Se ha discutido mucho sobre los efectos del cambio climático en la vida vegetal, pero ¿cómo afectarán las crecientes concentraciones de dióxido de carbono al proceso fotosintético en sí? Dado que el CO₂ es un reactivo en la fotosíntesis, ¿esperaríamos que un CO₂ más alto signifique una mayor tasa de fotosíntesis en un contexto del mundo real? ¿Ha habido alguna investigación sobre esto?
Estoy pensando más en pruebas de campo a gran escala que en plantas de laboratorio.
Hay varias formas clave en las que el aumento de las concentraciones atmosféricas de CO₂ afectará a la fotosíntesis y están relacionadas con los diferentes tipos de fotosíntesis. Para responder adecuadamente a su pregunta, proporcionaré algunos antecedentes sobre la fotosíntesis en sí.
La fotosíntesis evolucionó en una atmósfera con alto contenido de CO₂, antes del enriquecimiento de oxígeno de la atmósfera (que en realidad ocurrió como resultado de la fotosíntesis). La mayoría de las especies de plantas operan la fotosíntesis C3 . En estas plantas, el dióxido de carbono se difunde hacia el interior de la célula donde es fijado por la ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa oxigenasa (RuBisCO)en una molécula de 3 carbonos (por lo tanto, C3), que luego se polimeriza para formar azúcares. Un hecho crucial sobre RuBisCO es que tiene actividad carboxilasa (fijación de carbono) y actividad oxigenasa (fijación de oxígeno). Esto significa que el oxígeno y el dióxido de carbono compiten por el sitio activo en el complejo enzimático, lo que hace que RuBisCO sea bastante ineficiente y lento para fijar el carbono en concentraciones de oxígeno más altas. Eso no importaba en la atmósfera alta en CO₂ de la Tierra primitiva, pero en la atmósfera actual, las concentraciones de O₂ son lo suficientemente altas como para limitar severamente la productividad de las plantas C3.
Sin embargo, las plantas no solo han estado creciendo lentamente todo ese tiempo, sino que han evolucionado varios mecanismos para aumentar la eficiencia fotosintética. Los sistemas más influyentes involucran la concentración de dióxido de carbono en un área particular, excluyendo el oxígeno y concentrando RuBisCO en esa misma área. Esto evita la competencia de oxígeno por el sitio activo y permite que RuBisCO opere de manera más eficiente. La adaptación clave aquí es la fotosíntesis C4.- el sistema que está presente en la mayoría de los pastos y muchas de las plantas más productivas de la Tierra (por ejemplo, maíz, caña de azúcar, Miscanthus). Ha evolucionado al menos 62 veces de forma independiente. Funciona al concentrar RuBisCO dentro de las células de la "vaina del haz" que están rodeadas por una capa de cera de suberina. Esta capa evita que se escape el CO₂ y que entre el O₂. El CO₂ de la atmósfera se fija luego en diferentes células, las "células del mesófilo", mediante otra enzima, la fosfoenolpiruvato carboxilasa (PEPC)., lo que da como resultado una molécula de cuatro carbonos (por lo tanto, C4). Este ácido de 4 carbonos (malato u oxaloacetato según el sistema) se transporta luego a las células de la vaina del haz. Allí, el CO₂ es liberado nuevamente por una variedad de enzimas dependiendo del sistema, creando una alta concentración de CO₂ en la célula donde RuBisCO puede funcionar de manera eficiente.
En general, las plantas C4 son mucho (alrededor del 50%) más eficientes que sus contrapartes C3, y se adaptan particularmente bien a las altas temperaturas y los ambientes húmedos. Entonces, para responder a su primera pregunta: a medida que los niveles atmosféricos de CO2 continúan aumentando, las plantas C3 gradualmente podrán realizar la fotosíntesis de manera más eficiente. Curiosamente, sin embargo, se prevé que las plantas C4 también se beneficien del aumento del CO₂ atmosférico. Si las temperaturas globales aumentan según lo previsto, tanto las plantas C3 como las C4 podrán operar de manera más eficiente de lo que lo hacen actualmente, hasta una temperatura máxima más allá de la cual las enzimas comenzarán a desnaturalizarse más rápido y la eficiencia disminuirá. Una consideración es que la diferencia de eficiencia entre los sistemas C3 y C4 disminuirá, lo que puede alterar significativamente la composición de las comunidades de plantas en todo el mundo.
Esta es una gran simplificación, pero es precisa para los efectos generales previstos. Los efectos localizados (es decir, cambios en la productividad en una región en particular o para un cultivo en particular) dependerán del hábitat, la fisiología, etc.
Algunos artículos clave para iniciarte en la literatura:
Quería agregar un poco más a la excelente respuesta anterior, especialmente porque el OP pregunta sobre la investigación de esta pregunta en un "contexto del mundo real".
Existe un cuerpo sustancial de evidencia sobre exactamente esta pregunta que proviene de experimentos en sitios de "Enriquecimiento de CO 2 con aire libre" ( FACE ). FACE es un método/tecnología experimental en el que los ecosistemas en pie experimentan un enriquecimiento de CO 2 sin (mucha) perturbación del ecosistema. Se sabe que un nivel más alto de CO 2 aumenta el crecimiento de las plantas desde la década de 1960, pero la motivación para FACE era comprender cuáles serían los efectos a largo plazo y a escala del ecosistema del aumento de CO 2 en la atmósfera. Muchos tipos de ecosistemas diferentes (bosques, cultivos, matorrales, etc.) se han estudiado con esta técnica hasta la fecha, algunos durante períodos de tiempo bastante largos. Creo que muchos de estos sitios ahora se están cerrando.
Algunos hallazgos clave:
Hay un par de excelentes críticas disponibles:
Nowak, RS, Ellsworth, DS y Smith, SD (2004), Las respuestas funcionales de las plantas al CO2 atmosférico elevado: ¿los datos fotosintéticos y de productividad de los experimentos FACE respaldan las predicciones tempranas? Nuevo fitólogo, 162: 253–280. doi: 10.1111/ j.1469-8137.2004.01033.xpdf
Norby, RJ y Zak, DR (2011), Lecciones ecológicas de los experimentos de enriquecimiento con CO2 al aire libre (FACE). Revisión anual de ecología, evolución y sistemática, 42: 181-203. doi: 10.1146/annurev-ecolsys-102209-144647 enlace .
Este artículo analiza la importancia del nitrógeno para limitar la productividad forestal en condiciones de alto CO 2 :
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