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    乾燥的環境可能有助於一種新型植物在地球上立足

    乾燥的環境可能有助於一種新型植物在地球上立足

    乾燥的環境可能有助於一種新型植物在地球上立足

    在遠古地球急劇變化的條件下,生物不得不進化新的策略來跟上。從大約3000萬年前的漸新世中期到大約500萬年前中新世中期到晚期,大氣中的二氧化碳濃度下降了大約三分之一。在同一時期,一種新的光合作用形式出現在植物的一個亞群中,C4通路。在一些植物中,C4途徑補充了早期的C3光合途徑,這意味着這些物種現在使用兩種不同的策略從太陽中獲取能量。

    研究人員一直認為,二氧化碳水平下降推動植物的起源與這個創新,但是一項新的研究表明水的可用性可能是C4植物的出現背後的關鍵因素。「C4的最初起源,發生在大氣中二氧化碳含量仍然很高的時候,似乎是由水資源限制引起的,」文理學院生物學系研究生、論文第一作者周浩然(音譯)說。「後來,大約500萬到800萬年前,C4草原有了大規模的擴張。那是因為二氧化碳越來越低。二氧化碳和光強實際上是當時有利於C4的限制因素。

    賓夕法尼亞大學生物學助理教授Erol Akcay說:「我們所展示的是,C4途徑提高的水效率足以讓它在相對乾旱的環境中獲得最初的生態優勢。」這就是做這種生理模型的好處。如果你只看溫度和二氧化碳,你可能會錯過水和光的作用。研究人員的工作還表明,即使在漸新世晚期,大氣中的二氧化碳含量仍然相對較高的時候,C4植物可能比C3植物具有競爭優勢。賓夕法尼亞大學生物學副教授布倫特•赫利克(Brent Helliker)表示:「這一推論表明,C4的進化可能比我們之前想象的要早得多。」「這也支持了一些關於C4何時進化的分子時鐘估計。」

    在有C3光合作用途徑的植物中,光合作用產生的第一個穩定化合物包含三個碳原子;在C4植物中,第一種化合物有四個碳原子。C3路徑首先進化而來,當大氣中充滿二氧化碳時,它能有效運作。然而,C4植物獨立於C3植物進化了幾十次,儘管碳含量較低,但它們仍能高效地進行光合作用,這要歸功於一個額外的步驟,這個過程將碳從空氣中泵入細胞的內部層,在此循環的其餘部分進行。通過這種「封閉」的系統,光合作用機制不直接與外界空氣相互作用,C4光合作用使植物比C3途徑產生更多的食物,水分流失更少。

    今天,地球上大約四分之一的植被覆蓋是由C4植物構成的。包括玉米和甘蔗在內的幾種重要作物都具有C4通路。發現的化石記錄和同位素的研究已經幫助科學家估計這個途徑進化時,雖然這些估計已經晚於所提出的分子鐘數據從各種植物物種的系統發育分析,導致一些混亂當通路出現時,控制在特定的生態系統。

    為了更深入地研究可能有利於C4光合作用通路擴散的因素,Zhou、Akcay和Helliker建立了一個多層面的模型。影響光合作用以及那些他們認為變量影響液壓系統,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,植物還可以決定碳獲得和水分損失的最佳平衡。將這兩個系統結合起來,科學家的模型包含了4個可能有利於C3或C4譜系的因素:二氧化碳濃度、光照、溫度和水可用性。

    根據他們的模型,C4進化似乎分兩個階段進行。當二氧化碳仍然很高的時候,C4就出現在全球變暖、變乾燥的地區。但是,直到幾百萬年後,當二氧化碳非常低,草地的擴張為開闊的棲息地提供了充足的光照時,它才獲得了相對於C3植物的競爭優勢。在這些地區,C4草原擴大並取代C3草原。

    為了了解這個模型在C4植物早期是如何與古氣候互動的,佩恩團隊與普渡大學的Matthew Huber合作,Matthew Huber是一個古氣候建模師,由美國國家科學基金會資助建立了中新世氣候模型,以及研究生Ashley Dicks。研究人員利用氣候模型的產出和包括二氧化碳水平、溫度和降雨量在內的古氣候數據,預測了從漸新世晚期到中新世早期(大約3000萬到500萬年前)C3和C4植物可能的地理分布。他們發現了兩個以前沒有被確定的區域:西北非洲和澳大利亞。這兩個地區的C4植物在第一次進化後可能會占據主導地位,這要歸功於它們的節水能力。

    Akcay說:「這是世界上兩個以前沒有被認識到的區域,C4植物本來可以在那裡擁有生態優勢,並真正被取代。」「這是一個非常令人興奮的機會,」Huber說,「當Penn小組找到我們,因為這是古氣候模型輸出的一個非常新穎的應用。它有助於將氣候模型告訴我們的過去和未來氣候與地質記錄中可驗證的模式聯繫起來。雖然這項研究沒有調查隨着大氣中碳含量的再次上升,將來會發生什麼,但它可以幫助我們理解為什麼植物會以現在的方式分布,以及它們如何對未來的條件做出反應。Helliker說:「C4進化時的氣候條件在今天仍然很重要。」「如果一個血統的C4植物進化主要是因為水限制二氧化碳高時,這些植物可能會發現今天在乾燥的環境中,而如果是更多的二氧化碳,導致他們的進化和支配這些植物可能在今天潮濕地方。」

    此外,一些科學家認為,讓水稻等其他重要的農業物種進行C4光合作用,可能有助於提高糧食產量,因此,該模型可以幫助預測這些植物在哪裡可以最優地生長。

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