النباتات قد تتوقف عن امتصاص الكربون مع ارتفاع درجات الحرارة

لقد تكيف العالم الطبيعي منذ فترة طويلة مع تغير مناخ الأرض، ولكن هناك حدود لما يمكن للكائنات الحية أن تتحمله، تلعب النباتات، على وجه الخصوص، دورًا حاسمًا في الحفاظ على توازن الكوكب من خلال امتصاص ثاني أكسيد الكربون وإطلاق الأكسجين.

ومع ذلك، تشير الأبحاث الجديدة إلى أن ارتفاع درجات الحرارة قد يدفع النباتات إلى ما هو أبعد من حدودها، مما يغير قدرتها على تنظيم البيئة.

كان العلماء يعتقدون تقليديا أن النباتات تحافظ على المياه عن طريق إغلاق مسامها أثناء درجات الحرارة العالية.

لكن الدكتور شون ميخاليتز، أستاذ علم النبات في جامعة كولومبيا البريطانية، اكتشف حقيقة مدهشة.

وتشير أبحاثه إلى أن النباتات تفقد كميات من المياه أكبر من المتوقع، وهو ما قد يضعف دورها في تنظيم المناخ، وإذا كانت هذه النتائج دقيقة، فقد تؤدي إلى إعادة تشكيل الطريقة التي نتوقع بها ارتفاع درجات الحرارة في المستقبل.

نُشرت الدراسة في مجلة New Phytologist .

تساعد النباتات على التحكم في دورات الكربون والمياه

تعتبر النباتات ضرورية للحياة على الأرض، فمن خلال عملية التمثيل الضوئي، تمتص النباتات ثاني أكسيد الكربون وتحوله إلى طاقة وتطلق الأكسجين، وتسمح هذه العملية للنباتات بالعمل كمصدر للكربون، حيث تمتص الغازات المسببة للاحتباس الحراري والتي من شأنها أن تساهم في ظاهرة الاحتباس الحراري العالمي.

بالإضافة إلى دورها في امتصاص الكربون، تعمل النباتات على تنظيم دورة المياه، فهي تطلق بخار الماء في الغلاف الجوي، مما يساعد في تبريد الكوكب والحفاظ على مستويات الرطوبة، ومع ذلك، مع ارتفاع درجات الحرارة، قد يتغير هذا التوازن الدقيق بطرق غير متوقعة.

تشير أبحاث الدكتور ميخاليتز إلى أن ارتفاع درجات الحرارة يجبر النباتات على فقدان المزيد من الماء من خلال البشرة، وهي طبقة شمعية على أوراقها، وعلى عكس مسامها، التي يمكن أن تغلق لمنع فقدان الماء، تظل البشرة مفتوحة. وكلما كانت البشرة أرق، كلما فقد النبات المزيد من الماء.

يمكن أن تؤدي هذه العملية إلى تقليل عملية التمثيل الضوئي، والحد من امتصاص الكربون، وحتى تحويل النباتات إلى مصادر للكربون في ظل ظروف قاسية.

خطر خفي لفقدان الماء في النبات

لعقود من الزمن، افترض العلماء أن النباتات تفقد الماء في المقام الأول من خلال مسامها، والتي يمكن أن تغلق أثناء الظروف الجافة أو الحارة.

وقد شكل هذا الاعتقاد نماذج المناخ وتوقعات دورة المياه. ومع ذلك، تشير النتائج الجديدة إلى أن فقدان الماء الناجم عن البشرة قد يكون أكثر أهمية مما كان يُعتقد سابقًا.

وأوضح الدكتور ميخاليتز: “عندما ترتفع درجات الحرارة، تفقد النباتات كمية أكبر من الماء من خلال بشرتها مقارنة بمسامها. وهذا يحد من قدرتها على امتصاص ثاني أكسيد الكربون ويقلل من دورها كمصدر للكربون”.

في درجات الحرارة الشديدة، قد تكافح النباتات للحفاظ على عملية التمثيل الضوئي، وتمتص كمية أقل من الكربون بينما تستمر في إطلاق الماء.

إذا ارتفعت درجات الحرارة إلى مستويات مرتفعة للغاية، فقد تتحول الغابات والنظم البيئية الأخرى من تخزين الكربون إلى إطلاقه. ومن شأن هذا التحول أن يسرع من تغير المناخ ويعطل النظم البيئية العالمية.

ويقدر الدكتور ميخاليتز أن ورقة واحدة متوسطة الحجم معرضة لدرجة حرارة 50 درجة مئوية قد تفقد نحو ثلث ملعقة صغيرة من الماء يوميا من خلال بشرتها. وإذا ما تم تطبيق هذا التأثير على غابة بأكملها، فقد يؤدي ذلك إلى تغيير كبير في دورات المياه والكربون العالمية.

وقد تقلل نماذج المناخ الحالية من تقدير هذا التأثير، مما يدفع العلماء إلى إعادة تقييم توقعات الاحتباس الحراري في المستقبل.

الحرارة الشديدة قد تؤدي إلى توقف النباتات عن العمل

لا تستجيب جميع النباتات للحرارة بنفس الطريقة، فبعض الأنواع يمكنها تحمل درجات الحرارة الشديدة، في حين تبدأ أنواع أخرى في المعاناة بمجرد أن تصبح الظروف دافئة للغاية.

أجريت دراسة في فانكوفر على 200 نوع من النباتات لتحديد مدى تحملها للحرارة.

قال الدكتور ميخاليتز: “تشير أبحاثنا إلى أن عملية التمثيل الضوئي تبدأ في الانهيار بين 40 و51 درجة مئوية، وخلال قبة الحرارة في عام 2021، ارتفعت درجات الحرارة إلى 49.6 درجة مئوية، مما دفع النباتات إلى حدودها القصوى”.

إذا استمرت درجات الحرارة في الارتفاع، فقد تصل النباتات إلى نقطة انهيار حرجة. ويقدر فريق البحث أن 60 درجة مئوية قد تكون أقصى درجة حرارة يمكن للنباتات تحملها. وبعد هذه العتبة، تتحلل البروتينات داخل خلايا النبات، مما يؤدي إلى تلف لا رجعة فيه والموت في النهاية.

في حين أن بعض النباتات الصحراوية والاستوائية تطورت لتتحمل الحرارة الشديدة، إلا أن معظم الأنواع لا تتمتع بنفس القدرة على التحمل.

قد تتحول النباتات إلى مصادر للكربون

إن فهم كيفية تأثير الحرارة على حياة النباتات أمر ضروري للتنبؤ بتغير المناخ. فإذا وصلت النباتات إلى حدودها القصوى في درجات الحرارة، فقد تتوقف عن امتصاص ثاني أكسيد الكربون وتطلقه بدلاً من ذلك، مما يساهم في ارتفاع درجات الحرارة بدلاً من إبطائها.

وقال الدكتور ميخاليتز: “على مستوى العالم، يعمل الباحثون على تحديد “نقطة التحول” حيث تطلق نباتات الأرض كمية من ثاني أكسيد الكربون أكبر مما تمتصه، وتتحول من مصدر للكربون إلى مصدر له”.

وتشير تقديراتنا إلى أن هذا قد يحدث عند حوالي 30 درجة مئوية، على الرغم من أن هناك شكوكًا رئيسية لا تزال قائمة – وخاصة كيف تؤثر المناخات المحلية وتوافر المياه على عملية التمثيل الضوئي في ظل الحرارة الشديدة.

وبما أن متوسط ​​درجة حرارة الأرض يبلغ بالفعل 16 درجة مئوية، فقد يكون هذا الحد أقرب مما كان متوقعا. وإذا بدأت النظم البيئية النباتية في إطلاق كميات من الكربون تفوق ما تخزنه، فقد ترتفع درجات الحرارة العالمية بسرعة أكبر مما تتوقعه النماذج الحالية.

الدروس المستفادة من مشروع المحيط الحيوي 2

لقد كانت العلاقة بين النباتات والبيئة محل اهتمام العلماء منذ فترة طويلة، مما أدى إلى إجراء تجارب تختبر كيفية استجابة النباتات للظروف القاسية.

كان أحد أكثر المشاريع طموحًا في مجال البحث البيئي هو مشروع Biosphere 2، وهو منشأة مغلقة مصممة لمحاكاة نظام بيئي مستقل.

بصفته باحثًا في مرحلة ما بعد الدكتوراه، عمل الدكتور ميخاليتز في بيوسفير 2، الذي تم إنشاؤه في الأصل كبيئة مكتفية ذاتيًا. تم حبس العلماء، المعروفين باسم علماء بيوسفير، داخله لمعرفة ما إذا كان البشر قادرين على البقاء على قيد الحياة بدون الأكسجين أو الإمدادات الخارجية.

“بعد ذلك، تحول مركز بيوسفير 2 إلى مركز للأبحاث والتعليم العام، حيث درست كيف تؤثر درجات الحرارة المرتفعة على النباتات في الغابات المطيرة التجريبية”، كما قال الدكتور ميخاليتز.

وقد كشفت التجربة الأصلية عن تحديات غير متوقعة. فقد ارتفعت مستويات ثاني أكسيد الكربون بسبب التفاعلات الكيميائية داخل المنشأة، وتسببت العزلة المطولة في إحداث ضغوط نفسية بين المشاركين.

وقد سلطت هذه النتائج غير المتوقعة الضوء على تعقيدات الحفاظ على بيئة اصطناعية.

ما مدى قربنا من الحد الأقصى؟

لقد نجت النباتات من التحولات المناخية لملايين السنين، ولكنها ليست غير قابلة للهزيمة.

إن النباتات لها حدود قصوى تحددها القوانين الفيزيائية التي تحكم عملياتها البيولوجية، وفي حين تكيفت بعض النباتات لتتحمل الضغوط الحرارية، فإن العديد من النباتات الأخرى لا تستطيع تحمل درجات الحرارة القصوى لفترات طويلة.

ويعمل العلماء الآن على تحديد متى وأين ستبدأ النباتات في المعاناة من ارتفاع درجات الحرارة العالمية. وتشير بعض القياسات الأخيرة إلى أن النباتات ربما تقترب بالفعل من عتبات الحرارة الخطيرة.

إذا استمر الاحتباس الحراري دون رادع، فقد تفقد النباتات قدرتها على تنظيم الكربون في البيئة، مما يؤدي إلى سلسلة من ردود الفعل المناخية.

والسؤال الآن ليس ما إذا كانت النباتات سوف تتأثر بارتفاع درجات الحرارة، بل متى سوف نشعر بالعواقب، وفهم هذه الحدود أمر بالغ الأهمية للتنبؤ بمستقبل النظم البيئية على الأرض والدور الذي سوف تلعبه النباتات في عالم يشهد ارتفاعاً سريعاً في درجات الحرارة.