Z nowego badania prowadzonego przez Penn State wynika, że drzewa mają trudności z pochłanianiem zatrzymującego ciepło dwutlenku węgla (CO2) w cieplejszym i bardziej suchym klimacie, co oznacza, że nie mogą już służyć jako rozwiązanie kompensujące ślad węglowy ludzkości w miarę dalszego ocieplania się planety. badacze.
„Odkryliśmy, że drzewa w cieplejszym i bardziej suchym klimacie zasadniczo kaszlą zamiast oddychać” – powiedział Max Lloyd, adiunkt nauk o Ziemi w Penn State i główny autor badania opublikowanego niedawno w Proceedings of the National Academy of Sciences. „W chłodniejszych i bardziej wilgotnych warunkach wysyłają CO2 z powrotem do atmosfery znacznie częściej niż drzewa”.
W procesie fotosyntezy drzewa usuwają CO2 z atmosfery, aby wytworzyć nowy wzrost. Jednak w stresujących warunkach drzewa uwalniają CO2 z powrotem do atmosfery w procesie zwanym fotooddychaniem. Analizując globalny zbiór danych dotyczących tkanki drzew, zespół badawczy wykazał, że tempo fotooddychania jest nawet dwukrotnie wyższe w cieplejszym klimacie, zwłaszcza przy ograniczonej ilości wody. Odkryli, że próg tej reakcji w klimacie subtropikalnym zaczyna być przekraczany, gdy średnia temperatura w ciągu dnia przekracza około 68 stopni Fahrenheita i pogarsza się wraz z dalszym wzrostem temperatury.
Wyniki komplikują powszechne przekonanie o roli roślin w pobieraniu lub wykorzystywaniu węgla z atmosfery, dostarczając nowego wglądu w to, w jaki sposób rośliny mogą przystosować się do zmiany klimatu. Co ważne, naukowcy zauważyli, że w miarę ocieplania się klimatu ich odkrycia wskazują, że rośliny mogą mieć mniejszą zdolność do pobierania CO2 z atmosfery i asymilowania węgla niezbędnego do ochłodzenia planety.
„Wytrąciliśmy z równowagi ten niezbędny cykl” – powiedział Lloyd. „Rośliny i klimat są ze sobą nierozerwalnie powiązane. CO2 z naszej atmosfery pochłania najwięcej CO2 przez organizmy dokonujące fotosyntezy. Od składu atmosfery zależy duży wpływ, a to oznacza, że małe zmiany mają duży wpływ”.
Według Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych rośliny pochłaniają obecnie około 25% CO2 emitowanego co roku w wyniku działalności człowieka, ale odsetek ten prawdopodobnie spadnie w przyszłości w miarę ocieplania się klimatu, wyjaśnił Lloyd, zwłaszcza jeśli wody będzie coraz mniej.
„Kiedy myślimy o przyszłości klimatu, przewidujemy, że poziom emisji CO2 wzrośnie, co teoretycznie jest dobre dla roślin, ponieważ są to cząsteczki, które wdychają” – powiedział Lloyd. „Wykazaliśmy jednak, że nastąpi kompromis, którego nie uwzględniają niektóre dominujące modele. Świat będzie się ocieplać, co oznacza, że rośliny będą mniej zdolne do pochłaniania CO2”.
W badaniu naukowcy odkryli, że zróżnicowanie w liczebności niektórych izotopów części drewna, zwanych grupami metoksylowymi, służy jako wskaźnik fotooddychania u drzew. Można myśleć o izotopach jako o odmianach atomów, wyjaśnił Lloyd. Podobnie jak lody w wersji waniliowej i czekoladowej, atomy mogą mieć różne izotopy z własnymi, unikalnymi „smakami” wynikającymi z różnic w ich masie. Aby zaobserwować trendy w fotooddychaniu, zespół zbadał poziomy „zapachu” izotopu metoksylowego w próbkach drewna pobranych z około trzydziestu okazów drzew z różnych klimatów i warunków na całym świecie. Okazy pochodzą z archiwum Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, które zawiera setki próbek drewna zebranych w latach 30. i 40. XX wieku.
„Baza danych była pierwotnie używana do szkolenia leśników w zakresie rozpoznawania drzew z różnych miejsc na świecie, dlatego zmieniliśmy jej przeznaczenie, aby zasadniczo zrekonstruować te lasy i sprawdzić, jak dobrze pochłaniają CO2” – powiedział Lloyd.
Do tej pory tempo fotooddychania można było mierzyć jedynie w czasie rzeczywistym przy użyciu żywych roślin lub dobrze zachowanych martwych okazów, które zachowały węglowodany strukturalne, co oznaczało, że prawie niemożliwe było zbadanie szybkości, z jaką rośliny pobierały węgiel na dużą skalę lub w przeszłości. Lloyd wyjaśnił.
Teraz, gdy zespół zweryfikował sposób obserwacji szybkości fotooddychania przy użyciu drewna, stwierdził, że metoda ta może zapewnić naukowcom narzędzie do przewidywania, jak dobrze drzewa będą mogły „oddychać” w przyszłości i jak radzą sobie w przeszłym klimacie.
Ilość dwutlenku węgla w atmosferze szybko rośnie; Według Narodowej Administracji Oceanicznej i Atmosferycznej jest ona już większa niż kiedykolwiek w ciągu ostatnich 3,6 miliona lat. Lloyd wyjaśnił jednak, że okres ten przypada stosunkowo niedawno w historii geologicznej.
Zespół będzie teraz pracował nad odkryciem tempa fotooddychania w starożytnej przeszłości, aż do dziesiątek milionów lat temu, przy użyciu skamieniałego drewna. Metody te pozwolą naukowcom na jednoznaczne przetestowanie istniejących hipotez dotyczących zmieniającego się wpływu fotooddychania roślin na klimat w czasie geologicznym.
„Jestem geologiem, zajmuję się przeszłością” – powiedział Lloyd. „Jeśli więc interesują nas ważne pytania dotyczące funkcjonowania tego cyklu, gdy klimat był zupełnie inny niż obecnie, nie możemy wykorzystywać żywych roślin. Być może będziemy musieli cofnąć się o miliony lat, aby lepiej zrozumieć, jaka może być nasza przyszłość wygląda jak.”
Inni autorzy artykułu to Rebekah A. Stein, Daniel A. Stolper, Daniel E. Ibarra i Todd E. Dawson z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley; Richard S. Barclay i Scott L. Wing z Narodowego Muzeum Historii Naturalnej Smithsonian oraz David W. Stahle z Uniwersytetu Arkansas.
Prace zostały częściowo sfinansowane przez Instytut Agourona, Fundację Heising-Simons i amerykańską Narodową Fundację Nauki.