Zmiana klimatu sprawia, że ​​drzewa mają trudności z „oddychaniem”

Jak wynika z nowego badania prowadzonego pod przewodnictwem Penn State, drzewa mają trudności z pochłanianiem zatrzymującego ciepło dwutlenku węgla w cieplejszym i bardziej suchym klimacie, co oznacza, że ​​mogą nie służyć już jako rozwiązanie kompensujące ślad węglowy ludzkości w miarę ciągłego ocieplania się planety. Naukowcy.

„Odkryliśmy, że drzewa w cieplejszym i bardziej suchym klimacie kaszlą zamiast oddychać” – powiedział Max Lloyd, adiunkt nauk o Ziemi w Penn State i główny autor badania opublikowanego niedawno w czasopiśmie Science. Postępowanie Narodowej Akademii Nauk. „W chłodniejszych i bardziej wilgotnych warunkach uwalniają do atmosfery znacznie więcej dwutlenku węgla niż drzewa”.

Poprzez proces FotosyntezaDrzewa usuwają dwutlenek węgla z atmosfery, aby wytworzyć nowy wzrost. Jednak w stresujących warunkach drzewa uwalniają do atmosfery dwutlenek węgla w procesie zwanym fotooddychaniem. Analizując globalny zbiór danych na temat tkanki drzew, zespół badawczy wykazał, że tempo fotooddychania jest nawet dwukrotnie wyższe w cieplejszym klimacie, zwłaszcza przy ograniczonej ilości wody. Ustalili, że próg tej reakcji w klimacie subtropikalnym zaczyna być przekraczany, gdy średnia temperatura w ciągu dnia przekracza około 68 stopni. F Sytuacja pogarsza się wraz ze wzrostem temperatury.

Złożona rola roślin w adaptacji klimatycznej

Odkrycia komplikują powszechne przekonanie na temat roli roślin w pomaganiu w pobieraniu lub wykorzystywaniu węgla z atmosfery, dostarczając nowego wglądu w sposób, w jaki rośliny przystosowują się do zmiany klimatu. Co ważniejsze, naukowcy zauważają, że w miarę ocieplania się klimatu ich odkrycia pokazują, że rośliny mogą być mniej zdolne do pobierania dwutlenku węgla z atmosfery i pochłaniania węgla niezbędnego do ochłodzenia planety.

„Wytrąciliśmy z równowagi ten podstawowy cykl” – powiedział Lloyd. „Rośliny i klimat są ze sobą ściśle powiązane. Dwutlenek węgla z naszej atmosfery jest najbardziej pobierany przez organizmy fotosyntetyzujące. Ma to ogromne znaczenie dla składu atmosfery, co oznacza, że ​​małe zmiany mają duży wpływ”.

Lloyd wyjaśnił, że według Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych rośliny pochłaniają obecnie około 25% dwutlenku węgla emitowanego przez człowieka rocznie, ale odsetek ten prawdopodobnie spadnie w przyszłości wraz z ociepleniem klimatu, zwłaszcza w obliczu niedoborów wody.

„Kiedy myślimy o przyszłości klimatu, spodziewamy się wzrostu poziomu dwutlenku węgla, co teoretycznie jest dobre dla roślin, ponieważ są to cząsteczki, którymi oddychają” – powiedział Lloyd. „Wykazaliśmy jednak, że nastąpi kompromis, którego niektóre główne modele nie uwzględniają. Świat stanie się cieplejszy, co oznacza, że ​​rośliny będą mniej zdolne do pochłaniania dwutlenku węgla.

Analizując globalny zbiór danych na temat tkanki drzew, zespół kierowany przez badaczy z Penn State wykazał, że tempo fotooddychania drzew jest nawet dwukrotnie wyższe w cieplejszym klimacie, zwłaszcza gdy woda jest ograniczona. Odkryli, że próg tej reakcji w klimatach subtropikalnych, takich jak ta część Appalachów i region doliny, zaczyna być przekraczany, gdy średnia temperatura w ciągu dnia przekracza około 68 stopni Fahrenheita i pogarsza się w miarę dalszego wzrostu temperatury. Źródło: Warren Reed/Penn State

W badaniu naukowcy odkryli, że zróżnicowanie w liczebności niektórych izotopów części drewna, zwanych grupami metoksylowymi, działa jako wskaźnik fotooddychania u drzew. Lloyd wyjaśnił, że można myśleć o izotopach jako o różnych typach atomów. Podobnie jak lody w wersji waniliowej i czekoladowej, atomy mogą mieć różne izotopy, które mają swój własny, niepowtarzalny „smak” wynikający z różnic w ich masach. Zespół zbadał poziomy „smaku” izotopów metoksylu w próbkach drewna pobranych z około trzydziestu okazów drzew z różnych klimatów i warunków na całym świecie, aby obserwować trendy w fotooddychaniu. Próbki pochodzą z archiwum przy ul Uniwersytet Kalifornijski w Berkeleyw którym znajdują się 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 dwutlenek węgla” – 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 tempa, w jakim rośliny sekwestrują węgiel na dużą skalę lub w przeszłości . Lloyd wyjaśnił.

Patrzenie w przeszłość, aby zrozumieć przyszłość

Teraz, gdy zespół zweryfikował metodę monitorowania tempa fotooddychania przy użyciu drewna, stwierdził, że metoda ta może zapewnić naukowcom narzędzie do przewidywania, jak dobrze drzewa będą „oddychać” w przyszłości i jak radziły sobie w przeszłym klimacie.

Ilość dwutlenku węgla w atmosferze szybko rośnie; Według nich jest już większy niż kiedykolwiek w ciągu ostatnich 3,6 miliona lat Krajowa Administracja Oceaniczna i Atmosferyczna. Lloyd wyjaśnił, że okres ten przypada stosunkowo niedawno w czasie geologicznym.

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 i pracuję w przeszłości” – powiedział Lloyd. „Jeśli więc interesują nas ważne pytania dotyczące funkcjonowania tego cyklu, gdy klimat był zupełnie inny niż obecnie, nie możemy wykorzystywać żywych roślin. Prawdopodobnie będziemy musieli cofnąć się o miliony lat, aby lepiej zrozumieć, jakie są nasze przyszłość będzie wyglądać.”

Odniesienie: „Grupowanie izotopowe w drewnie jako alternatywa dla fotooddychania w drzewach” Max K. Lloyd, Rebekah A. Stein, Daniel E. Ibarra, Richard S. Barclay, Scott L. Wing, David W. Stahle, Todd E. Dawson i Daniel A. . Stolper, 6 listopada 2023, Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
doi: 10.1073/pnas.2306736120

Inni autorzy tego artykułu to Rebecca A. Steina i Daniela A. Stolpera i Daniela E. Ibarrę i Todda E. Dawson z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley; Richard S. Barclaya i Scotta L. Skrzydło Narodowego Muzeum Historii Naturalnej Smithsonian i David W. Stahl z Uniwersytetu Arkansas.

Praca ta została częściowo sfinansowana przez Instytut Aguron, Fundację Hyssing-Simons i amerykańską Narodową Fundację Nauki.