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光合成は、水、二酸化炭素（CO2）および太陽エネルギーを使用して糖を合成するプロセスです。多くの植物、藻類、バクテリアによって行われます。植物や藻類では、光合成は葉緑体と呼ばれる細胞の特別な部分で起こります。葉と茎にあります。ほとんどの植物はC3光合成として知られるものを実行しますが、暑い環境に適応した植物はC4光合成として知られる修正された形式を実行します。
C4光合成
このタイプの光合成では、葉肉として知られている細胞の環境中のCO2が最初に4-炭素酸に取り込まれます。これらの酸は、束鞘細胞として知られる他の細胞に輸送されます。これらの細胞では、反応が逆転し、CO2が放出され、通常の（C3）光合成経路で使用されます。 3炭素化合物へのCO2の取り込みは、Rubiscoとして知られる酵素によって触媒されます。
C4光合成の利点
暑くて乾燥した環境では、C4光合成はC3光合成よりも効率的です。これには2つの理由があります。 1つ目は、システムが光呼吸を受けないことです。これは、光合成に反するプロセスです（以下を参照）。 2つ目は、植物が毛穴をより長く閉じたままにできるため、水の損失を回避できることです。
光呼吸
これは、成長中の砂糖にCO2を加える代わりに、ルビスコが酸素を加えるプロセスです。光合成が高速で発生する状況（高温、高レベルの光、またはその両方）では、利用可能なO2が非常に多いため、この反応は重大な問題になります。 C4植物は、葉の関連部分（束鞘細胞）で高濃度のCO2を維持することでこの問題を解決します。
水の損失
植物は、気孔として知られている細孔を通して、環境とCO2およびO2ガスを交換します。気孔が開いている場合、CO2は光合成に使用されるために拡散し、O2は光合成の生成物が拡散します。しかし、気孔が開いていると、植物は蒸散のために水分を失い、この問題は暑く乾燥した気候で強化されます。 C4光合成を行う植物は、CO2の取り込みがより効率的であるため、C3同等物よりも気孔を閉じた状態に保つことができます。これにより、水の損失が最小限に抑えられます。
欠点
C4光合成は暑く乾燥した気候では明らかに有利ですが、涼しく湿った気候ではそうではありません。これは、C4光合成がより複雑であるためです。より多くのステップがあり、特殊な解剖学が必要です。このため、光呼吸または水分損失が重大な問題でない限り、C3光合成はより効果的です。これが植物の大部分がC3光合成を行う理由です。