التغير المناخي يسبب صعوبة في “التنفس” للأشجار

تكافح الأشجار من أجل عزل ثاني أكسيد الكربون الذي يحبس الحرارة (CO2) في المناخات الأكثر حرارة وجفافًا، مما يعني أنها قد لا تكون بمثابة حل لتعويض البصمة الكربونية البشرية ثم يستمر الكوكب في الدفء، وفقًا لدراسة جديدة بقيادة ولاية بنسلفانيا. الباحثين.

وقال ماكس لويد، الأستاذ المساعد في علوم الأرض في ولاية بنسلفانيا والمؤلف الرئيسي للدراسة التي نشرت مؤخرا في مجلة “لقد وجدنا أن الأشجار في المناخات الأكثر حرارة وجفافا تسعل بدلا من أن تتنفس”. وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم. “إنها تعيد كمية أكبر بكثير من ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي مما تفعله الأشجار في الظروف الأكثر برودة ورطوبة.”

من خلال عملية البناء الضوئيتقوم الأشجار بإزالة ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي لإنتاج نمو جديد. ومع ذلك، في ظل الظروف العصيبة، تطلق الأشجار ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، وهي عملية تسمى التنفس الضوئي. ومن خلال تحليل مجموعة بيانات عالمية من أنسجة الأشجار، أثبت فريق البحث أن معدل التنفس الضوئي يصل إلى الضعف في المناخات الأكثر دفئًا، خاصة عندما تكون المياه محدودة. ووجدوا أن عتبة هذه الاستجابة في المناخات شبه الاستوائية تبدأ في تجاوزها عندما يرتفع متوسط ​​درجات الحرارة أثناء النهار إلى ما يزيد عن 68 درجة. فهرنهايت وتتفاقم مع ارتفاع درجات الحرارة أكثر.

الدور المعقد للنباتات في التكيف مع المناخ

وتؤدي هذه النتائج إلى تعقيد الاعتقاد السائد على نطاق واسع حول دور النباتات في استخراج أو استخدام الكربون من الغلاف الجوي، مما يقدم رؤى جديدة حول كيفية تكيف النباتات مع تغير المناخ. والأهم من ذلك، لاحظ الباحثون أنه مع ارتفاع درجة حرارة المناخ، تظهر نتائجهم أن النباتات قد تكون أقل قدرة على استخراج ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي واستيعاب الكربون اللازم لتبريد الكوكب.

وقال لويد: “لقد أفقدنا توازن هذه الدورة الأساسية”. “النباتات والمناخ مرتبطان ارتباطًا وثيقًا. تمتص الكائنات الحية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي معظم ثاني أكسيد الكربون الموجود في غلافنا الجوي. إنه مؤشر كبير على تكوين الغلاف الجوي، مما يعني أن التغييرات الصغيرة لها تأثير كبير.

وتمتص النباتات حاليًا حوالي 25% من ثاني أكسيد الكربون المنبعث من الأنشطة البشرية كل عام، وفقًا لوزارة الطاقة الأمريكية، ولكن من المرجح أن تنخفض هذه النسبة في المستقبل مع ارتفاع درجة حرارة المناخ، كما قال لويد، خاصة إذا أصبح الماء أكثر ندرة.

وقال لويد: “عندما نفكر في مستقبل المناخ، نتوقع أن يزيد ثاني أكسيد الكربون، وهو أمر جيد من الناحية النظرية للنباتات لأن هذه هي الجزيئات التي تتنفسها”. “لكننا أظهرنا أنه ستكون هناك مقايضة لا تأخذها بعض النماذج السائدة بعين الاعتبار. سيصبح العالم أكثر دفئًا، مما يعني أن النباتات ستكون أقل قدرة على امتصاص ثاني أكسيد الكربون. »

من خلال تحليل مجموعة بيانات عالمية من أنسجة الأشجار، أثبت فريق بقيادة باحثين من ولاية بنسلفانيا أن معدل التنفس الضوئي في الأشجار يصل إلى الضعف في المناخات الأكثر دفئًا، خاصة عندما تكون المياه محدودة. ووجدوا أن عتبة هذه الاستجابة في المناخات شبه الاستوائية، مثل هذا الجزء من منطقة جبال أبالاتشي ومنطقة الوادي، تبدأ في تجاوزها عندما يتجاوز متوسط ​​درجات الحرارة أثناء النهار حوالي 68 درجة فهرنهايت وتتفاقم مع ارتفاع درجات الحرارة أكثر. الائتمان: وارن ريد / ولاية بنسلفانيا

وفي الدراسة، وجد الباحثون أن الاختلاف في وفرة نظائر معينة في جزء من الخشب يسمى مجموعات الميثوكسيل يعمل بمثابة تتبع للتنفس الضوئي في الأشجار. وأوضح لويد أنه يمكنك التفكير في النظائر كأنواع مختلفة من الذرات. تمامًا كما يمكنك الحصول على نسخ من الآيس كريم بالفانيليا والشوكولاتة، يمكن أن تحتوي الذرات على نظائر مختلفة لها “نكهاتها” الفريدة بسبب الاختلافات في كتلتها. وقام الفريق بدراسة مستويات “نكهة” الميثوكسيل للنظائر في عينات خشبية من حوالي 30 عينة شجرة من مختلف المناخات والظروف في جميع أنحاء العالم لمراقبة الاتجاهات في التنفس الضوئي. جاءت العينات من أرشيفات جامعة كاليفورنيا، بيركليالذي يحتوي على مئات عينات الخشب التي تم جمعها في ثلاثينيات وأربعينيات القرن العشرين.

وقال لويد: “تم استخدام قاعدة البيانات في الأصل لتدريب الغابات على التعرف على الأشجار من أماكن مختلفة حول العالم، لذلك قمنا بإعادة استخدامها لإعادة بناء هذه الغابات بشكل أساسي لمعرفة مدى امتصاصها لثاني أكسيد الكربون”.

حتى الآن، لا يمكن قياس معدلات التنفس الضوئي إلا في الوقت الفعلي باستخدام النباتات الحية أو العينات الميتة المحفوظة جيدًا والتي احتفظت بالكربوهيدرات الهيكلية، مما يعني أنه كان من المستحيل تقريبًا دراسة المعدل الذي تمتص به النباتات الكربون على نطاق واسع أو في الماضي. وأوضح لويد.

النظر إلى الماضي لفهم المستقبل

والآن بعد أن أثبت الفريق صحة طريقة لمراقبة معدل التنفس الضوئي باستخدام الخشب، قال إن هذه الطريقة يمكن أن تقدم للباحثين أداة للتنبؤ بمدى جودة “تنفس” الأشجار في المستقبل وكيف تتصرف في المناخات الماضية.

تتزايد كمية ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بسرعة؛ إنه بالفعل أكبر من أي وقت مضى منذ 3.6 مليون سنة، وفقًا لـ الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي. وأوضح لويد أن هذه الفترة حديثة نسبيا في الزمن الجيولوجي.

وسيعمل الفريق الآن على الكشف عن معدلات التنفس الضوئي في الماضي القديم، منذ عشرات الملايين من السنين، باستخدام الخشب المتحجر. ستسمح هذه الأساليب للباحثين باختبار الفرضيات الموجودة بشكل صريح فيما يتعلق بالتأثير المتغير للتنفس الضوئي للنبات على المناخ عبر الزمن الجيولوجي.

قال لويد: “أنا جيولوجي، أعمل في الماضي”. “لذا، إذا كنا مهتمين بهذه الأسئلة الكبيرة حول كيفية عمل هذه الدورة عندما كان المناخ مختلفًا تمامًا عن اليوم، فلا يمكننا استخدام النباتات الحية. قد يتعين علينا العودة ملايين السنين إلى الوراء لنفهم بشكل أفضل كيف قد يبدو مستقبلنا.

المرجع: “تراص النظائر في الخشب كمؤشر على التنفس الضوئي في الأشجار” بقلم Max K. Lloyd، Rebekah A. Stein، Daniel E. Ibarra، Richard S. Barclay، Scott L. Wing، David W. Stahle، Todd E. Dawson ودانيال أ. ستولبر، 6 نوفمبر 2023، وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.
دوى: 10.1073/pnas.2306736120

المؤلفون الآخرون لهذه الورقة هم ريبيكا أ. ستاين، ودانيال أ. ستولبر، ودانييل إي. إيبارا، وتود إي. داوسون من جامعة كاليفورنيا، بيركلي؛ ريتشارد س. باركلي وسكوت إل. وينج من متحف سميثسونيان الوطني للتاريخ الطبيعي، وديفيد دبليو ستال من جامعة أركنساس.

تم تمويل هذا العمل جزئيًا من قبل معهد أجورون، ومؤسسة هايسينج سيمونز، ومؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية.