Недавнее исследование, проведенное Пенсильванским университетом, показывает, что деревьям в более теплых и засушливых условиях трудно поглощать углекислый газ, что ставит под угрозу их способность противодействовать изменению климата. В исследовании подчеркивается усиление фотодыхания — процесса, при котором деревья, находящиеся в стрессе, выделяют CO2 — в этих условиях, что ставит под сомнение эффективность деревьев как естественных поглотителей углерода в условиях потепления. Фото: SciTechDaily.com
Согласно новому исследованию, проведенному Пенсильванским университетом, деревья изо всех сил пытаются улавливать удерживающий тепло углекислый газ (CO2) в более теплом и сухом климате, а это означает, что они больше не могут служить решением для компенсации углеродного следа человечества, поскольку планета продолжает нагреваться. исследователи.
«Мы обнаружили, что деревья в более теплом и сухом климате, по сути, кашляют вместо того, чтобы дышать», — сказал Макс Ллойд, доцент кафедры геонаук в Пенсильванском университете и ведущий автор исследования, недавно опубликованного в журнале. Труды Национальной академии наук. «Они отправляют CO2 обратно в атмосферу гораздо больше, чем деревья в более прохладных и влажных условиях».
Через процесс фотосинтез, деревья удаляют CO2 из атмосферы, создавая новые побеги. Тем не менее, в стрессовых условиях деревья выделяют CO2 обратно в атмосферу — процесс, называемый фотодыханием. Проанализировав глобальный набор данных о тканях деревьев, исследовательская группа продемонстрировала, что скорость фотодыхания в два раза выше в более теплом климате, особенно когда вода ограничена. Они обнаружили, что порог этой реакции в субтропическом климате начинает пересекаться, когда средняя дневная температура превышает примерно 68 градусов. Фаренгейт и ухудшаться по мере дальнейшего повышения температуры.
Сложная роль растений в адаптации к климату
Результаты усложняют широко распространенное мнение о роли растений в поглощении или использовании углерода из атмосферы, обеспечивая новое понимание того, как растения могут адаптироваться к изменению климата. Важно отметить, что исследователи отметили, что по мере потепления климата их результаты показывают, что растения могут быть менее способны вытягивать CO2 из атмосферы и усваивать углерод, необходимый для охлаждения планеты.
«Мы выбили этот важный цикл из равновесия», — сказал Ллойд. «Растения и климат неразрывно связаны. Самый большой выброс CO2 из нашей атмосферы приходится на фотосинтезирующие организмы. Это большой регулятор состава атмосферы, а это означает, что небольшие изменения имеют большое влияние».
По данным Министерства энергетики США, в настоящее время растения поглощают около 25% CO2, выбрасываемого в результате человеческой деятельности каждый год, но этот процент, вероятно, снизится в будущем по мере потепления климата, объяснил Ллойд, особенно если воды станет меньше.
«Когда мы думаем о будущем климата, мы предсказываем, что выбросы CO2 вырастут, что теоретически хорошо для растений, потому что именно этими молекулами они вдыхают», — сказал Ллойд. «Но мы показали, что будет компромисс, который не учитывают некоторые преобладающие модели. В мире станет теплее, а это значит, что растениям будет меньше возможностей поглощать CO2».
Проанализировав глобальный набор данных о тканях деревьев, группа под руководством исследователей из штата Пенсильвания продемонстрировала, что скорость фотодыхания у деревьев в два раза выше в более теплом климате, особенно когда вода ограничена. Они обнаружили, что порог этой реакции в субтропическом климате, например в этой части региона Аппалачского хребта и долины, начинает пересекаться, когда средняя дневная температура превышает примерно 68 градусов по Фаренгейту, и ухудшается по мере дальнейшего повышения температуры. Фото: Уоррен Рид/Пенсильванский университет
В ходе исследования ученые обнаружили, что изменение содержания определенных изотопов в части древесины, называемых метоксильными группами, служит индикатором фотодыхания деревьев. «Вы можете думать об изотопах как о разновидностях атомов», — объяснил Ллойд. Точно так же, как у вас могут быть ванильные и шоколадные версии мороженого, атомы могут иметь разные изотопы со своими уникальными «вкусами» из-за различий в их массе. Команда изучила уровни метоксильного «аромата» изотопа в образцах древесины примерно тридцати экземпляров деревьев из разных климатических и условий по всему миру, чтобы наблюдать тенденции фотодыхания. Образцы поступили из архива Калифорнийский университет, Берклисодержащий сотни образцов древесины, собранных в 1930-х и 40-х годах.
«База данных изначально использовалась для обучения лесников тому, как идентифицировать деревья из разных мест по всему миру, поэтому мы перепрофилировали ее, чтобы по существу реконструировать эти леса и посмотреть, насколько хорошо они поглощают CO2», — сказал Ллойд.
До сих пор скорость фотодыхания можно было измерить только в режиме реального времени с использованием живых растений или хорошо сохранившихся мертвых экземпляров, сохраняющих структурные углеводы, а это означало, что было практически невозможно изучить скорость, с которой растения поглощают углерод в масштабе или в прошлом. — объяснил Ллойд.
Взглянув в прошлое, чтобы понять будущее
Теперь, когда команда утвердила способ наблюдения за скоростью фотодыхания с использованием древесины, он сказал, что этот метод может предложить исследователям инструмент для прогнозирования того, насколько хорошо деревья могут «дышать» в будущем и как они будут себя чувствовать в прошлом климате.
Количество углекислого газа в атмосфере быстро растет; это уже больше, чем когда-либо за последние 3,6 миллиона лет, согласно данным Национальное управление океанических и атмосферных исследований. Но этот период относительно недавний по геологическому времени, объяснил Ллойд.
Теперь команда будет работать над выяснением скорости фотодыхания в древнем прошлом, вплоть до десятков миллионов лет назад, используя окаменелую древесину. Эти методы позволят исследователям явно проверить существующие гипотезы относительно изменения влияния фотодыхания растений на климат в течение геологического времени.
«Я геолог, я работаю в прошлом», — сказал Ллойд. «Итак, если нас интересуют эти большие вопросы о том, как работал этот цикл, когда климат сильно отличался от сегодняшнего, мы не можем использовать живые растения. Возможно, нам придется вернуться на миллионы лет назад, чтобы лучше понять, как может выглядеть наше будущее».
Ссылка: «Слипание изотопов в древесине как показатель фотодыхания деревьев» Макса К. Ллойда, Ребекки А. Стайн, Дэниела Э. Ибарры, Ричарда С. Баркли, Скотта Л. Винга, Дэвида В. Стала, Тодда Э. Доусона. и Дэниел А. Столпер, 6 ноября 2023 г., Труды Национальной академии наук.
DOI: 10.1073/pnas.2306736120
Другими авторами статьи являются Ребекка А. Стейн, Дэниел А. Столпер, Дэниел Э. Ибарра и Тодд Э. Доусон из Калифорнийского университета в Беркли; Ричард С. Барклай и Скотт Л. Винг из Смитсоновского национального музея естественной истории и Дэвид В. Стал из Университета Арканзаса.
Работа частично финансировалась Институтом Агурона, Фондом Хейзинга-Саймонса и Национальным научным фондом США.