Изменение климата заставляет деревья с трудом «дышать»

Согласно новому исследованию, проведенному под руководством Пенсильванского университета, деревья изо всех сил пытаются улавливать удерживающий тепло углекислый газ 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 кашляют, а не дышат», — сказал Макс Ллойд, доцент кафедры геонаук в Пенсильванском университете и ведущий автор исследования, недавно опубликованного в журнале Science. Труды Национальной академии наук. «Они выделяют в атмосферу гораздо больше углекислого газа, чем деревья в более прохладных и влажных условиях».

Через процесс ФотосинтезДеревья удаляют углекислый газ из атмосферы, создавая новые побеги. Однако в стрессовых условиях деревья выделяют в атмосферу углекислый газ — процесс, называемый фотодыханием. Анализируя 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 превышаться, когда средняя дневная температура превышает примерно 68 градусов. Ф Ситуация ухудшается по мере дальнейшего повышения температуры.

Сложная роль растений в адаптации к климату

Полученные данные усложняют общепринятое мнение о роли растений в извлечении или использовании углерода из атмосферы, предоставляя новое понимание того, как растения адаптируются к изменению климата. Что еще более важно, исследователи отмечают, что по мере потепления климата их результаты показывают, что растения могут быть менее способны вытягивать углекислый газ из атмосферы и поглощать углерод, необходимый для охлаждения планеты.

«Мы вывели этот фундаментальный цикл из равновесия», — сказал Ллойд. «Растения и климат тесно связаны. Наибольший выброс углекислого газа из нашей атмосферы приходится на фотосинтезирующие организмы. Это важный ключ к составу атмосферы, а это означает, что небольшие изменения имеют большое влияние».

Ллойд объяснил, что в настоящее время растения поглощают около 25% углекислого газа, выбрасываемого в результате деятельности человека каждый год, по данным Министерства энергетики США, но этот процент, вероятно, снизится в будущем по мере потепления климата, особенно если воды станет мало.

«Когда мы думаем о будущем климата, мы ожидаем, что уровень углекислого газа увеличится, что теоретически хорошо для растений, потому что именно этими молекулами они дышат», — сказал Ллойд. «Но мы показали, что существует компромисс, который не принимают во внимание некоторые основные модели.

Анализируя глобальный набор данных о тканях деревьев, группа под руководством исследователей из Пенсильванского университета 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, таком как эта часть Аппалачей и регион Долины, начинает превышаться, когда средние дневные температуры превышают около 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, действует как индикатор фотодыхания деревьев. Ллойд объяснил, что изотопы можно рассматривать как разные типы атомов. Точно так же, как у вас могут быть ванильные и шоколадные версии мороженого, атомы могут иметь разные изотопы, которые имеют свой уникальный «вкус» из-за различий в их массах. Команда изучила уровни «вкуса» изотопа метоксила в образцах древесины примерно трех десятков экземпляров деревьев из различных климатических и условий по всему миру, чтобы наблюдать тенденции фотодыхания. Образцы поступили из архива по адресу: г. Калифорнийский университет, Беркликоторый содержит сотни образцов древесины, собранных в 1930-х и 1940-х годах.

«База данных изначально использовалась для обучения лесников распознаванию деревьев из разных мест по всему миру, поэтому мы перепрофилировали ее, чтобы по существу реконструировать эти леса и посмотреть, насколько хорошо они поглощают углекислый газ», — сказал Ллойд.

До сих пор скорость фотодыхания можно было измерить только в реальном времени с использованием живых растений или хорошо сохранившихся мертвых экземпляров, сохраняющих структурные углеводы, а это означает, что было практически невозможно изучить скорость, с которой растения связывают углерод в больших масштабах или в прошлом. . Ллойд объяснил.

Глядя в прошлое, чтобы понять будущее

Теперь, когда команда утвердила метод мониторинга скорости фотодыхания с использованием древесины, он сказал, что этот метод может предложить исследователям инструмент для прогнозирования того, насколько хорошо деревья будут «дышать» в будущем и как они будут вести себя в прошлых климатических условиях.

Количество углекислого газа в атмосфере быстро растет; По данным ученых, оно уже больше, чем когда-либо за последние 3,6 миллиона лет. Национальное управление океанических и атмосферных исследований. Ллойд объяснил, что этот период относительно недавний по геологическому времени.

Теперь команда будет работать над обнаружением скорости фотодыхания в древнем прошлом, вплоть до десятков миллионов лет назад, используя окаменевшую древесину. Эти методы позволят исследователям явно проверить существующие гипотезы относительно изменения воздействия фотодыхания растений на климат с течением геологического времени.

«Я геолог, 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. Нам, вероятно, придется вернуться на миллионы лет назад, чтобы лучше понять, каковы наши будущее будет выглядеть так».

Ссылка: «Изотопная кластеризация в древесине как альтернатива фотодыханию деревьев» Макс К. Ллойд, Ребекка А. Стейн, Дэниел Э. Ибарра, Ричард С. Барклай, Скотт Л. Винг, Дэвид В. Стал, Тодд Э. Доусон и Дэниел А. . Столпер, 6 ноября 2023 г., Труды Национальной академии наук.
дои: 10.1073/pnas.2306736120

Другими авторами этой статьи являются Ребекка А. Штейн и Дэниел А. Столпер и Дэниел Э. Ибарра и Тодд Э. Доусон из Калифорнийского университета в Беркли; Ричард С. Барклай и Скотт Л. Крыло Смитсоновского национального музея естественной истории и Дэвид В. Стал из Университета Арканзаса.

Эта работа частично финансировалась Институтом Агурона, Фондом Хиссинга-Саймонса и Национальным научным фондом США.