تغير المناخ يجعل الأشجار تكافح من أجل “التنفس”

تكافح الأشجار لعزل ثاني أكسيد الكربون الذي يحبس الحرارة في المناخات الأكثر دفئًا وجفافًا، مما يعني أنها قد لا تكون بمثابة حل لتعويض البصمة الكربونية للإنسانية مع استمرار ارتفاع حرارة الكوكب، وفقًا لدراسة جديدة بقيادة ولاية بنسلفانيا. الباحثين.

وقال ماكس لويد، أستاذ أبحاث مساعد في علوم الأرض في ولاية بنسلفانيا والمؤلف الرئيسي للدراسة التي نشرت مؤخرا في مجلة “لقد وجدنا أن الأشجار في المناخات الأكثر دفئا وجفافا تسعل بدلا من التنفس”. وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم. “إنهم يرسلون ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي بشكل أكبر بكثير من الأشجار في ظروف أكثر 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 إلى الغلاف الجوي، وهي عملية تسمى التنفس الضوئي. ومن خلال تحليل مجموعة بيانات عالمية لأنسجة الأشجار، أثبت فريق البحث أن معدل التنفس الضوئي يصل إلى مرتين أعلى في المناخات الأكثر دفئًا، خاصة عندما تكون المياه محدودة. ووجدوا أن عتبة هذه الاستجابة في المناخات شبه الاستوائية تبدأ في تجاوزها عندما يتجاوز متوسط ​​درجات الحرارة أثناء النهار 68 درجة تقريبًا. فهرنهايت وتتفاقم مع ارتفاع درجات الحرارة أكثر.

الدور المعقد للنباتات في التكيف مع المناخ

وتؤدي النتائج إلى تعقيد الاعتقاد السائد حول دور النباتات في المساعدة على سحب الكربون من الغلاف الجوي أو استخدامه، مما يوفر رؤية جديدة حول كيفية تكيف النباتات مع تغير المناخ. والأهم من ذلك، لاحظ الباحثون أنه مع ارتفاع درجة حرارة المناخ، أظهرت النتائج التي توصلوا إليها أن النباتات قد تكون أقل قدرة على سحب ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي واستيعاب الكربون الضروري لمساعدة الكوكب على التبريد.

قال لويد: “لقد أفقدنا توازن هذه الدورة الأساسية”. “النباتات والمناخ مرتبطان ارتباطًا وثيقًا. إن أكبر عملية سحب لثاني أكسيد الكربون من غلافنا الجوي هي الكائنات الحية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي. إنه مفتاح كبير لتكوين الغلاف الجوي، وهذا يعني أن التغييرات الصغيرة لها تأثير كبير.

وأوضح لويد أن النباتات تمتص حاليا ما يقدر بنحو 25% من ثاني أكسيد الكربون المنبعث من الأنشطة البشرية كل عام، وفقا لوزارة الطاقة الأمريكية، ولكن من المرجح أن تنخفض هذه النسبة في المستقبل مع ارتفاع درجة حرارة المناخ، خاصة إذا ندرت المياه.

وقال لويد: “عندما نفكر في العقود المستقبلية للمناخ، نتوقع أن يرتفع 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. سوف يصبح العالم أكثر دفئًا، مما يعني أن النباتات ستكون أقل قدرة على سحب ثاني أكسيد الكربون.

ومن خلال تحليل مجموعة بيانات عالمية لأنسجة الأشجار، أثبت فريق بقيادة باحثين من ولاية بنسلفانيا أن معدل التنفس الضوئي في الأشجار يصل إلى ضعفين 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

اكتشف الباحثون في الدراسة أن التباين في وفرة نظائر معينة لجزء 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 قد يكون لديك نسخ من الآيس كريم بالفانيليا والشوكولاتة، يمكن أن تحتوي الذرات على نظائر مختلفة لها “نكهاتها” الفريدة بسبب الاختلافات في كتلتها. قام الفريق بدراسة مستويات “نكهة” نظير الميثوكسيل في عينات خشبية من حوالي ثلاثين عينة من الأشجار من مجموعة متنوعة من المناخات والظروف في جميع أنحاء العالم لمراقبة الاتجاهات في التنفس الضوئي. العينات جاءت من الأرشيف في جامعة كاليفورنيا، بيركلي، الذي يحتوي على مئات عينات الخشب التي تم جمعها في ثلاثينيات وأربعينيات القرن العشرين.

وقال لويد: “تم استخدام قاعدة البيانات في الأصل لتدريب الغابات على كيفية التعرف على الأشجار من أماكن مختلفة حول العالم، لذلك قمنا بإعادة توظيفها 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 تسحب به النباتات الكربون على نطاق واسع أو في الماضي. وأوضح لويد.

التطلع إلى الماضي لفهم المستقبل

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

إن كمية ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي ترتفع بسرعة؛ إنه بالفعل أكبر من أي وقت مضى خلال الـ 3.6 مليون سنة الماضية، وفقًا لـ الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي. وأوضح لويد أن تلك الفترة حديثة نسبيا في الزمن الجيولوجي.

وسيعمل الفريق الآن على اكتشاف معدلات التنفس الضوئي في الماضي القديم، والتي تصل إلى 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”. “لذلك، إذا كنا مهتمين بهذه الأسئلة الكبيرة حول كيفية عمل هذه الدورة عندما كان المناخ مختلفًا تمامًا عما هو عليه اليوم، فلا يمكننا استخدام النباتات الحية. ربما يتعين علينا العودة ملايين السنين إلى الوراء لنفهم بشكل أفضل كيف سيبدو مستقبلنا.”

المرجع: “التكتل النظائري في الخشب كبديل للتنفس 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 في هذه الورقة هم ريبيكا أ. ستاين، ودانييل 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.