Команда улучшает модели углеродного цикла растений
Летом 2012 года два студента-бакалавра решили проблему, которую специалисты по экологии растений упускали из виду на протяжении 30 лет. Они показали, что разные виды растений различаются по тому, как они поглощают диоксид углерода (CO₂) и испаряют воду через устьица — поры в листьях. Эти данные повысили точность математических моделей потоков углерода и воды через листья растений на 30–60 процентов. Исследователи из Университета Иллинойса сообщают о результатах в журнале Nature Ecology & Evolution.
Как отметил профессор биологии растений и соавтор работы Эндрю Лики, это открытие может показаться очевидным. Однако, несмотря на признание разнообразия в поведении устьиц, научное сообщество долгое время не описывало это разнообразие математически. Это отчасти связано с разрывом между биологами, которые не всегда переводят свои идеи в уравнения, и моделлерами, которым для точности работы нужны именно формулы.
В результате моделлерам приходилось предполагать, что устьица всех видов открываются и закрываются в ответ на условия окружающей среды одинаково. Это упрощение, основанное на уравнении, выведенном для сои командой Джозефа Берри из Института Карнеги, вероятно, приводило к ошибкам в прогнозах роста сельскохозяйственных культур и лесов в разных условиях и регионах.
«Невозможно измерить каждое растение повсюду на планете, — пояснил Кевин Вольц, проводивший исследование вместе с Марком Абордо. — Поэтому мы измеряем некоторые параметры экспериментально, а затем представляем их с помощью математики, то есть модели». Такие модели помогают прогнозировать, какие культуры будут хорошо расти в конкретных географических локациях, как растения отреагируют на засуху или изменение климата, что даёт основу для принятия решений в землепользовании.
Вольц и Абордо, будучи студентами, исследовали, как растения регулируют свои устьица в ответ на разные атмосферные условия. Они собирали листья 15 видов деревьев и в лаборатории с помощью газоанализационного оборудования измеряли их реакцию на изменение освещённости и состава атмосферы. Результаты подтвердили значительную вариацию в отклике разных видов на свет, тепло, концентрацию CO₂ и влажность. Включение новых данных в стандартные модели привело к резкому повышению их точности.
«Мы наблюдали снижение погрешности на 30–60 процентов», — сказал Лики. Он подчеркнул, что междисциплинарная подготовка учёных помогает преодолевать коммуникационные барьеры между моделлерами и биологами, открывая путь к решению множества аналогичных проблем. Для дальнейшего прогресса необходимо расширить новый подход на другие виды растений и масштабировать его до моделей экосистемного уровня.