小路旁生长的狗尾巴草
大家都知道一种叫作“狗尾巴草”的野草吧？
狗尾巴草的学名叫作阿罗汉草。在炎炎夏日里，就算是花坛里面每天都浇水的花朵和菜地里每天都浇水的蔬菜都枯萎了，而在小路旁生长的狗尾巴草，虽然没有人来给它浇水，却生长得格外茁壮。
实际上，狗尾巴草自身有着可以进行特殊光合作用的结构。这种高性能光合作用的系统被称为C4循环。而拥有C4循环的植物则被称为C4植物。
光合作用，是一种很高级的过程。就像汽车的发动机通过燃烧燃料产生能量一样，植物通过吸收光能，使二氧化碳和水发生反应，产生出能量——糖分。这个过程就是光合作用。
光合作用，是一个十分高级的过程。即使是发明出了复杂如发动机的人类，至今也没能成功地研究出人工进行光合作用的方法。总是自诩科学文明的人类，其实连一片叶子也造不出来。
C4循环是涡轮发动机
一般的植物都是通过C3循环这种系统来进行光合作用的，所以被称为C3植物。C4植物也可以通过C3循环进行光合作用，只不过除了C3循环，C4植物还拥有C4循环。
C4循环，其实就像汽车的涡轮发动机一样。
涡轮发动机，可以通过涡轮增压器来压缩空气，把大量的空气压进发动机，从而提升发动机的输出功率。光合作用的C4循环，就是将吸收进来的二氧化碳生成拥有四个碳元素的苹果酸之类的C4化合物，然后再把它们送到C3循环那里。也就是说，植物通过C4循环压缩了碳元素。因此，相较于C3植物来说，C4植物可以更好地进行光合作用。
除了狗尾巴草，还有很多其他的植物也属于C4植物。比如说，农作物中的玉米就是一个典型的C4植物。
就像涡轮发动机可以在高速行驶时发挥其特殊的用处，高性能的C4光合作用，也可以在夏日里炎炎的高温和强烈的光照下发挥出它独特的潜能。
想要进行光合作用的话，光是必不可少的。光照越强，光合作用的效果就越好。但是，如果光照过于强烈的话，就会超出光合作用的能力范围，使光合作用的能力达到一个极限。就像到达了一定速度后，再怎么踩油门也无法加速的车一样。
但是，C4植物就不同了。就算是再强烈的光照，C4植物也可以通过生成C4化合物的碳元素，连续不断地进行光合作用。
狗尾巴草在炎炎夏日也不会枯萎的原因
C4植物还具有耐干燥的特性。
植物为了进行光合作用，必须要打开气孔来吸收二氧化碳。但是，一旦气孔打开了，水分也会从中溜走。C4植物会将气孔打开后吸收的二氧化碳进一步浓缩，所以可以一次性地吸收大量二氧化碳。如此，就减少了打开气孔的次数。属于C4植物的狗尾巴草即使在炎炎的夏日里也能够茁壮生长，就是这个原因。
◆C4植物在C3循环之前，还有吸收二氧化碳的C4循环
C4植物的缺点
即使C4循环这么厉害，全世界的C4植物也仅仅占了百分之十左右。因为C4植物也是有缺陷的。
C4循环，可以在高温强光的条件下发挥出非常厉害的光合作用能力。但是，在低温弱光的条件下，C4循环不管吸收多少二氧化碳，光合作用的能力都没办法提高。而且，为了运行C4循环，需要更多的能量支持。就效率来看，并不如C3植物。
因此，在热带地区，C4植物可以说有着压倒性的优势。但是，在温带或是寒冷地区，C4植物的这种优势可就发挥不出来了。就像是在畅通路段上可以马力全开、高速行驶的运动型轿车，到了缓慢行驶的拥挤路段，不仅不能发挥优势，还会徒增汽油的费用。
再度进化的CAM植物
像是仙人掌这种在极度干燥的地方生存的植物，又将C4循环再度进化了。
汽车发动机中，有一个叫作双顶置式凸轮轴的结构。
在发动机中，有一个和进气排气阀门开合大有关系的部分——凸轮（CAM）。将凸轮分为进气用和排气用，拥有两套凸轮轴的高性能发动机，就是双顶置式凸轮轴结构的。
很巧的是，仙人掌的这种用于干燥地区的光合作用系统也被叫作CAM。植物的CAM，是景天科酸代谢（Crassulacean Acid Metabolism）的缩写。虽然同写作CAM，但意思却大相径庭。
虽然C4植物减少了气孔开合的次数，但是每次气孔打开的时候水分还是会溜出去。
而CAM植物，则对这一点进行了改良优化。
光合作用需要的太阳光只在白天才有。但是，如果在白天的高温下张开气孔的话，水分很容易就会蒸腾出去。
和C4植物一样，CAM植物也同时拥有C4循环和C3循环。但是CAM植物只会在气温相对低的夜间打开气孔，而在气温相对高的白天，则把气孔完全关闭，靠储存的碳元素进行光合作用。如此一来，通过白天和夜间的这两套不同的系统，可以成功地抑制水分的蒸发。CAM植物的这个系统，和晚上用夜间电力制作冰或温水来储存热能供白天使用的电热水器的原理非常像。
◆C4植物和CAM植物的光合作用系统
CAM植物在温度偏低的夜间会进行C4循环。
像仙人掌这样生长在干燥地区的植物，借由这种CAM光合作用系统，可以提高忍耐干燥的能力。除了仙人掌之外，景天和菠萝也是非常具有代表性的CAM植物。
