La ricerca di un professore della Montana State University sulla chimica delle piante nelle Grandi Pianure settentrionali e nelle Montagne Rocciose settentrionali è stata pubblicata in Biologia del cambiamento globale , una rivista di spicco che promuove l'esplorazione delle connessioni tra processi biologici e cambiamento ambientale.

Jack Brookshire, professore associato presso il Dipartimento di risorse territoriali e scienze ambientali del MSU College of Agriculture, dati satellitari combinati e campioni di piante provenienti da più di 300 località intorno alle Grandi Pianure settentrionali e alle Montagne Rocciose settentrionali per esaminare le tendenze nell'inverdimento, una metrica che rappresenta la produttività delle piante attraverso la fotosintesi. Il progetto è iniziato nel 2016 ed è stato sostenuto dal finanziamento EPSCoR della National Science Foundation e da un assegno di ricerca attraverso la Montana Agriculture Experiment Station.

"Gli studi che utilizzano il telerilevamento hanno mostrato che gran parte della superficie terrestre della Terra è diventata più verde negli ultimi decenni principalmente a causa dell'aumento di anidride carbonica nell'atmosfera, " disse Brookshire. "Tuttavia, c'erano anche prove che il contenuto di azoto delle piante stava diminuendo. Nessuno aveva ancora combinato le analisi delle tendenze di inverdimento della vegetazione con quei cambiamenti nella chimica delle piante".

Brookshire ha lavorato con i collaboratori dell'Università del Wisconsin-Madison e dell'Idaho State University, così come studenti laureati e universitari della MSU per esaminare se i cambiamenti climatici regionali o l'aumento dell'anidride carbonica atmosferica siano stati la causa dell'aumento dell'inverdimento in tutto il Montana e nelle più ampie Grandi Pianure settentrionali. Sebbene l'aumento della produttività possa sembrare un vantaggio, Brookshire ha detto che la domanda è quanto siano sostenibili questi aumenti e se l'aumento dell'inverdimento cambi la composizione chimica delle piante stesse.

Il lavoro è iniziato setacciando quasi due decenni di dati satellitari da un programma della NASA chiamato MODIS, che raccoglie dati dall'intera superficie della Terra ogni 1-2 giorni. Il gruppo di Brookshire ha analizzato i dati dell'indice di differenza di vegetazione normalizzato, che misura la quantità di luce riflessa dalle piante. Oltre 20 anni, hanno notato che l'inverdimento attraverso le Grandi Pianure settentrionali e le Montagne Rocciose settentrionali era aumentato in modo significativo, ma la differenza era più pronunciata nelle Grandi Pianure settentrionali.

"I maggiori aumenti dell'inverdimento si sono verificati nei luoghi in cui era più caldo e più secco, pensiamo perché hanno i guadagni più marginali da ottenere in risposta all'anidride carbonica e ai cambiamenti climatici dati i cambiamenti nella fisiologia vegetale che osserviamo, " disse Brookshire. "Inoltre, gran parte delle Grandi Pianure settentrionali ha registrato un aumento delle precipitazioni negli ultimi decenni, e troviamo prove che questo è stato un importante motore delle tendenze ecologiche".

Però, mentre le tendenze nell'inverdimento variavano in base alla posizione geografica, Brookshire voleva vedere se i cambiamenti fisiologici nelle piante stesse fossero uniformi nelle due regioni. Se è così, la causa più probabile sarebbe l'aumento dell'anidride carbonica atmosferica. L'aumento di anidride carbonica è di portata globale, e non oscillerebbe a livello regionale, disse Brookshire.

Per testare i cambiamenti fisici in atto all'interno delle piante, Brookshire si rivolse all'erbario MSU, che ospita migliaia di campioni di piante provenienti da tutto lo stato, raccolti in più di 100 anni.

"L'erbario è davvero un tesoro di specie vegetali autoctone, " ha detto Brookshire. "Abbiamo selezionato quattro specie rappresentative per gli ecosistemi, tre erbe e una salvia, e poi hanno campionato con molta attenzione piccole sezioni delle loro foglie per l'analisi chimica e isotopica".

Dopo aver testato i campioni dell'erbario, Il team di Brookshire è tornato in alcune delle posizioni dei campioni di piante storiche e ha raccolto campioni contemporanei per confrontare gli equilibri chimici all'interno delle stesse specie di piante fino a 100 anni dopo.

Analizzando i rapporti chimici e isotopici del carbonio e dell'azoto nei campioni di piante storiche e contemporanee, Brookshire ha trovato livelli ridotti di azoto e livelli aumentati di carbonio in campioni recenti. Hanno anche scoperto che le piante avevano aumentato l'efficienza nell'uso dell'acqua, il rapporto tra la quantità di anidride carbonica che assorbono per unità d'acqua, di oltre il 30% dagli anni '70. Queste misurazioni hanno confermato la sua ipotesi che le piante si stessero adattando ai cambiamenti nell'atmosfera terrestre nel tempo.

"Fondamentalmente, le piante hanno bisogno di anidride carbonica, acqua, luce solare e sostanze nutritive, soprattutto azoto, per fotosintetizzare e crescere, " disse. "Quando una di quelle leve è aumentata, gli altri devono adeguarsi. Le piante di questi ecosistemi si sono adattate all'aumento dell'anidride carbonica mantenendo un rapporto costante tra ciò che è all'interno delle foglie e ciò che è all'esterno".

Brookshire ha affermato che i cambiamenti a lungo termine nella chimica delle piante potrebbero avere effetti negativi sugli ecosistemi. Alla fine emergeranno limitazioni all'inverdimento, in particolare in quanto poco azoto le piante possono sopravvivere.

"Le piante non possono aumentare indefinitamente l'efficienza di utilizzo di acqua o azoto, " ha detto. "Questi risultati sono importanti per lo sviluppo della prossima generazione di modelli di ecosistema in quanto le piante dovranno probabilmente adeguare le strategie di acquisizione dei nutrienti".

Il cambiamento del trucco delle piante potrebbe anche avere un impatto sulle creature che mangiano quelle piante. Con l'aumento dell'anidride carbonica si ha un aumento degli zuccheri vegetali, e la diminuzione dell'azoto comporta una diminuzione del contenuto proteico, che potrebbe portare a impatti dietetici per gli erbivori e persino a cambiamenti nella nutrizione delle colture coltivate nelle Grandi Pianure settentrionali e nelle Montagne Rocciose settentrionali per il consumo umano.

"C'è una grande quantità di incertezza su come il cambiamento climatico, l'aumento della produttività delle praterie e il calo della qualità dei tessuti vegetali stanno influenzando gli ecosistemi delle Grandi Pianure settentrionali in questo momento, " ha detto Brookshire. "È difficile ma importante capire come continueranno a cambiare nel prossimo secolo e oltre".