Wereldwijd stoten planten elk jaar ongeveer 100 miljoen ton monoterpenen uit in de atmosfeer. Deze vluchtige organische moleculen bevatten veel geuren, zoals het molecuul pineen, bekend om zijn frisse dennengeur. Omdat deze moleculen zeer reactief zijn en kleine aerosoldeeltjes kunnen vormen die kunnen uitgroeien tot kernen voor wolkendruppels. Natuurlijke emissies spelen een belangrijke rol in ons klimaat. Daarom is het voor klimaatvoorspellingen belangrijk om te weten hoe de uitstoot van monoterpeen zal veranderen als de temperatuur stijgt.

Net als bij pineen komen veel monoterpenen voor in twee spiegelbeeldvormen:(+) alfa-pineen en (-) alfa-pineen. Planten kunnen beide vormen van deze vluchtige moleculen direct na biosynthese of uit opslagpools in bladeren afgeven. Omdat de twee chirale of enantiomere vormen identieke fysische en chemische eigenschappen hebben, worden ze vaak niet afzonderlijk beschouwd in atmosferische modellering. In een nieuwe studie die deze week is gepubliceerd in Nature , hebben onderzoekers van het Max Planck Instituut aangetoond dat de twee spiegelbeeldmoleculen via verschillende processen in de plant vrijkomen en dat ze verschillend reageren op stress, met name droogte.

Drie maanden droogtestress in een kunstmatig regenwoud

De resultaten zijn afkomstig van experimenten die zijn uitgevoerd in een ingesloten kunstmatig tropisch regenwoud in het Biosphere 2-complex, in Arizona, dat oorspronkelijk werd gebouwd om een ​​zelfvoorzienend ecosysteem te creëren. Dankzij deze faciliteit kon een team van wetenschappers van het Max Planck Institute for Chemistry, de Universiteit van Freiburg en de Universiteit van Arizona de chemische en klimatologische omstandigheden van het bos nauwkeurig controleren en de reacties meten. Drie maanden lang zette het wetenschappelijke team het bos onder matige en vervolgens ernstige droogtestress.

Met behulp van gaschromatografen, Joseph Byron, een Ph.D. student op het project van de Max Planck Graduate School, bepaalde uurlijkse emissies van alfa-pineen, kamfeen, limoneen, terpineen en isopreen. Om te bepalen wanneer de planten welke chirale vorm uitstoten, gebruikten de onderzoekers isotopisch gelabeld CO₂ om fotosynthentische koolstof te volgen en introduceerde "zware" koolstofdioxide (13CO₂ ) op bepaalde tijden naar de lucht van de biosfeer. Met behulp van een aan de chromatograaf gekoppelde massaspectrometer kon het team vervolgens volgen welke monoterpenen zware koolstofatomen bevatten en welke niet. Dit onthulde welke gelabelde verbindingen onmiddellijk werden gemaakt en vrijgegeven door het ecosysteem en welke ongelabelde soorten afkomstig waren uit opslagpools.

"Tot onze verbazing gedroegen veel spiegelmoleculen zich anders onder droogtestress", zegt de eerste auteur van het artikel, Joseph Byron. "Dus, (-) alfa-pineen was gelabeld, terwijl (+) alfa-pineen, dat we tegelijkertijd hebben gemeten, niet was. " Dit betekent dat het ecosysteem van het tropisch regenwoud direct na synthese (-) alfa-pineen afgeeft, terwijl het spiegelmolecuul afkomstig is uit opslagpools in de plant.

Meer droogte leidt tot dagelijkse verschuiving in monoterpeenemissies

Bovendien ontdekten de onderzoekers dat naarmate de droogte vorderde, niet alleen meer monoterpenen vrijkwamen, maar ook dat de maximale uitstoot verschoof naar later in de middag, en dat de planten meer monoterpenen vrijgaven uit opslagbassins. En daar kan een reden voor zijn, vermoedt projectleider en atmosferische wetenschapper

Jonathan Williams zegt:"We vermoeden dat de latere afgifte van monoterpenen de kans vergroot dat zich wolken boven het bos vormen. Hoe warmer het overdag wordt, hoe meer de verticale vermenging van de lucht toeneemt, waardoor de reactieve vluchtige stoffen hogere lagen kunnen bereiken van lucht waar ze een grotere kans hebben om aërosoldeeltjes te worden en uiteindelijk condensatiekernen te vertroebelen."

Max Planck-onderzoeker Williams concludeert uit de Biosphere 2-onderzoeken:"Om de reacties van ecosystemen op stress nauwkeurig te voorspellen, moeten we de emissies van chirale moleculen in de toekomst afzonderlijk meten en modelleren. Dit is vooral belangrijk voor het Amazone-regenwoud, waarvoor klimaatmodellen meer droogte voorspellen. in de toekomst."

De groepsleider van het Max Planck Instituut voor Chemie in Mainz voegt hieraan toe:"Ik ben gefascineerd door het feit dat we interne, enzymgestuurde fysiologische processen van het bos kunnen ontcijferen door de luchtsamenstelling te meten. Dit zal ons zeker helpen om de effecten die we hebben op te helderen. waargenomen in het echte regenwoud ook." Het team van Williams heeft ook onderzoek gedaan in het Braziliaanse regenwoud bij het Amazon Tall Tower Observatory ATTO. + Verder verkennen

Een chirale verrassing in het regenwoud