Spejlbilledmolekyler afslører tørkestress i skove

På verdensplan udsender planter omkring 100 millioner tons monoterpener til atmosfæren hvert år. Disse flygtige organiske molekyler omfatter mange dufte, såsom molekylet pinen - kendt for sin friske fyrreduft. Da disse molekyler er meget reaktive og kan danne små aerosolpartikler, der kan vokse til kerner for skydråber. Naturlige emissioner spiller en vigtig rolle i vores klima. Derfor er det vigtigt for klimaforudsigelser at vide, hvordan monoterpenemissioner vil ændre sig i takt med at temperaturen stiger.

Som med pinen forekommer mange monoterpener i to spejlbilleder:(+) alfa-pinen og (-) alfa-pinen. Planter kan frigive begge former for disse flygtige molekyler direkte efter biosyntese eller fra lagerpuljer i blade. Fordi de to chirale eller enantiomere former har identiske fysiske og kemiske egenskaber, betragtes de ofte ikke separat i atmosfærisk modellering. Men i en ny undersøgelse offentliggjort i denne uge i Nature , har forskere fra Max Planck Institute vist, at de to spejlbillede-molekyler frigives via forskellige processer i planten, og at de reagerer forskelligt på stress, især tørke.

Tre måneders tørkestress i en kunstig regnskov

Resultaterne kommer fra eksperimenter udført i en lukket kunstig tropisk regnskov i Biosphere 2-komplekset i Arizona, som oprindeligt blev bygget til at skabe et selvbærende økosystem. Denne facilitet gjorde det muligt for et team af forskere fra Max Planck Institute for Chemistry, University of Freiburg og University of Arizona præcist at kontrollere de kemiske og klimatiske forhold i skoven og måle dens reaktioner. I tre måneder satte videnskabsholdet skoven under moderat og derefter alvorlig tørkestress.

Ved hjælp af gaskromatografer har Joseph Byron en ph.d. studerende på projektet fra Max Planck Graduate School, bestemte timelige emissioner af alfa-pinen, camphene, limonen, terpinen og isopren. For at bestemme, hvornår planterne udsendte hvilken chiral form, brugte forskerne isotopisk mærket CO₂ at spore fotosyntetisk kulstof og indført "tung" kuldioxid (13CO₂ ) til luften i biosfæren på bestemte tidspunkter. Ved hjælp af et massespektrometer koblet til kromatografen kunne holdet derefter spore, hvilke monoterpener der indeholdt tunge kulstofatomer, og hvilke der ikke gjorde. Dette afslørede, hvilke mærkede forbindelser der blev fremstillet og frigivet øjeblikkeligt af økosystemet, og hvilke umærkede arter der kom fra lagerpuljer.

"Til vores overraskelse opførte mange spejlmolekyler sig anderledes under tørkestress," siger avisens førsteforfatter Joseph Byron "Således blev (-) alfa-pinen mærket, hvorimod (+) alfa-pinen, som vi målte samtidigt, ikke var det. " Det betyder, at det tropiske regnskovs økosystem frigav (-) alfa-pinen direkte efter syntese, mens spejlmolekylet kommer fra lagerbassiner i planten.

Mere tørke fører til daglige skift i monoterpenemissioner

Derudover fandt forskerne ud af, at efterhånden som tørken skred frem, blev der ikke kun frigivet flere monoterpener, men også det maksimale i emissioner blev flyttet til senere på eftermiddagen, og planterne frigav flere monoterpener fra lagerbassiner. Og det kan der være en grund til, mistænker projektleder og atmosfærisk videnskabsmand

Jonathan Williams siger:"Vi har mistanke om, at den senere frigivelse af monoterpener øger sandsynligheden for, at der dannes skyer over skoven. Jo varmere det bliver i løbet af dagen, jo mere stiger den lodrette blanding af luften, hvilket tillader de reaktive flygtige stoffer at nå højere lag af luft, hvor de har en større chance for at blive til aerosolpartikler og i sidste ende sky kondensationskerner."

Max Planck-forsker Williams konkluderer fra Biosphere 2-undersøgelserne:"For at forudsige økosystemernes reaktioner på stress nøjagtigt, bør vi måle og modellere emissioner fra chirale molekyler separat i fremtiden. Dette er især vigtigt for Amazonas regnskoven, for hvilken klimamodeller forudsiger flere tørkeperioder. i fremtiden."

Gruppelederen fra Max Planck Institute for Chemistry i Mainz tilføjer:"Jeg er fascineret af det faktum, at vi kan dechifrere interne, enzymdrevne fysiologiske processer i skoven ved at måle luftsammensætningen. Dette vil helt sikkert hjælpe os med at belyse de effekter, vi har også observeret i den rigtige regnskov." Williams' team har også forsket i den brasilianske regnskov ved Amazon Tall Tower Observatory ATTO. + Udforsk yderligere

En chiral overraskelse i regnskoven