Летом 2012 года два студента бакалавриата решили проблему, которую специалисты по экологии растений не замечали в течение 30 лет. Студенты продемонстрировали, что разные виды растений по-разному поглощают углекислый газ и выделяют 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 своих выводах в журнале Nature Ecology and Evolution.
Оглядываясь назад, открытие может показаться очевидным, сказал профессор биологии растений Университета Айленда Эндрю Лики, который был наставником студентов и является соавтором исследования.
"Если бы я пришел на конференцию физиологов растений и сказал: "Эй, есть ли разнообразие в поведении устьиц растений?" каждый из них сказал бы «да», - сказал Лики.
"И все же на протяжении большей части последних 30 лет наше сообщество не может описать это разнообразие с точки зрения математики."
Это упущение частично связано с тем фактом, что лишь немногие биологи растений знают, или склонны естественным образом преобразовывать свои биологические идеи в математические уравнения, которые необходимы разработчикам моделей для повышения точности их работы, сказал Лики.
«В результате разработчики моделей были вынуждены предположить, что устьица всех видов открываются и закрываются в ответ на условия окружающей среды одинаковым образом», - сказал он..
Это предположение было основано на работе группы под руководством Джозефа Берри из Института науки Карнеги. Группа обнаружила, что поведение устьиц можно описать одним простым уравнением. Но Берри и его коллеги совершили первый прорыв, измерив сою. С тех пор очень немногие ученые-растения задавались вопросом, работает ли уравнение для сои и для других видов. В результате разработчики моделей застряли с одной версией уравнения, сказал Лики.
«Это было чрезмерное упрощение, которое, вероятно, привело к ошибкам в прогнозах модели того, насколько хорошо растут сельскохозяйственные культуры и леса в разное время и в разных местах», - сказал он..
«Невозможно измерить каждое растение повсюду во времени по всему земному шару», - сказал Кевин Вольц, который проводил новое исследование с Марком Абордо, когда оба были старшекурсниками. «Итак, вместо этого мы измеряем несколько вещей экспериментально, а затем представляем это с помощью некоторой математики, которая является моделью».
Моделирование - полезный инструмент для прогнозирования того, как различные биологические системы будут функционировать с течением времени, - сказал Вольц. Модели могут помочь определить, какие культуры будут хорошо себя чувствовать в определенных географических точках и будут ли они производить достаточно пищи или биомассы, чтобы сделать их выращивание прибыльным. Они также помогают предсказать, как растения будут реагировать на загрязнение, засуху или будущие климатические условия, давая политикам представление о потенциальном вреде или выгодах, связанных с конкретными решениями по землепользованию.
На момент исследования Вольц специализировался в области биологии, гражданского и экологического строительства. Это дало ему представление как о сложности природного мира, так и о простоте и силе математических моделей. Он и Абордо, в то время изучавший математику, ухватились за возможность изучить, как растения приспосабливают свои устьица к различным атмосферным условиям.
"Это был приятный переход от постоянной работы с классной доской к проведению лабораторных экспериментов и работе в поле", - сказал Абордо.
Эти двое вставали до рассвета каждый будний день в течение лета, чтобы собрать листья с 15 видов деревьев и отвезти их в лабораторию, где они использовали газообменное оборудование, чтобы измерить, как листья реагируют на различные световые и атмосферные условия. Каждый лист был подвергнут испытаниям, длившимся примерно шесть часов.
«Это немного похоже на то, как пойти к врачу и пройти кардио-тест, когда вас помещают на беговую дорожку», - сказал Лики. «По сути, это то, чем занимались Кевин и Марк: они брали листья и запускали их по разным сценариям, чтобы узнать, как реагируют листья».
Их результаты не были неожиданными, сказал Вольц.
"Мы продемонстрировали, что не все растения одинаковы", - сказал он.
Команда обнаружила значительные различия в том, как разные виды деревьев реагируют на такие вещи, как свет, тепло, концентрация углекислого газа и влажность. Исследователи обнаружили, что изменение стандартных моделей новыми данными значительно повысило точность моделей.
«Мы заметили, что количество ошибок сократилось на 30-60 процентов», - сказал Лики.
«Это исследование показывает, что междисциплинарное обучение таких людей, как Кевин, позволяет нам преодолевать коммуникативные барьеры в науке - например, между моделистами и учеными-растителями», - сказал Лики.«Это только одна из длинного списка проблем, которые можно было бы решить с помощью такого подхода».
Необходима дополнительная работа, чтобы распространить новый подход на другие виды растений и расширить усилия, чтобы включить модели, которые рассматривают динамику в масштабе экосистемы, заявили исследователи.