Nell'estate del 2012 due studenti universitari hanno affrontato un problema che gli esperti di ecologia vegetale avevano trascurato per 30 anni. Gli studenti hanno dimostrato che le diverse specie di piante variano nel modo in cui assorbono anidride carbonica ed emettono acqua attraverso gli stomi, i pori delle loro foglie. I dati hanno aumentato l'accuratezza dei modelli matematici dei flussi di carbonio e acqua attraverso le foglie delle piante dal 30 al 60 percento.

I ricercatori, con sede presso l'Università dell'Illinois, riportare i loro risultati sulla rivista Natura Ecologia ed Evoluzione .

Col senno di poi, la scoperta potrebbe sembrare ovvia, ha detto il professore di biologia vegetale della University of I. Andrew Leakey, che ha fatto da mentore agli studenti ed è coautore dello studio.

"Se dovessi andare a una conferenza di fisiologi vegetali e dire, 'Hey, c'è diversità nel modo in cui si comportano gli stomi delle piante?' ognuno di loro direbbe, 'sì, '", ha detto Leakey.

"E ancora, per la maggior parte degli ultimi 30 anni, la nostra comunità non è riuscita a descrivere quella diversità in termini matematici".

Questa svista deriva in parte dal fatto che pochi biologi vegetali sanno come - o sono naturalmente inclini - a convertire le loro intuizioni biologiche nelle equazioni matematiche di cui i modellisti hanno bisogno per migliorare l'accuratezza del loro lavoro, ha detto Leakey.

"Di conseguenza, i modellisti sono stati costretti a supporre che gli stomi di tutte le specie si aprono e si chiudono in risposta alle condizioni ambientali allo stesso modo, " Egli ha detto.

Questa ipotesi si basava sul lavoro di un team guidato da Joseph Berry del Carnegie Institution for Science. Il gruppo ha scoperto che il comportamento degli stomi poteva essere descritto da un singolo, semplice equazione. Ma Berry e i suoi colleghi hanno fatto la loro prima svolta misurando la soia. Da allora, pochissimi scienziati vegetali si erano chiesti se l'equazione per la soia funzionasse anche in altre specie. Di conseguenza, i modellisti erano bloccati con l'unica versione dell'equazione, ha detto Leakey.

"Questa è stata una semplificazione eccessiva che probabilmente ha portato a errori nelle previsioni del modello di come crescono le colture e le foreste in tempi e luoghi diversi, " Egli ha detto.

"È impossibile misurare ogni pianta ovunque nel tempo in tutto il mondo, " ha detto Kevin Wolz, che ha condotto la nuova ricerca con Mark Abordo quando entrambi erano studenti universitari. "Così, invece misuriamo alcune cose sperimentalmente e poi le rappresentiamo con un po' di matematica, che è un modello".

La modellazione è uno strumento utile per fare previsioni su come i vari sistemi biologici funzioneranno nel tempo, ha detto Wolz. I modelli possono aiutare a determinare quali colture andranno bene in specifiche località geografiche e se produrranno cibo o biomassa sufficienti per rendere redditizia la loro coltivazione. Aiutano anche a prevedere come le piante risponderanno all'inquinamento, siccità o condizioni climatiche future, fornendo ai responsabili delle politiche informazioni sui potenziali danni o benefici associati a specifiche decisioni sull'uso del suolo.

Al momento dello studio, Wolz si stava laureando in biologia e ingegneria civile e ambientale. Questo gli ha dato un'idea sia della complessità del mondo naturale che della semplicità e del potere dei modelli matematici. Lui e Abordo, una laurea in matematica all'epoca, colto al volo l'opportunità di studiare come le piante regolano i loro stomi in risposta alle diverse condizioni atmosferiche.

"È stato un bel cambiamento dal lavorare sempre sulle lavagne al fare esperimenti di laboratorio e lavorare nei campi, " ha detto Abordo.

I due si alzavano prima dell'alba tutti i giorni feriali durante l'estate per raccogliere le foglie di 15 specie di alberi e riportarle al laboratorio, dove hanno usato apparecchiature per lo scambio di gas per misurare come le foglie hanno risposto a diverse condizioni di luce e atmosferiche. Ogni foglia è stata messa alla prova con test della durata di circa sei ore.

"È un po' come andare dal dottore e fare un test cardio dove ti mettono su un tapis roulant, " Disse Leakey. "Essenzialmente, questo è quello che stavano facendo Kevin e Mark; prendevano le foglie e le controllavano in scenari diversi per sapere come reagivano le foglie".

I loro risultati non sono stati sorprendenti, ha detto Wolz.

"Abbiamo dimostrato che non tutte le piante sono uguali, " Egli ha detto.

Il team ha trovato una quantità significativa di variazioni nel modo in cui le diverse specie di alberi hanno risposto a cose come la luce, calore, concentrazione di anidride carbonica e umidità. La modifica dei modelli standard con i nuovi dati ha notevolmente migliorato l'accuratezza dei modelli, i ricercatori hanno scoperto.

"Abbiamo riscontrato una riduzione dell'errore dal 30 al 60 percento, " ha detto Leakey.

"Questa ricerca mostra che formare persone come Kevin in modo interdisciplinare ci permette di abbattere le barriere di comunicazione nella scienza - tra modellisti e scienziati delle piante, Per esempio, " ha detto Leakey. "Questo è solo uno di una lunga lista di problemi che trarrebbero beneficio da un tale approccio".

È necessario ulteriore lavoro per estendere il nuovo approccio ad altre specie vegetali, e di ampliare lo sforzo per includere modelli che guardino alle dinamiche su scala ecosistemica, hanno detto i ricercatori.