Onder ecologen, koolstof krijgt alle eer. Wetenschappers onderzoeken de cruciale rol ervan bij plantengroei en -bederf, ze brengen de bijdragen aan broeikasgassen in kaart, en ze meten de opslag ervan in de aarde, zee, en hemel.

Vaak over het hoofd gezien in al dit onderzoek is het eenvoudige element silicium, of "siliciumdioxide, " zoals het wordt genoemd wanneer het in de natuur wordt gevonden. Als ecologen (of biologen of biogeochemici) al aan silica denken, ze beschouwen het als een beetje speler, een ho-hum component van rotsen en zand.

"Silicium krijgt geen liefde, " zegt Wally Fulweiler, een universitair hoofddocent aarde en milieu aan de Universiteit van Boston, en biologie. "En dat zou ook moeten."

Fulweiler merkt op dat silica een belangrijke speler is in moeras- en oceaanecosystemen. Opmerkelijk, het vormt de buitenste schil van diatomeeën, microscopisch kleine organismen die dienen als diepzeeopslagvaten voor koolstofdioxide. "Over een lange tijdschaal, diatomeeën zijn belangrijk voor het reguleren van ons mondiale klimaat, "zegt Fulweiler. "Dus als je een oceanograaf bent, je houdt van silica. Maar als je, zeggen, een bosecoloog, je denkt waarschijnlijk niet veel aan silica, en je denkt zeker niet veel na over hoe menselijke activiteiten de silicacyclus hebben veranderd."

Bioloog Tim Maguire bestudeerde de fijne wortels van suikeresdoorns, om te begrijpen hoe klimaatverandering de opname van silica kan beïnvloeden. Maar onlangs Tim Maguire, een promovendus biologie in het laboratorium van Fulweiler, is opgevoerd om silica zijn recht te geven. Maguire (GRS'17) probeert te begrijpen hoe klimaatverandering de "levenscyclus, " terwijl het element van rotsen naar grondwater beweegt, dan door planten in rivieren en oceanen.

Wetenschappers weten dat bomen een belangrijke rol spelen als 'silicapompen':ze zuigen silicium uit het grondwater, omzetten in een biologisch beschikbare vorm, en ofwel opslaan of terugduwen in het ecosysteem in een meer biologisch bruikbare vorm - maar weinigen hebben dit effect gekwantificeerd. Maguire's recente werk, gefinancierd door de Alfred P. Sloan Foundation en gepubliceerd in de Journal of Geophysical Research:Biogeowetenschappen in maart 2017, ontdekte dat bomen, tenminste suiker esdoorns, kan een veel grotere pompkracht hebben dan verwacht, en kan ook ernstiger worden beïnvloed door klimaatverandering, aangezien warmere winters hun kwetsbare wortels beschadigen.

"Dit is een van de eerste artikelen die een direct verband laat zien tussen hoe we een klimaat veranderen en wat dat zou kunnen betekenen voor de beschikbaarheid van silica en de verbindingen tussen land en zee, " zegt Fulweiler, een co-auteur op het papier. "Dit is nog een andere manier waarop we iets verstoren dat we nog niet eens begonnen te begrijpen."

De winterluchttemperatuur in het noordoosten van de Verenigde Staten is al tientallen jaren gestaag gestegen, en nu gemiddeld ongeveer 2,5 graden Fahrenheit warmer dan in de jaren vijftig, volgens de Forest Service van de Verenigde Staten. "Dit heeft geresulteerd in veel minder sneeuw dan vroeger, " zegt Pamela Templer, een BU-professor biologie en co-auteur van Maguire's paper. "Er zijn nu zo'n twintig dagen minder per jaar dat de grond bedekt is met sneeuw, en het sneeuwdek wordt dunner en ook minder voorspelbaar." Om de effecten van deze opwarmingstrend op gematigde bossen in New England te meten, van 2008 tot 2012 voerde Templer een experiment uit dat werd gefinancierd door de Andrew W. Mellon Foundation en de USDA Northeastern States Research Cooperative in het Hubbard Brook Experimental Forest in New Hampshire, het verwijderen van sneeuwbedekking van vier delen van het bos om latere sneeuwval en minder sneeuw te simuleren, en het meten van de effecten op planten en bomen. Tempelier gevonden, onder andere, dat sneeuwdek, enigszins contra-intuïtief, werkt als een isolerende deken, boomwortels beschermen tegen bevriezing.

"We hebben veel negatieve effecten gevonden waar je sneeuw weghaalt; je bevriest de grond, en het beschadigt de bomen, " zegt Templer. Maar ze dacht er nooit aan om naar silica te kijken totdat Maguire haar benaderde, met de vraag of ze nog monsters had van Hubbard Brook. Omdat silica geen gasvormige toestand heeft, het blijft intact in opgeslagen monsters. "Dus gingen we in onze archieven en we kregen wat wortels, en toen verwerkte hij ze voor de silica, ' zegt Tempelier.

Maguire onderzocht de wortels van suikeresdoorns, die gevoelig zijn voor bevriezing omdat ze relatief dicht bij het oppervlak groeien. Hij testte specifiek de fijne wortels, die dunne, draderige ranken die water en voedingsstoffen uit de bodem opnemen. Zijn eerste verrassende bevinding:de fijne wortels van een suikeresdoorn vormen slechts ongeveer 4 procent van de biomassa van de boom, maar bevatten maar liefst 29 procent van het silica. En wanneer beschadigd door bevriezing, de hoeveelheid silica in de fijne wortels daalde met maar liefst 28 procent.

Dit kan slecht zijn voor individuele bomen, waar silica verschillende belangrijke rollen speelt, zoals structuur geven aan bladeren, bescherming tegen schadelijke schimmels, en - vermoedt Maguire - kleine wortels hard maken zodat ze door rotsachtige bodem in New England kunnen duwen. Maar de stroomafwaartse ecologische gevolgen kunnen nog ingrijpender zijn. Als dit percentage geldt voor alle esdoorns in een gemiddeld bos, Maguire berekend, dan zou bevriezing van de wortels de opname van silica aanzienlijk kunnen verminderen, ongeveer 31 procent van het silica dat regelmatig uit gematigde bossen in rivieren wordt gepompt, meren, en stromen.

"Vaak, als je dit soort studies doet, je krijgt een statistisch resultaat dat in de echte wereld niet veel voorstelt, ", zegt Maguire. "Dit is hier niet het geval." Wat deze bevindingen betekenen voor het ecosysteem van New England - of welk ecosysteem dan ook, trouwens - is nog grotendeels onbekend, wat Maguire en zijn collega's toeschrijven aan de "cryptische gevolgen" van klimaatverandering.

"Niemand van ons denkt dat we de hele silicapomp plotseling gaan stoppen, "zegt Templer. "Maar het suggereert wel dat met een kleinere sneeuwlaag en meer bevriezing van de grond, we zouden een significante verandering kunnen zien in de hoeveelheid silica die in aquatische ecosystemen terechtkomt, zeker via planten."

"Het opent een deur, " zegt Maguire van het onderzoek, een onverwachte, potentieel enorme impact op ecosystemen die grotendeels onbestudeerd blijft. "Alles wat we zeker weten, " zegt Maguire, "is dat als de opwarming doorgaat, er zal iets anders zijn."