La dinamica stagionale della fluorescenza indotta dal sole (SIF, linea rossa) segue da vicino la produzione primaria lorda giornaliera cumulativa (PIL, linea nera) nella foresta di conifere a Niwot Ridge, Colorado. Credito:adattato da Magney et al . PNAS (2019)
Gli inverni nell'emisfero settentrionale sono brutali. Le dure condizioni portano alcune specie al letargo; gli orsi riducono il loro stato metabolico per conservare energia fino alla primavera. Le foreste sopportano anche l'inverno risparmiando energia; interrompono la fotosintesi, il processo mediante il quale un pigmento verde chiamato clorofilla cattura la luce solare e l'anidride carbonica (CO2) per produrre l'energia chimica che alimenta le piante. La produzione totale di energia chimica risultante dalla fotosintesi è chiamata produzione primaria lorda (GPP). Il GPP nelle foreste sempreverdi dice agli scienziati quanta CO2 stanno respirando questi vasti e remoti sistemi.
Poiché la fotosintesi estrae la CO2 dall'atmosfera, comprendere l'attività forestale è fondamentale per monitorare i livelli globali di carbonio. Per decenni, gli scienziati hanno utilizzato i satelliti per monitorare i cambiamenti nel verde delle foreste decidue per tracciare il GPP. In autunno e in inverno, le foglie decidue diventano marroni e cadono quando sono dormienti. In primavera e in estate, la clorofilla ritorna quando le foglie verdi e la fotosintesi si intensificano. Però, gli alberi sempreverdi conservano i loro aghi verdi pieni di clorofilla tutto l'anno, impedendo agli scienziati di rilevare l'inizio e il declino della fotosintesi su larga scala.
Per la prima volta, un nuovo studio ha collegato i cicli stagionali del GPP a un processo che si verifica con la fotosintesi ma è recentemente diventato rintracciabile da alcuni satelliti:la fluorescenza indotta dal sole (SIF). La fotosintesi si verifica quando l'energia del sole eccita la clorofilla in uno stato energetico più elevato. Quando la clorofilla ritorna al suo stato normale emette un fotone, producendo una luce troppo bassa per l'occhio nudo. Il "bagliore" risultante è il SIF.
Un team collaborativo di ricercatori ha utilizzato uno spettrometro a scansione su una torre per misurare il "bagliore" fluorescente per tutta la stagione in una foresta sempreverde del Colorado. Il team è il primo a collegare il SIF con la fisiologia dell'ago, fotosintesi del baldacchino e fluorescenza derivata da satellite. Hanno scoperto che i modelli SIF giornalieri e stagionali corrispondevano strettamente ai tempi e all'entità del GPP. In primavera, i sempreverdi attivano la clorofilla nei loro aghi, che guida sia la fluorescenza che la fotosintesi, corrispondendo strettamente al SIF che i satelliti sono stati recentemente in grado di misurare.
Uno dei modi in cui le piante si proteggono durante i rigidi inverni è distribuendo pigmenti fotoprotettivi che agiscono come "crema solare". Lo studio ha scoperto che quando le piante applicano questa protezione solare, sia la fotosintesi che la fluorescenza diminuiscono, consentendo agli scienziati di sentirsi sicuri nel segnale SIF come proxy per monitorare la respirazione (assorbimento di CO2) delle foreste sempreverdi.
Il sistema spettrometrico montato in cima a una torre in una foresta di conifere subalpine a Niwot Ridge, Colorado, dati raccolti tra giugno 2017 e giugno 2018. Gli scienziati hanno confrontato la fluorescenza indotta dal sole (SIF) misurata dal sistema con i cambiamenti fisiologici all'interno degli aghi di conifere per capire meglio perché vediamo cicli stagionali SIF. Credito:Troy Magney
Ora, gli scienziati possono utilizzare le misurazioni della fluorescenza satellitari come indicatore dell'attività fotosintetica nelle foreste sempreverdi su una scala senza precedenti. Vedendo il bagliore delle foreste sempreverdi dallo spazio, possiamo capire meglio come queste foreste stanno rispondendo ai cambiamenti climatici.
"Stiamo cercando di sviluppare tecniche per essere in grado di "vedere" la fotosintesi su larga scala, quindi sappiamo quanta CO2 sta consumando la biosfera... tenendo un dito sul polso della biosfera, " disse Troy Magney, scienziato ricercatore del Jet Propulsion Laboratory della NASA e del California Institute of Technology.
Magney e il team hanno raccolto dati da un sistema spettrometrico montato in cima a una torre tra giugno 2017 e giugno 2018 in una foresta di conifere subalpine a Niwot Ridge, Colorado. Sono stati in grado di districare i cambiamenti fisiologici all'interno degli aghi di conifere per capire meglio perché vediamo cicli stagionali SIF. si scopre, è tutta una questione di pigmenti.
"Tu ed io possiamo scottarci. Troppe radiazioni ultraviolette danneggeranno le nostre cellule. Alcune persone possono proteggersi:la loro pelle produce più melanina del pigmento per adattarsi agli ambienti ad alta luminosità, "ha detto David Bowling, professore di biologia all'Università dello Utah e coautore dello studio. "Le piante hanno un diverso, ma processo simile."
Senza la fotosintesi per utilizzare l'energia del sole, le piante hanno bisogno di proteggersi. I ricercatori hanno scoperto che le conifere producono alti livelli di pigmenti che fanno parte del ciclo della xantofilla che protegge i suoi tessuti dalla luce in eccesso. Per tutta la stagione, la frazione di "crema solare" cambia, più in inverno, meno in estate, riducendo sia la fluorescenza che la fotosintesi.
"In definitiva, misurare il piccolo bagliore fluorescente delle piante ci consentirà di vedere esattamente i tempi e l'entità dell'assorbimento di carbonio dalla biosfera terrestre. Questo ci aiuterà a capire come le foreste stanno rispondendo ai cambiamenti climatici e suggerirà come potrebbero rispondere ai futuri cambiamenti climatici, " disse Magno.
