在古地球的急劇變化的條件下,生物必須進(jìn)化出新的策略來保持。從mid-Oligocene,大約3000萬年前,中新世中后期,大約500萬年前,大氣中二氧化碳濃度下降了約三分之一。這個(gè)時(shí)期出現(xiàn)的一種新形式的光合作用在植物的一個(gè)子集,C4途徑。存在于植物的一個(gè)子集,C4途徑補(bǔ)充前面的C3光合作用途徑,這意味著這些物種現(xiàn)在收獲了來自太陽的能源使用兩種不同的策略。

研究人員一直認(rèn)為,二氧化碳水平下降推動植物的起源與這個(gè)創(chuàng)新,但是一項(xiàng)新的研究在《美國國家科學(xué)院學(xué)報(bào)》上,基于生化模型由一群由賓夕法尼亞大學(xué)生物學(xué)家和古氣候建模普渡大學(xué)由一群,表明水的可用性可能是C4植物的出現(xiàn)背后的關(guān)鍵因素。

“C4的最初起源,發(fā)生在大氣二氧化碳仍很高,水似乎受到限制,“Haoran周說,研究生在藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院生物系和第一作者在紙上。”后來,大約5到800萬年前,有一個(gè)大的擴(kuò)張C4草原。這是因?yàn)槎趸甲兊迷絹碓降?。二氧化碳和光照?qiáng)度實(shí)際上是限制因素有利于C4。”

說:“我們展示Erol Akcay,賓夕法尼亞大學(xué)的助理教授生物學(xué),”是提高用水效率的C4途徑足以給它一個(gè)最初的生態(tài)優(yōu)勢相對干旱的環(huán)境。這是做這種類型的生理建模的好處。如果你只考慮溫度和二氧化碳,你可能會錯過這個(gè)水和光的作用。”

研究者的工作還表明,C4植物可能有競爭優(yōu)勢在C3植物即使大氣中二氧化碳水平仍相對較高,在漸新世晚期。

“推理是C4可能比我們以前認(rèn)為的發(fā)展相當(dāng)早,”佩恩的布倫特Helliker說,生物學(xué)副教授,連同Akcay,作為周的顧問。“這支持一些分子鐘估計(jì)當(dāng)C4進(jìn)化。”

在植物中C3光合作用途徑,第一個(gè)光合作用生產(chǎn)的穩(wěn)定化合物包含三個(gè)碳原子;在C4植物中,第一個(gè)化合物有四個(gè)碳原子。C3通路發(fā)展第一,功能有效時(shí),氣氛富含二氧化碳。然而,C4植物是單獨(dú)進(jìn)化的C3植物數(shù)十次,能夠有效光合作用盡管低碳水平由于一個(gè)額外的步驟在服務(wù)的過程中,空氣中的二氧化碳注入一個(gè)內(nèi)部層細(xì)胞,其余的循環(huán)運(yùn)行。通過運(yùn)行“封閉”系統(tǒng),光合作用機(jī)制與外部空氣不直接交互,C4光合作用使植物用更少的水做更多的食物比C3途徑損失。

今天,大約四分之一的地球植被由C4植物。幾個(gè)重要的作物物種,包括玉米和甘蔗,擁有C4途徑。發(fā)現(xiàn)的化石記錄和同位素的研究已經(jīng)幫助科學(xué)家估計(jì)這個(gè)途徑進(jìn)化時(shí),雖然這些估計(jì)已經(jīng)晚于所提出的分子鐘數(shù)據(jù)從各種植物物種的系統(tǒng)發(fā)育分析,導(dǎo)致一些混亂當(dāng)通路出現(xiàn)時(shí),控制在特定的生態(tài)系統(tǒng)。

近距離觀察的因素可能支持C4光合途徑的傳播,周,Akcay, Helliker創(chuàng)建了一個(gè)多層次模型。影響光合作用以及那些他們認(rèn)為變量影響液壓系統(tǒng),植物的“決定”,把更多的精力投入到不斷增長的根吸收水分,或建造更多的葉子,可以幫助吸收光和二氧化碳也暴露了他們更大的水損失。此外,植物可以確定最優(yōu)的碳平衡和水損失。耦合這兩個(gè)系統(tǒng),科學(xué)家們的模型包括四個(gè)因素,可以支持C3和C4血統(tǒng):二氧化碳濃度、光、溫度、水和可用性。

根據(jù)他們的模型,C4進(jìn)化似乎在兩個(gè)階段。當(dāng)二氧化碳還高,C4在在全球范圍內(nèi)的不斷出現(xiàn),已經(jīng)變得溫暖和干燥。但它才獲得競爭優(yōu)勢C3植物幾百萬年后,當(dāng)二氧化碳很低和草原的擴(kuò)張為開放的棲息地提供了充足的光線。在這些地區(qū),C4草原擴(kuò)張和C3草原取代。

看看這個(gè)模型與古氣候在早期的C4植物,佩恩團(tuán)隊(duì)合作與普渡大學(xué)的馬修·胡貝爾古氣候建模人員由國家科學(xué)基金會資助的模型中新世氣候,和研究生阿什利·迪克斯。使用氣候模型輸出和古氣候數(shù)據(jù)包括二氧化碳濃度、溫度、降雨,研究人員預(yù)測可能的地理分布C3和C4植物通過從漸新世到中新世早期晚期,大約30到500萬年前。他們發(fā)現(xiàn)兩個(gè)地區(qū)以前從未被確認(rèn),C4植物就可能會主導(dǎo)第一進(jìn)化后,由于水效率:西北非洲和澳大利亞。

“這些都是兩個(gè)世界以前未被認(rèn)識的口袋C4植物可能有一個(gè)生態(tài)優(yōu)勢和真正接管,“Akcay說。

說:“這是一個(gè)非常激動人心的機(jī)會,”休伯,“當(dāng)佩恩集團(tuán)聯(lián)系了我們,因?yàn)檫@是一個(gè)非常新穎的應(yīng)用古氣候模型輸出。它有助于使氣候模型告訴我們什么之間的聯(lián)系過去和未來氣候和地質(zhì)記錄的可核查的模式。”

雖然這項(xiàng)研究沒有調(diào)查在未來會發(fā)生什么大氣二氧化碳水平上升再一次,它可以幫助提高理解為什么植物分布的今天,如何應(yīng)對未來的條件。

”在場的氣候條件當(dāng)C4進(jìn)化還可能重要的今天,“Helliker說。“如果一個(gè)血統(tǒng)的C4植物進(jìn)化主要是因?yàn)樗拗贫趸几邥r(shí),這些植物可能會發(fā)現(xiàn)今天在干燥的環(huán)境中,而如果是更多的二氧化碳,導(dǎo)致他們的進(jìn)化和支配這些植物可能在今天潮濕地方。”

此外,一些科學(xué)家認(rèn)為工程其他農(nóng)業(yè)重要的物種,如大米、C4光合作用,有助于提高糧食產(chǎn)量,所以該模型可以幫助預(yù)測這樣的植物可以優(yōu)化生長。