圖說：賓夕法尼亞大學的研究人員發現水缺乏推動了C4植物的進化和擴張。
在遠古地球急劇變化的情況下，生物不得不進化出新策略來適應氣候變化。從3000萬年前的漸新世中期到500萬年前中新世中期及晚期，大氣中的二氧化碳濃度下降了約三分之一。在同一時期，一種新的光合作用形式——C4途徑出現在一類植物亞群中，對早期C3途徑中的光合作用進行了補充，也就是說這些植物現在使用兩種不同的策略從太陽中獲取能量。
C3植物光合作用產生的第一個穩定化合物包含三個碳原子，而C4植物光合作用產生的第一個穩定化合物則包含四個碳原子。C3途徑是最先進化出來的，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，在二氧化碳含量較低時，它們仍能高效地進行光合作用。這是因為C4途徑有一個額外的步驟，會將碳從空氣中泵入細胞內層，並在細胞內層完成其它的循環過程。通過這種「封閉」系統，C4途徑的光合作用不直接與外界空氣相互作用，還能產生更多的養料，且水分流失得更少。
過去，科學家們一直認為是二氧化碳水平的下降推動了植物C4途徑光合作用的出現，但現在美國賓夕法尼亞大學生物學家和普渡大學的研究人員利用生化模型古氣候建模發現，水缺乏可能是C4植物出現背後的關鍵因素，論文近日發表在《美國國家科學院院刊》上。
「C4途徑最初起源於大氣中二氧化碳含量仍然很高的時候，似乎是由水缺乏引起的，後來在大約500萬到800萬年前，二氧化碳濃度越來越低，利用C4途徑的植物開始大規模擴張。二氧化碳和光強度實際上是當時有利於C4途徑的因素。」賓夕法尼亞大學生物學系研究生、論文第一作者Haoran Zhou說。賓夕法尼亞大學生物學助理教授ErolAkcay補充道：「我們發現，C4途徑提高的水分效率足以讓植物在相對乾旱的環境中獲得最初的生態優勢。這種生化模型不光讓我們看到了溫度和二氧化碳的作用，也讓我們看到了水和光的作用。」
這項工作還表明，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植物就可能比C3植物更具有競爭優勢。
今天，地球上大約四分之一的植被由C4植物構成，包括玉米、甘蔗等重要作物。為了更深入地研究可能有利於C4途徑擴散的因素，研究人員建立了一個多層次的模型，包含4個因素：二氧化碳濃度、光照、溫度和水可用性。根據模型推測，C4途徑的進化可能分兩個階段進行：當二氧化碳濃度仍然很高時，C4植物出現在全球變暖、變乾燥的地區；幾百萬年後，當二氧化碳濃度非常低時，草地的擴張讓開闊的棲息地獲得充足的光照，使得C4植物比C3植物更有競爭優勢，並取代了C3植物。
為了了解C4植物早期進化時多層次模型如何與古氣候互動，賓夕法尼亞的團隊與普渡大學的古氣候建模師Matthew Huber合作，利用氣候模型輸出以及包括二氧化碳水平、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C3和C4植物可能的地理分布，並發現了兩個新區域：西北非洲和澳大利亞，且這兩個區域內利用C4途徑的植物可能在第一次進化後因其節水能力而佔據主導地位。
雖然這項研究沒有探討將來隨著大氣中碳含量的再次上升會發生什麼，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。
此外，一些科學家認為，讓水稻等其它重要作物進行C4途徑的光合作用，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更好地生長。
編譯：花花 審稿：alone
責編：南熙