In tutto il mondo, le piante emettono nell'atmosfera circa 100 milioni di tonnellate di monoterpeni ogni anno. Queste molecole organiche volatili includono molte fragranze come la molecola pinene, nota per il suo profumo fresco di pino. Poiché queste molecole sono altamente reattive e possono formare minuscole particelle di aerosol che possono crescere in nuclei per goccioline di nuvole. Le emissioni naturali svolgono un ruolo importante nel nostro clima. Pertanto, è importante per le previsioni climatiche sapere come cambieranno le emissioni di monoterpeni con l'aumento delle temperature.

Come con il pinene, molti monoterpeni si presentano in due forme speculari:(+) alfa-pinene e (-) alfa-pinene. Le piante possono rilasciare entrambe le forme di queste molecole volatili direttamente dopo la biosintesi o dai depositi nelle foglie. Poiché le due forme chirali o enantiomeriche hanno proprietà fisiche e chimiche identiche, spesso non vengono considerate separatamente nella modellazione atmosferica. Tuttavia, in un nuovo studio pubblicato questa settimana su Natura , i ricercatori del Max Planck Institute hanno dimostrato che le due molecole dell'immagine speculare vengono rilasciate attraverso processi diversi nella pianta e che rispondono in modo diverso allo stress, in particolare alla siccità.

Tre mesi di stress da siccità in una foresta pluviale artificiale

I risultati provengono da esperimenti condotti in una foresta pluviale tropicale artificiale chiusa all'interno del complesso Biosphere 2, in Arizona, originariamente costruito per creare ecosistemi autosufficienti. Questa struttura ha consentito a un team di scienziati del Max Planck Institute for Chemistry, dell'Università di Friburgo e dell'Università dell'Arizona di controllare con precisione le condizioni chimiche e climatiche della foresta e di misurarne le risposte. Per tre mesi, il team scientifico ha sottoposto la foresta a uno stress da siccità moderato e poi grave.

Utilizzando gas cromatografi, Joseph Byron ha conseguito un dottorato di ricerca. studente sul progetto della Max Planck Graduate School, ha determinato le emissioni orarie di alfa-pinene, canfene, limonene, terpinene e isoprene. Per determinare quando le piante emettevano quale forma chirale, i ricercatori hanno utilizzato CO ₂ etichettata isotopicamente per tracciare il carbonio fotosintetico e ha introdotto l'anidride carbonica "pesante" (13CO₂ ) all'aria della biosfera in determinati momenti. Utilizzando uno spettrometro di massa accoppiato al cromatografo, il team ha quindi potuto tracciare quali monoterpeni contenevano atomi di carbonio pesante e quali no. Ciò ha rivelato quali composti etichettati venivano prodotti e rilasciati istantaneamente dall'ecosistema e quali specie non etichettate provenivano da serbatoi di stoccaggio.

"Con nostra sorpresa, molte molecole specchio si comportavano in modo diverso sotto stress da siccità", afferma il primo autore dell'articolo Joseph Byron "Quindi, (-) alfa-pinene è stato etichettato, mentre (+) alfa-pinene, che abbiamo misurato contemporaneamente, non lo era. " Ciò significa che l'ecosistema della foresta pluviale tropicale ha rilasciato (-) alfa-pinene direttamente dopo la sintesi, mentre la molecola speculare proviene dai serbatoi di stoccaggio nella pianta.

Più siccità porta a uno spostamento diurno delle emissioni di monoterpeni

Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che con il progredire della siccità, non solo sono stati rilasciati più monoterpeni, ma anche il massimo delle emissioni è passato al tardo pomeriggio e le piante hanno rilasciato più monoterpeni dai pool di stoccaggio. E potrebbe esserci una ragione per questo, sospetta il leader del progetto e scienziato dell'atmosfera

Jonathan Williams afferma:"Sospettiamo che il rilascio successivo di monoterpeni aumenti la probabilità che si formino nuvole sulla foresta. Più fa caldo durante il giorno, più aumenta la miscelazione verticale dell'aria, consentendo ai volatili reattivi di raggiungere gli strati più alti d'aria dove hanno maggiori possibilità di diventare particelle di aerosol e, infine, ammuffire nuclei di condensazione."

Il ricercatore di Max Planck Williams conclude dagli studi sulla Biosfera 2:"Per prevedere con precisione le risposte dell'ecosistema allo stress, in futuro dovremmo misurare e modellare le emissioni delle molecole chirali separatamente. Ciò è particolarmente importante per la foresta pluviale amazzonica, per la quale i modelli climatici prevedono più siccità nel futuro."

Il capogruppo del Max Planck Institute for Chemistry di Magonza aggiunge:"Sono affascinato dal fatto che possiamo decifrare i processi fisiologici interni della foresta guidati da enzimi misurando la composizione dell'aria. Questo ci aiuterà sicuramente a chiarire gli effetti che abbiamo osservato anche nella vera foresta pluviale". Il team di Williams ha anche condotto ricerche nella foresta pluviale brasiliana presso l'Osservatorio Amazon Tall Tower ATTO. + Esplora ulteriormente

Una sorpresa chirale nella foresta pluviale