Text se snaží populární formou přiblížit využití stabilních izotopů pro studium fotosyntézy, produkčního procesu rostlin, ale také různých ekologických a forenzních otázek.
Odpovědi na otázky položené v článku, spolu s doplňujícími komentáři, v podobě PDF přílohy a také videa ukazující značení rostliny pomocí 13CO2 a využití značení ve studiu regenerace kutikuly najdete níže pod obrazovou galerií.
KUBÁSEK, Jiří. Rostliny C4. 1. Jak a proč vznikly a jak fungují. Vesmír, 2012, 1:35–40.
KUBÁSEK, Jiří. Rostliny C4. 2. Ekologie a rozšíření. Vesmír, 2012, 1:92–95.
KUBÁSEK, Jiří. Rostliny C4. 3. Rostliny a člověk. Vesmír, 2012, 1:146–149.
KUBÁSEK, Jiří. Optická spektroskopie pro analýzu poměru stabilních isotopů. Konkurence nebo alternativa ke konvenční hmotové spektroskopii stabilních isotopů (IRMS)?. Chemické listy, 2016, 110.3: 166-173.
KUBÁSEK, Jiří. Rubisco stále nejhojnější bílkovinou. Vesmír, 2019,9: 490–491.
ŠANTRŮČEK, Jiří a ŠANTRŮČKOVÁ, Hana. Stabilní izotopy biogenních prvků: použití v biologii a ekologii. Živá příroda. Praha: Academia, 2018. ISBN 978-80-200-2772-6.
This article endeavours to present in a popular form the use of stable isotopes for the study of photosynthesis and plant production, as well as various ecological and forensic questions.
Obrazové přílohy
Zastoupení izotopu uhlíku 13C v různých přírodninách. Množství je vyjádřeno jak v počtu 13C atomů na milion všech atomů uhlíku, tak delta notací, a udává rozdíl (nejčastěji v promile, ‰) mezi zastoupením 13C ve vzorku a příslušném standardu. Tím je pro uhlík zvláštní druh druhohorního sedimentárního vápence, vídeňský PeeDee belemnit (VPDB), který má 11 180 13C na milion C. My však, jako i jinde v textu a na obr. 4, budeme pro lepší přehlednost uvažovat 10 000. Orig. J. Kubásek a T. Kalistová
Izotopová poměrová hmotnostní spektroskopie (IRMS). Molekula, v našem případě CO2, se ionizuje proudem elektronů, čímž vzniknou kladné ionty CO2+. Ty jsou urychlovány v elektrickém poli a jejich dráha zakřivována průletem magnetickým polem. Lehčí izotopové formy CO2 zahýbají více než těžší. Izotopology (nejhojnější jsou 12C16O16O, 13C16O16O, 12C16O18O) tak vytvoří samostatné iontové svazky, které dopadají do individuálních detektorů. Vzniklý elektrický proud (v řádu pikoampér až nanoampér) je následně zesílen a přesně měřen. Výsledky jsou digitalizovány a s četností asi 5–10krát za sekundu ukládány do paměti počítače. Orig. J. Kubásek a T. Kalistová
Kombinované měření plynové výměny a diskriminace uhlíku 13C umožňuje stanovení mezofylové vodivosti listu pro CO2 (viz text). Na snímku nevadlec hřebenitý (Celosia argentea), jehož jeden list je uzavřen v komoře přístroje Li-6400 (blíže na str. 152–156 této Živy). Vzduch, ze kterého fotosyntéza odčerpala část CO2, je pak odebírán a měřen na zastoupení 13C. Foto J. Kubásek
Hlavní faktory ovlivňující diskriminaci 13C , a tedy izotopové složení C3 rostlin. Dva hlavní hráči, kteří ovlivňují zastoupení 13C – průduchy a Rubisco – jsou uvedeny a vysvětleny v textu. Zde zmiňme ještě jeden proces, kterým je mezofylová vodivost s velmi malým frakcionačním faktorem 1,8 ‰. Pokud by tato vodivost byla nekonečně velká (odpor nulový), frakcionace způsobená transportem se neprojeví (sériově řazené odpory: průduchová a mezofylová vodivost). Pokud však transport uvnitř listu omezuje příjem CO2 do listu souměřitelně, jako to dělají průduchy, což je běžné, celková diskriminace se snižuje oproti modelu, kde počítáme jen s transportem přes průduchy a karboxylací. Část vysoké diskriminace připsané v modelu karboxylaci pomocí Rubisco (30 ‰) je totiž nahrazena malou diskriminací během difuze CO2 mezofylem (1,8 ‰). 13C tak nachází další uplatnění v charakterizaci transportních vlastností listu, a tedy i jeho fotosyntetického či produkčního potenciálu. Zde se však neobejdeme bez dobře změřené průduchové vodivosti a metod zmiňovaných na str. 152–156. ADP – adenosindifosfát, ATP – adenosintrifosfát, CBB cyklus – Calvinův–Bensonův–Basshamův cyklus, NADP+, NADPH – nikotinamidadenin dinukleotidfosfát, Pi – fosfát, RuBP – ribulóza-1,5-bisfosfát. Orig. J. Kubásek a T. Kalistová
Relativní zastoupení 13C v biomase zjištěné měřením 351 druhů rostlin z čeledi lipnicovitých (Poaceae, trávy). Povšimněme si, že C3 rostliny jsou vždy ochuzenější o 13C (zápornější delta 13C hodnoty) než C4 rostliny a že C4 mají menší variabilitu. CAM rostliny (zde už jde o různé jiné čeledě, nikoli trávy) leží někde mezi a jejich jednoznačné určení pomocí izotopů uhlíku není vždy možné. O parametru Δ blíže na webu Živy. Převzato z knihy J. Šantrůčka a kol. (2018), s laskavým svolením
Schematické znázornění letokruhů dřevin a jejich postupného vývoje. Na grafu je znázorněna izotopová chronologie souboru asi 100 let starých smrků – od r. 1920 téměř do současnosti. Letokruhy mohou v izotopech odhalovat vývoj klimatu, tedy původ a intenzitu srážek, vlhkost vzduchu, teploty (δ13C, δ18O, δ2H, δ15N), hurikány a velké bouře (δ18O, δ2H), nadmořskou výšku a zeměpisnou šířku (δ18O, δ2H, δ15N, δ88Sr), atmosférické znečištění (δ34S, Pb), hnojení půdy (δ15N), zdroj vody, dešťová × spodní (δ18O, δ2H), znečištění půdy, přírodní × antropogenní (δ68Zn). Orig. J. Kubásek a T. Kalistová
Zjednodušené schéma principu značení stabilními izotopy. Pro rostlinu se nabízejí dva hlavní přístupy. Protože asimiluje oxid uhličitý, můžeme jí nabídnout v přírodě vzácný (ale neškodný) 13CO2. Protože přijímá a po celém těle rozvádí vodu, můžeme ji zalít těžkou vodou (2H2O, H218O). Zvýšený obsah těžkých izotopologů se pak v časoprostorovém kontinuu objevuje v různých částech a metabolitech rostliny. Blíže v textu. Orig. J. Kubásek a T. Kalistová
Stabilní izotopy pomáhají i při výzkumu „netradičních rostlin“. Např. u lišejníku jde o trofický vztah fotosyntetického partnera (řasa, sinice) s houbou. Pokud necháme lišejník asimilovat 13CO2, můžeme následně sledovat předávání 13C obohacených metabolitů mezi partnery. Na snímku porpidie roztroušená (Porpidia crustulata). Foto J. Kubásek
Stabilní izotopy pomáhají pochopit i celá společenstva a ekosystémy. Ve Švýcarsku např. roky fumigují jeden hektar lesa oxidem uhličitým ochuzeným o 13C (vzniklým spalováním fosilních paliv). Snížený obsah 13C se pak postupně objevuje v různých částech rostlin, ale rovněž v houbách a dalších konzumentech a rozkladačích. Zjistíme tak dynamiku rostlinné produkce, ale zároveň předávání látek mezi patry trofické pyramidy. Foto J. Kubásek
1. Vložení do boxu. Rostlinu uzavřeme do vzduchotěsného průhledného boxu s ventilátorem. Z vnějšku ho osvětlujeme světlem dostatečné intenzity a složení. To vyvolá fotosyntézu téměř maximální intenzity (jak jsme si řekli v kapitole o efektivitě využití vody, WUE, fotosyntéza má v závislosti na světle saturační charakter, vyvolat opravdu maximální fotosyntézu vyžaduje velmi silné světlo, které by navíc bylo pro rostlinu stresující a v uzavřeném boxu by se navíc nezdravě zahřívala).
2. Značení. Do boxu přidáme „jisté“ množství 13CO2. Co tím jistým množstvím myslíme? Tento box má objem asi 200 litrů. Když tedy přidáme 100 ml, zvýšíme tím koncentraci CO2 o přibližně 0,05 %, tedy 500 ppm (je jasné, jak jsem k tomu přišel?). Pokud je pozaďová koncentrace 500 ppm (v atmosféře je nyní 420 ppm, + něco nadýcháno od obsluhy), tedy zvýšíme ji na dvojnásobek. To ovšem znamená, že každá druhá molekula CO2 bude s 13C! Čtenáři, který přečetl náš článek, je jasné, že je to hodně. Rostlinu necháme v boxu po dobu, než zabuduje většinu 13CO2 do prvních produktů fotosyntézy (cukrů). Typicky to trvá hodinu až dvě. Pak rostlinu vyjmeme a necháme v přirozených podmínkách. V pravidelných intervalech potom můžeme odebírat různé části/orgány/látky a pozorovat, kde se nový (značený, tedy 13C) uhlík objevuje. Pro zajímavost: Jeden litr (zhruba 2 g) 13CO2 stojí nyní asi 7 000 Kč. Pokud zde potřebujeme decilitr, vyjde na 700 Kč. Horší, pokud potřebujeme značit stoletý smrk či kus lesa (to ale viz komentář k obrázku 9 v elektronické příloze k článku).
3. Studium kutikuly. Takovým značením ukázaným na videu 2 se 13C postupně „rozlévá“ po celé rostlině a ještě dál (do hmyzu, který na ní saje, do hub, kteří s ní tvoří symbiózu na kořenech nebo tam parazitují…). Čas a způsob odběru vzorků záleží na našich úmyslech. My studujeme regeneraci kutikuly a tomu odpovídá poslední video. List po nějaké době asimilace 13CO2 potřeme roztokem kolodia (viskózní roztok nitrocelulózy používaný třeba také v chirurgii nebo dermatologii). Během minuty až dvou tuhne v souvislou blanku. Do ní se před tím „vlepí“ kutikulární vosky a zůstanou tam uvězněny. Blanku vložíme do organického rozpouštědla (např. hexanu), který rozpouští vosky, ale ne nitrocelulózu. Vosky v roztoku pak analyzujeme na množství a zastoupení 13C plynovým chromatografem (GC) spojeným s izotopovým poměrovým hmotovým spektrometrem (IRMS, viz text článku). Pro zajímavost: Přestože značení v boxu trvalo jen přibližně hodinu, 13C obohacení v kutikule roste někdy ještě několik týdnů po značení, protože obnova vosků je pomalá a obohacení v rostlině stále mnohem vyšší než v kutikule, do které se dopravují nové (= 13C obohacené) vosky.
Aktuality
Vyšlo nové číslo Živy 4/2025 ve čtvrtek 7. srpna
Velká část obsahu čísla je věnována tématu fotosyntézy v rámci rubriky K výuce. Je pojata v široké časové i prostorové škále: od miliard let její evoluce po děje rychlejší než miliontiny sekundy při přenosu energie ve světlosběrných anténách, od procesů a subbuněčné úrovni přes ekosystémy až po globální rozměry. V závěru je analyzováno, jaké šance přináší její poznání pro zvyšování výnosu plodin.
Dále se dočtete například kolik padlého dřeva potřebují plži v hospodářských smrčinách, nebo si můžete přečíst první díl seriálu o opylovačích a další zajímavá témata.
Cena ročního předplatného od čísla 1/2019 je 354 Kč za šest čísel Živy (tedy 59 Kč za jedno číslo).
Dvouleté předplatné je zrušeno.
Zjistěte, jak si předplatit časopis Živa.
Co je to Živa?
Časopis Živa je populárně vědecký časopis přinášející příspěvky z biologických oborů a zvláštní rubriku věnovanou výuce biologie se zaměřením na nejnovější poznatky.
Navazuje na odkaz svého zakladatele Jana Evangelisty Purkyně. Poslední řada vychází nepřetržitě od roku 1953.
Používáme cookies za účelem poskytování funkcí pro zlepšení uživatelského prostředí – používáme funkce zobrazování videoobsahu a analýzy návštěvnosti stránek. Cookies používáme na základě vašeho souhlasu, který vyjadřujete nastavením svého internetového prohlížeče tak, že ukládání těchto cookies umožňuje. Pokud si přejete svůj souhlas s používáním těchto cookies odvolat, proveďte prosím příslušné nastavení vašeho internetového prohlížeče.
