace je, je třeba spolupráce tří buněčných organel – chloroplastu, mitochondrie a peroxizomu. Fotorespirace se tedy navenek podobá dýchání, které je však vázáno jen na světlo (a běžící fotosyntézu). Odtud jeho jméno.

Záměnnost kyslíku a oxidu uhličitého u Rubisco zákonitě nebyla na překážku v době vzniku fotosyntézy, v prahorách, kdy CO₂ tvořil hlavní složku atmosféry. Oxygenace byla zanedbatelná i v době, kdy byla koncentrace CO₂ několikanásobná, než je dnes. Rubisco totiž mnohem ochotněji váže CO₂ než kyslík (říkáme, že má k CO₂ větší afinitu). Navíc se CO₂ ve vodě (buňkách) rozpouští asi 50× lépe než kyslík.

Takřka kritickou se situace stala až koncem třetihor (před několika miliony let) a hlavně ve čtvrtohorách. V této době už byla většina oxidu uhličitého ze vzduchu vázána ve vápencích, uhlí, ropě a živých i odumřelých tělech organismů a fotosyntézou zaměněna ve vzduchu za kyslík. Připomeňme, že tento kyslík nevzniká v rostlinách štěpením CO₂, nýbrž vody. Nejméně CO₂, pokud dnes víme, bylo ve vzduchu během dob ledových, přibližně pouhé 0,02 % objemu. Naopak v dobách meziledových jeho obsah vzrůstal asi o třetinu (patrně hlavně díky uvolňování CO₂ rozpuštěného v oceánech). Dnes je ve vzduchu CO₂ trochu více – 0,039 % objemu – a jak známo dále stoupá. Pro rostliny je to však stále málo, uvážíme-li, že koncentrace kyslíku ve volné atmosféře je skoro 600× vyšší než oxidu uhličitého (21 % oproti 0,039 %). Při této situaci jednak není Rubisco nasyceno (nepracuje svou maximální rychlostí), jednak fotorespirací prochází kolem 20–40 % uhlíku získaného fotosyntézou, který se dostal do špatného produktu – glykolátu. To představuje energetické plýtvání a část CO₂ se vrací zpět do atmosféry. Rychlost oxygenace (a tudíž i ztrátové fotorespirace) navíc vzrůstá s teplotou. Souvisí to jak s vlastnostmi enzymu Rubisco, tak s rozpustností kyslíku a oxidu uhličitého ve vodě (buněčných tekutinách).

Fotorespirace však má pro rostlinu i svůj přínos. Stala se dnes důležitým odpadním kanálem pro přebytečnou světelnou energii. Tu sice v podmínkách nedostatku CO₂ proměňuje zčásti v neužitečné teplo, ale tím zároveň chrání fotosyntetický aparát před poškozením. Krom toho má svoji úlohu v dusíkovém metabolismu.

Vynález C₄

Záměnnost kyslíku za oxid uhličitý u enzymu Rubisco začala rostliny ve velké míře omezovat zřejmě v miocénu, středních třetihorách, tedy asi před 10 miliony lety. Tenkrát poprvé (pokud dnes víme) klesla koncentrace CO₂ pod 0,05 % objemu vzduchu a oxygenace tak dosáhla téměř současných hodnot. Jak se rostlinám C₄ podařilo handicap v podobě fotorespirace zmírnit?

Možností by bylo více. Co třeba nahradit Rubisco enzymem obdařeným jen karboxylační aktivitou, tedy vážícím jen CO₂? Taková záměna nebo vylepšení klíčového enzymu se však přírodě nikdy nepovedla. Navíc, ač se to třeba nezdá, času na to bylo velmi málo – co je desítka milionů let problémů proti třem miliardám, kdy to fungovalo dobře. Řešení se přesto našlo, nicméně poněkud kompromisní.

Když se snížila koncentrace CO₂ v atmosféře Země, nešlo by alespoň zvýšit koncentraci CO₂ v místě, kde se nachází Rubisco? Tím by se oxygenace částečně nebo skoro úplně potlačila. Vytváření koncentračních gradientů je pro živé tvory typické – je to vlastně hlavní funkce biologických membrán a přenašečů v nich. U mnohých skupin řas a sinic nacházíme celou řadu pump, které pumpují oxid uhličitý přes membrány a koncentrují ho uvnitř daného prostoru. Nás však bude zajímat ta, která vedla ke vzniku suchozemských C₄ rostlin.

Jde o spolupráci dvou anatomicky a biochemicky odlišných typů buněk. Ty, které obklopují cévní svazky (buňky pochev cévních svazků), obsahují Rubisco a přijímají CO₂ jako ostatní rostliny. Buňky vnější (mezofylové) zajišťují příjem atmosférického CO₂ a předávají ho ve vázané podobě buňkám poševním. V nich je molekula CO₂ asimilována Rubisco. Důležité je, že mezofylové buňky váží CO₂ jiným enzymem, který nejeví oxygenační aktivitu, je rychlejší a navíc má k CO₂ vyšší příchylnost. Jmenuje se fosfoenolpyruvátkarboxyláza (PEPc), protože váže CO₂ na tříuhlíkatý fosfoenolpyruvát, čímž vzniká čtyřuhlíkatý oxalacetát (obr. 2). Podle počtu uhlíků v oxalacetátu vznikl název metabolismus C₄.

PEPc je podobně jako Rubisco velmi starý enzym, který plní různé funkce, a to nejen v rostlinách. Je například nepostradatelný při otevírání průduchů a k vytváření metabolické rovnováhy mezi organelami (chloroplasty a mitochondriemi) – poskytuje uhlík v podobě kyseliny jablečné pro mitochondriální metabolismus. V rostlinách C₄ se navíc ukázala jeho vhodnost pro příjem CO₂ ze vzduchu v případě, že v něm je CO₂ málo. Rostliny C₄ tedy ke svému vzniku nepotřebovaly vlastně téměř nic nového. Snad proto se v geologickém čase objevují celkem náhle.

Evoluce syndromu C₄

Současná představa vývoje syndromu C₄ se opírá zejména o pozorování druhů, jež vykročily směrem k břehům C₄, kterých ovšem ještě nedosáhly (např. rod Flaveria z čeledi hvězdnicovitých). Zbývá jim ještě různě dlouhá cesta ukazující evoluci v akci. Jeden scénář vzniku syndromu C₄ je tento:

1. Zdvojí se řada genů, což je (nejen) u rostlin běžné. Jedna kopie plní svůj účel, druhá může mutovat k nové nebo pozměněné funkci, která se může časem hodit.

2. Zhoustne žilnatina listů a posléze se vytvoří věnčitá anatomie. Zvýší se tím podíl cév vedoucích vodu do listu. Dělají to i C₃ druhy suchých oblastí.

3. Zvýší se množství chloroplastů v pochvách cévních svazků (jen u trav). Trávy C₃ v nich jinak skoro žádné nemají (žilky jsou průsvitné). Jsou-li však žilky hodně hustě, hodně světla listem prosvítá, což snižuje fotosyntézu, a tím i konkurenční sílu druhu.

4. Posílí se transport glykolátu do pochev cévních svazků. Fotorespirace v mezofylu je tím omezena, což zlepší příjem CO₂ ze vzduchu při jeho nižších koncentracích. Toto je typická vlastnost mnohých dnešních druhů přechodných mezi C₃ a C₄.

5. Zvýší se aktivita PEPc v mezofylu i dalších enzymů. Výsledkem bude „pumpování“ vázaného CO₂ do buněk cévních pochev.

6. Vznikne kontakt mezi mezofylovými buňkami a buňkami cévních pochev, které budou spojeny četnými plazmodezmy a zároveň izolované korkem, aby plynný CO₂ neutíkal.

7. Systém se „doladí“. Např. se potlačí Rubisco v mezofylových buňkách, kde se stává zbytečným, protože PEPc váže CO₂ účinněji.

Tento pohled je notně zjednodušený a navíc jen jeden z možných. Za povšimnutí stojí, že časnější kroky nesou rostlině výhodu samy o sobě i bez vyhlídky vzniku fotosyntézy C₄ a pozdější fáze jsou zase nutnými nebo pravděpodobnými důsledky těch dřívějších. Vývoj pumpy C₄ – a to je důležité – tedy mohl být postupný. Nejprve se objevil sklon k recyklování CO₂ z fotorespirace. Postupně se pumpa vylepšovala, až u vyšších rostlin vedla k vzniku druhů C₄, jak je známe dnes. Přitom Rubisco pracovalo nerušeně dále, jen mu bylo postupně „přilepšováno“.

Nic není zadarmo

Proč tedy mechanismus C₄ neprovozují všechny rostliny? Proč ty, které to umí, nevytlačí druhy C₃? Proč dnes nejsou jen rostliny C₄?

Jednoduchá odpověď: Protože pumpa C₄ řeší kauzu Rubisco jen částečně. Složitější odpověď: Kdyby nebyla oxygenace, rostliny C₃ by potřebovaly k celkem navázání jedné molekuly CO₂ 3 molekuly ATP (univerzálního energetického platidla buňky) a 2 molekuly NADPH (reduktant). Rostliny C₄ to samé a navíc 2 ATP na zajištění funkce pumpy CO₂, dohromady 5 ATP. Zdálo by se tedy, že rostliny C₄ jsou vždy v nevýhodě, protože méně účinně využívají světlo (s pomocí jehož energie se vytváří ATP i NADPH). Hodnota ATP pro druhy C₃ je však v přírodě vždy vyšší právě kvůli vázání kyslíku a složitému zachraňování části látek takto vzniklých. Při podílu fotorespirace asi 30 % fotosyntézy je to právě 5 ATP jako u rostlin C₄. Ve výsledku se tedy metabolismus C₄ vyplácí v případě, že fotorespirace rostlin C₃ činí asi třetinu fotosyntézy a více. V opačném případě (fotorespirace menší než 1/3 čisté fotosyntézy) jsou náklady na provoz pumpy C₄ větší než zisk, který přinese. (Jakým podmínkám tato situace odpovídá v přírodě a kde druhy C₄ přednostně rostou, si řekneme v dalším díle.)

Kdy a u kterých skupin se fotosyntéza C₄ objevuje?

Výzkum DNA ukázal, že rostliny C₄ vznikly vícekrát nezávisle. Zatímco v knize C₄ Plant Biology z r. 1999 se píše o nejméně 31 počátcích, Rowan Sage ve svém článku o evoluci rostlin C₄ z r. 2004 uvádí již 45 až 48 nezávislých vzniků! Výzkum běží rychle kupředu a výsledky jistě nejsou definitivní. Co se však už dnes jeví zřejmé, je jakási náchylnost rostlin C₃ stát se C₄.

Čím je věda „dál“, tím soudobějšími rostliny C₄ shledává. Extrémní odhady jsou např. prvohorní karbon (asi před 300 miliony let) – v době, ve které (jak dnes víme) nebyly ještě kvetoucí rostliny. Ještě r. 1999 najdeme mutační výpočet stáří trav C₄ 75 milionů let. Nejnovější práce, která se souborně věnuje vzniku a vývoji rostlin C₄, však hovoří o „pouhých“ 20–35 milionech let (u trav). Pro srovnání, nejstarší fosilie se zachovanou věnčitou anatomií (znak současných trav C₄) je stará 12,5 milionu let. Od této doby můžeme jejich existenci snad považovat za prokázanou.

Dvouděložné druhy C₄ jsou však pravděpodobně ještě mladší a zdá se, že vznikají dodnes. Tomu nasvědčuje i skutečnost, že zatímco celé rody travin jsou většinou buď C₃ nebo C₄, u dvouděložných je to často v rámci jednoho rodu „namíchané“. Existují však, jak to tak bývá, výjimky. Např. dvouděložné laskavce jsou všechny C₄, naproti tomu tráva Alloteropsis semialata, původem z Afriky, může být C₃ i C₄. Krásným příkladem evolučního mládí dvouděložných je již zmíněný rod Flaveria. V něm najdeme jak zástupce C₃ a C₄, tak druhy, které jsou „na půli cesty“.

Počet dnes známých druhů C₄ se blíží 10 000. Více než polovinu z nich tvoří trávy (lipnicovité – Poaceae, viz tab. I). (Eko)fyziologické vysvětlení jejich úspěšnosti však není
tak jednoduché. Evoluční zjednodušení je následující: Metabolismus C₄ vznikl u trav dříve než u ostatních skupin. Proto měl víc času „vyladit se“, aby poskytoval maximální výhody. Navíc být trávou je samo o sobě celosvětově extrémně úspěšná strategie bez ohledu na typ metabolismu. Opět není zcela jasné proč. U dvouděložných na druhou stranu překvapuje počet čeledí, ve kterých se syndrom C₄ objevil a objevuje.

Kdy si vegetace C₄ podmanila Zemi?

Jako se fotosyntéza C₃ a C₄ výrazně liší ve svém principu, liší se i ve volbě oxidu uhličitého s lehkým (¹²C) a těžkým (¹³C) izotopem uhlíku. Výsledkem je jejich odlišné zastoupení v biomase rostlin C₃ a C₄, ale také ve fosiliích býložravců, kteří se jimi živili. K obrovské izotopové změně v zubní sklovině kopytníků a ve fosilizovaných skořápkách vajec pštrosů došlo na mnoha (tehdy) teplých místech světa před 8–5 miliony let. Tento zlom se obecně považuje za vítězství C₄ druhů v teplých travinných biotopech. Koncentrace CO₂ se však v oné době téměř nelišila od té dnešní. Před 15–5 miliony let se vzdušná koncentrace CO₂ navíc nijak dramaticky nesnižovala. Hlavní roli v postupném šíření vegetace C₄ tedy patrně sehrálo klima, které se postupně stávalo v mnoha částech tropů, subtropů a teplejšího mírného pásu sušší a sušší.

Největšího zvýhodnění se rostliny s pumpou CO₂ dočkaly během dob ledových. Přestože u nás převažovala tundra, blíže k rovníku se ochladilo jen málo. Navíc bylo mnohde sušší podnebí, což přispělo k dalšímu rozmachu druhů C₄ na šířícím se bezlesí. Přitom nešlo jen o šíření. Silný evoluční tlak (soudobá výhodnost „být C₄“) nepochybně urychlil i vznik a vývoj nejmladších skupin C₄, hlavně dvouděložných.

Svět před fenoménem C₄ a s ním

Protože i vědci rádi fantazírují, objevují se stále nové spekulace o tom, co rostliny C₄ zásadně změnily. Popularizujme zde hypotézu nejodvážnější (z antropocentrického pohledu).

Možná jste si již uvědomili, že vítězné tažení trav C₄, které pokryly většinu tropické a subtropické otevřené krajiny, spadá do počátků evoluce člověka. Většina antropologů míní, že by člověk nevznikl, kdyby jeho předkové nemuseli slézt ze stromů. Tato věc se stala v jižní a východní Africe, kolébce lidstva, právě v pozdním miocénu (před 8–5 miliony let), kdy vegetace C₄ poprvé nastoupila masově. Těžko můžeme tvrdit, že odlesnění, které donutilo primáty chodit po zemi, bylo způsobeno šířením těchto rostlin. Lesy by patrně ustoupily i bez nich – suchem. Nicméně krajina, ve které se naši předci po další miliony let pohybovali, byla z velké části C₄. To mohlo jejich další vývoj nasměrovat.

Podle zubní skloviny fosilních hominidů (hlavně Australopithecus africanus) z doby před 3–2,5 miliony let se odhaduje, že podíl rostlin C₄ v jejich jídelníčku (ať už přímo nebo „prohnaných“ přes býložravce) činil nejméně 25 %. Soustavnější izotopové měření fosilií vývojových stupňů člověka však bohužel nemáme. Tyto vykopávky jsou tak vzácné, že jen málokdy bylo dovoleno brousit jim zuby pro izotopové analýzy.

Většinu evoluce tedy člověka provázely druhy C₄, často v zapojené vegetaci. Je pravděpodobné, že nebýt jich, vypadáme a konáme dnes jinak.

V příštím pokračování si povíme něco o ekologii a rozšíření rostlin C₄.