Quasi 100 anni fa, c'era uno strano acquisizione al rallentatore delle Grandi Pianure. Durante il Dust Bowl degli anni '30, come una storica ondata di caldo e siccità ha spazzato il centro degli Stati Uniti, c'è stato un drammatico cambiamento nei tipi di piante che occupano la regione.

Le erbe più comuni nel freddo nord hanno iniziato a prendere il sopravvento sugli stati delle pianure meridionali insolitamente calde e secche che erano solitamente occupate da altre erbe autoctone.

Al tempo, Certo, questo cambiamento nella copertura vegetale non è stata la principale preoccupazione durante un disastro che ha causato lo sfollamento di circa 2,5 milioni di persone e ha causato almeno 1,9 miliardi di dollari in perdite agricole da sole. E, infatti, non sembrava poi così strano, fino a quando gli scienziati non hanno iniziato a saperne di più su questi tipi di piante.

"Quello che è successo è diventato un mistero molto più tardi, sulla base della nostra successiva comprensione dei tratti delle specie che si sono sostituite a vicenda, "ha detto Alan Knapp, un Distinguished Professor universitario nel Dipartimento di Biologia della Colorado State University presso il College of Natural Sciences e l'ecologo senior per il programma di laurea in Ecologia della CSU.

Durante gli anni Sessanta, i ricercatori hanno scoperto che c'era una netta differenza ecologica tra questi due tipi di quelle che erano considerate erbe da clima più caldo e più fresco (un gruppo, noto come "C4" utilizzano la fotosintesi per produrre un composto con quattro atomi di carbonio, rispetto alle altre, noto come "C3, " il cui primo composto di fotosintesi è composto da soli tre atomi di carbonio). Le erbe C4 crescono meglio a temperature calde e sono più efficienti nell'utilizzo dell'acqua. Le erbe C3 tendono ad essere più abbondanti nei climi più freschi e umidi.

Il che ha sollevato la domanda:perché, durante una famigerata siccità e ondata di caldo, le erbe C3 invaderebbero improvvisamente circa 135, 000 miglia quadrate del centro-sud degli Stati Uniti. Così è nato il "paradosso di Dust Bowl".

Non è solo una questione di curiosità storica. Mentre il cambiamento climatico accelera, praterie, che coprono circa il 30-40% della superficie terrestre del globo, stanno già assistendo all'aumento delle temperature e alle variazioni estreme delle precipitazioni e si prevede che si verificheranno siccità ancora più estreme. E, ha osservato Knapp, "sono una parte vitale delle economie locali ovunque si trovino". Così, capire cosa abbia accelerato l'improvviso cambiamento nelle specie erbacee del Dust Bowl e i loro effetti a catena è una domanda sempre più pressante.

"Poiché si prevede che siccità così estreme saranno più comuni in futuro con i cambiamenti climatici, è importante capire perché queste praterie hanno risposto in quel modo, che era esattamente l'opposto di quello che si poteva prevedere in base ai loro tratti, " ha detto Knapp.

Ora, Knapp e i suoi colleghi hanno trovato una risposta a questa domanda. In un nuovo documento, pubblicato questa settimana in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , descrivono un esperimento di siccità artificiale di quattro anni condotto nelle praterie del Kansas e del Wyoming che offre una soluzione al mistero del paradosso del Dust Bowl.

"Questo studio sblocca un enigma sul perché le erbe C3 possono superare le erbe C4 in ambienti caldi, condizioni di asciutto, ", ha affermato il coautore Yiqi Luo del Center for Ecosystem Science and Society presso la Northern Arizona University. "Mentre i cambiamenti climatici globali e i modelli di precipitazioni cambiano, questo nuovo obiettivo è uno strumento importante per prevedere le future dinamiche della vegetazione e lo stoccaggio del carbonio".

Questo ci riporta al mistero. Perché questi amanti del freddo, Le erbe C3 meno efficienti in termini di acqua sono arrivate a dominare gli Stati Uniti centrali durante una storica ondata di caldo e siccità? Knapp e i suoi colleghi hanno scoperto che aveva meno a che fare con la quantità di precipitazioni e molto più con quando cadevano le precipitazioni.

Durante un normale anno di crescita nelle pianure meridionali degli Stati Uniti, la maggior parte dell'umidità cade in estate, durante la stagione di crescita. Ma nelle praterie settentrionali, le precipitazioni sono più uniformi durante tutto l'anno. Si scopre che questo è anche ciò che accade durante la siccità estrema:le precipitazioni sono molto meno legate ai mesi caldi, che si verificano in modo più uniforme durante l'anno.

Così, con precipitazioni che cadono secondo schemi più simili alle pianure settentrionali durante una siccità nel sud, Le erbe C3 hanno trovato i limiti della loro dinamica piovosa preferita estendendosi verso sud. E hanno proliferato.

I ricercatori hanno anche scoperto che l'invasione delle piante C3 ha una sorta di potere autoalimentante. Poiché iniziano a crescere all'inizio dell'anno, "possono utilizzare preventivamente l'acqua del suolo prima che le piante C4 diventino attive, riducendo ulteriormente la crescita delle specie C4, " ha detto Knapp.

Questi risultati non riguardano semplicemente il conteggio e il monitoraggio delle specie. I diversi tipi di erbe hanno anche caratteristiche diverse che possono portare a cambiamenti nell'ecosistema generale, clima, e uso del suolo.

Per esempio, Le erbe C3 tendono a inverdirsi in media un mese intero prima delle erbe C4, ma muoiono prima, spostando lo scambio di carbonio suolo-aria della regione. Essendo meno efficiente con l'acqua, Le erbe C3 assorbono più umidità dal terreno, che ha un effetto di composizione, soprattutto negli anni in cui l'acqua è già scarsa.

Anche il periodo dell'anno in cui crescono è importante.

"Tutte le piante, quando cresce attivamente e verde, evaporare notevoli quantità di acqua dalle foglie, " ha spiegato Knapp. "Questo ha un effetto di raffreddamento locale. Poiché le erbe C3 crescono quando fa fresco (in primavera) ma non in piena estate, l'effetto di raffreddamento si perde quando è più necessario, durante i caldi mesi estivi. Ciò significa che il passaggio dai modelli di crescita C4 a C3 potrebbe portare a estati più calde".

Il team prevede di continuare a studiare gli impatti di questi cambiamenti stagionali e il loro recupero.

"Dopo la siccità decennale di Dust Bowl, i resti dell'impatto della siccità sulle comunità vegetali erano evidenti per 20 anni, " ha detto Knapp. Quindi il gruppo sta ora monitorando quanto tempo impiegherà i loro appezzamenti sperimentali a riprendersi dopo il loro esperimento di quattro anni.

"Come un sistema così esteso a livello globale, le praterie svolgono un ruolo importante nel ciclo globale del carbonio e nelle interazioni vegetazione-atmosfera, "Knapp ha detto, ecco perché la comprensione di eventi storici su così larga scala sarà fondamentale nella preparazione ai cambiamenti climatici del futuro.

La carta, "Risolvere il paradosso del Dust Bowl delle risposte delle praterie alla siccità estrema, " apparso il 24 agosto in PNAS , insieme a un documento di un collega membro della facoltà del Dipartimento di Biologia, Illustre professoressa universitaria Diana Wall, che è coautore di un articolo intitolato, "La diversità genetica degli invertebrati del suolo conferma le stime temporali per i crolli passati della calotta glaciale dell'Antartico occidentale".