Wetenschap
Onderzoekers van de U. of I. ontdekten dat planten sterk variëren in de efficiëntie waarmee ze koolstofdioxide opnemen en water besparen. Professor plantenbiologie Andrew Leakey, links, begeleid Kevin Wolz, die student was op het moment dat hij het onderzoek uitvoerde. Wolz heeft nu diploma's in civiele techniek en biologie en is bezig met een doctoraat in de biologie. Krediet:L. Brian Stauffer
In de zomer van 2012 twee niet-gegradueerde studenten pakten een probleem aan dat experts op het gebied van plantenecologie 30 jaar over het hoofd hadden gezien. De studenten toonden aan dat verschillende plantensoorten verschillen in hoe ze koolstofdioxide opnemen en water uitstoten via huidmondjes, de poriën in hun bladeren. De gegevens verhoogden de nauwkeurigheid van wiskundige modellen van koolstof- en waterstromen door plantenbladeren met 30 tot 60 procent.
De onderzoekers, gevestigd aan de Universiteit van Illinois, rapporteren hun bevindingen in het tijdschrift Natuurecologie en evolutie .
Achteraf gezien, de ontdekking lijkt misschien voor de hand liggend, zei U. of I. professor in plantenbiologie, Andrew Leakey, die de studenten begeleidde en co-auteur is van het onderzoek.
"Als ik naar een conferentie van plantenfysiologen zou gaan en zou zeggen:'Hallo, is er diversiteit in het gedrag van plantenhuidmondjes?' elk van hen zou zeggen, 'Ja, ' zei Lekey.
"En toch, voor het grootste deel van de laatste 30 jaar, onze gemeenschap heeft die diversiteit niet in termen van wiskunde beschreven."
Dit onoplettendheid komt deels voort uit het feit dat maar weinig plantenbiologen weten - of van nature geneigd zijn - om hun biologische inzichten om te zetten in de wiskundige vergelijkingen die modelbouwers nodig hebben om de nauwkeurigheid van hun werk te verbeteren, zei Leaky.
"Als resultaat, modelbouwers zijn gedwongen aan te nemen dat de huidmondjes van alle soorten op dezelfde manier openen en sluiten als reactie op omgevingsomstandigheden, " hij zei.
Deze veronderstelling was gebaseerd op het werk van een team onder leiding van Joseph Berry van het Carnegie Institution for Science. De groep ontdekte dat het gedrag van huidmondjes beschreven kan worden door een enkele, eenvoudige vergelijking. Maar Berry en zijn collega's braken voor het eerst door met het meten van soja. Vanaf dat moment, zeer weinig plantenwetenschappers hadden zich afgevraagd of de vergelijking voor soja ook bij andere soorten werkte. Als resultaat, modelbouwers zaten vast met de enige versie van de vergelijking, zei Leaky.
"Dit was een te grote vereenvoudiging die waarschijnlijk heeft geleid tot fouten in modelvoorspellingen van hoe goed gewassen en bossen groeien in verschillende tijden en plaatsen, " hij zei.
"Het is onmogelijk om overal ter wereld elke plant overal in de tijd te meten, " zei Kevin Wolz, die het nieuwe onderzoek samen met Mark Abordo uitvoerde toen beiden nog student waren. "Dus, we meten in plaats daarvan een paar dingen experimenteel en geven dat dan weer met wat wiskunde, dat is een model."
Modellering is een handig hulpmiddel om voorspellingen te doen over hoe verschillende biologische systemen in de loop van de tijd zullen functioneren, zei Wolz. Modellen kunnen helpen bepalen welke gewassen het goed zullen doen op specifieke geografische locaties en of ze voldoende voedsel of biomassa zullen produceren om hun teelt winstgevend te maken. Ze helpen ook te voorspellen hoe planten zullen reageren op vervuiling, droogte of toekomstige klimaatomstandigheden, beleidsmakers inzicht geven in de mogelijke nadelen of voordelen die verband houden met specifieke beslissingen over landgebruik.
Op het moment van de studie, Wolz studeerde biologie en civiele en milieutechniek. Dit gaf hem inzicht in zowel de complexiteit van de natuurlijke wereld als de eenvoud en kracht van wiskundige modellen. Hij en Abordo, een wiskunde-majoor in die tijd, grepen de kans aan om te bestuderen hoe planten hun huidmondjes aanpassen als reactie op verschillende atmosferische omstandigheden.
"Het was een leuke afwisseling van de hele tijd op schoolborden werken naar laboratoriumexperimenten en sporten in het veld, ' zei Abordo.
De twee stonden in de zomer elke weekdag voor zonsopgang op om bladeren van 15 boomsoorten te verzamelen en mee te nemen naar het lab. waar ze gasuitwisselingsapparatuur gebruikten om te meten hoe de bladeren reageerden op verschillende licht- en atmosferische omstandigheden. Elk blad werd aan de tand gevoeld met tests die ongeveer zes uur duurden.
"Het is een beetje zoals naar de dokter gaan en een cardiotest ondergaan waarbij ze je op een loopband zetten, ' zei Leakey. 'In wezen, dat is wat Kevin en Mark aan het doen waren; ze namen bladeren en voerden ze onder verschillende scenario's om te leren hoe de bladeren reageerden."
Hun bevindingen waren niet verrassend, zei Wolz.
"We hebben aangetoond dat niet elke plant hetzelfde is, " hij zei.
Het team vond een aanzienlijke hoeveelheid variatie in de manier waarop verschillende boomsoorten reageerden op zaken als licht, warmte, kooldioxideconcentratie en vochtigheid. Het wijzigen van standaardmodellen met de nieuwe gegevens verbeterde de nauwkeurigheid van de modellen drastisch, vonden de onderzoekers.
"We zagen een foutreductie van 30 tot 60 procent, ' zei Leakey.
"Dit onderzoek toont aan dat het interdisciplinair trainen van mensen zoals Kevin ons in staat stelt om communicatiebarrières in de wetenschap te slechten - tussen modelbouwers en plantwetenschappers, bijvoorbeeld, "Zei Leakey. "Dit is slechts een van de vele problemen die baat zouden hebben bij een dergelijke aanpak."
Er is meer werk nodig om de nieuwe benadering uit te breiden naar andere plantensoorten, en om de inspanning te verbreden om modellen op te nemen die kijken naar dynamiek op ecosysteemschaal, aldus de onderzoekers.
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com