Team forbedrer fabrikkens kulstofcyklusmodeller

I sommeren 2012 to bachelorstuderende tacklede et problem, som planteøkologieksperter havde overset i 30 år. Eleverne viste, at forskellige plantearter varierer i, hvordan de optager kuldioxid og udsender vand gennem stomata, porerne i deres blade. Dataene øgede nøjagtigheden af ​​matematiske modeller af kulstof- og vandstrømme gennem planteblade med 30 til 60 procent.

Forskerne, baseret på University of Illinois, rapportere deres resultater i journalen Naturens økologi og evolution .

Set i bakspejlet, opdagelsen kan virke indlysende, sagde U. of I. plantebiologi professor Andrew Leakey, der vejledte de studerende og er medforfatter på undersøgelsen.

"Hvis jeg skulle gå til en konference for plantefysiologer og sige, 'Hej, er der mangfoldighed i den måde, hvorpå plantestomata opfører sig?' hver eneste af dem ville sige, 'Ja, " sagde Leakey.

"Og stadigvæk, i det meste af de sidste 30 år, vores samfund har undladt at beskrive den mangfoldighed i form af matematik."

Denne forglemmelse stammer til dels fra det faktum, at få plantebiologer ved - eller er naturligt tilbøjelige - til at konvertere deres biologiske indsigt til de matematiske ligninger, som modelbyggere har brug for for at forbedre nøjagtigheden af ​​deres arbejde, sagde Leakey.

"Som resultat, modelbyggere er blevet tvunget til at antage, at stomata af alle arter åbner og lukker som reaktion på miljøforhold på samme måde, " han sagde.

Denne antagelse var baseret på arbejdet i et team ledet af Joseph Berry fra Carnegie Institution for Science. Gruppen opdagede, at stomatas adfærd kunne beskrives af en enkelt, simpel ligning. Men Berry og hans kolleger fik deres første gennembrud ved at måle sojabønner. Siden da, meget få planteforskere havde stillet spørgsmålstegn ved, om ligningen for sojabønner også fungerede hos andre arter. Som resultat, modelbyggere sad fast i den ene version af ligningen, sagde Leakey.

"Dette var en overforenkling, der sandsynligvis førte til fejl i modelforudsigelser af, hvor godt afgrøder og skove vokser på forskellige tidspunkter og steder, " han sagde.

"Det er umuligt at måle alle planter overalt gennem tiden over hele kloden, " sagde Kevin Wolz, som udførte den nye forskning med Mark Abordo, da begge var undergraduate. "Så, vi måler i stedet nogle få ting eksperimentelt og repræsenterer det så med noget matematik, som er en model."

Modellering er et nyttigt værktøj til at lave forudsigelser om, hvordan forskellige biologiske systemer vil fungere over tid, sagde Wolz. Modeller kan hjælpe med at bestemme, hvilke afgrøder der vil klare sig godt på specifikke geografiske steder, og om de vil producere nok mad eller biomasse til at gøre deres dyrkning rentabel. De hjælper også med at forudsige, hvordan planter vil reagere på forurening, tørke eller fremtidige klimaforhold, give politiske beslutningstagere indsigt i de potentielle skader eller fordele forbundet med specifikke beslutninger om arealanvendelse.

På studietidspunktet, Wolz var hovedfag i biologi og civil- og miljøteknik. Dette gav ham indsigt i både kompleksiteten af ​​den naturlige verden og enkelheden og kraften i matematiske modeller. Han og Abordo, en matematik hovedfag på det tidspunkt, hoppet på chancen for at studere, hvordan planter justerer deres stomata som reaktion på forskellige atmosfæriske forhold.

"Det var en dejlig forandring fra at arbejde på tavler hele tiden til at lave laboratorieeksperimenter og træne i markerne, " sagde Abordo.

De to stod op før daggry hver hverdag hen over sommeren for at samle blade fra 15 træarter og tage dem med tilbage til laboratoriet, hvor de brugte gasudvekslingsudstyr til at måle, hvordan bladene reagerede på forskellige lys- og atmosfæriske forhold. Hvert blad blev sat igennem sine trin med test, der varede omkring seks timer.

"Det er lidt ligesom at gå til lægen og tage en cardio-test, hvor de sætter dig på et løbebånd, " sagde Leakey. "I bund og grund, det var hvad Kevin og Mark lavede; de tog blade og kørte dem under forskellige scenarier for at lære, hvordan bladene reagerede."

Deres resultater var ikke overraskende, sagde Wolz.

"Vi viste, at ikke alle planter er ens, " han sagde.

Holdet fandt en betydelig variation i den måde, som forskellige træarter reagerede på ting som lys, varme, kuldioxidkoncentration og fugtighed. Ændring af standardmodeller med de nye data forbedrede modellernes nøjagtighed dramatisk, fandt forskerne.

"Vi så en reduktion på 30 til 60 procent i fejl, " sagde Leakey.

"Denne forskning viser, at træning af mennesker som Kevin på en tværfaglig måde giver os mulighed for at nedbryde kommunikationsbarrierer i videnskaben - mellem modelbyggere og planteforskere, for eksempel, " sagde Leakey. "Dette er kun et af en lang liste af problemer, der ville drage fordel af en sådan tilgang."

Der er behov for mere arbejde for at udvide den nye tilgang til andre plantearter, og at udvide indsatsen til at omfatte modeller, der ser på dynamik på økosystemskalaen, sagde forskerne.