En el verano de 2012, dos estudiantes de pregrado abordaron un problema que los expertos en ecología vegetal habían pasado por alto durante 30 años. Los estudiantes demostraron que las diferentes especies de plantas varían en la forma en que absorben el dióxido de carbono y emiten agua a través de los estomas. los poros de sus hojas. Los datos aumentaron la precisión de los modelos matemáticos de los flujos de carbono y agua a través de las hojas de las plantas entre un 30 y un 60 por ciento.

Los investigadores, con sede en la Universidad de Illinois, reportar sus hallazgos en la revista Ecología y evolución de la naturaleza .

En retrospectiva, el descubrimiento puede parecer obvio, dijo el profesor de biología vegetal de la U. de I. Andrew Leakey, quien sirvió de mentor a los estudiantes y es coautor del estudio.

"Si fuera a una conferencia de fisiólogos vegetales y dijera:'Oye, ¿Existe diversidad en la forma en que se comportan los estomas de las plantas? ' cada uno de ellos diría, 'sí, '", Dijo Leakey.

"Y todavía, durante la mayor parte de los últimos 30 años, nuestra comunidad no ha podido describir esa diversidad en términos de matemáticas ".

Esta supervisión se debe en parte al hecho de que pocos biólogos de plantas saben cómo, o están naturalmente inclinados, a convertir sus conocimientos biológicos en las ecuaciones matemáticas que los modeladores necesitan para mejorar la precisión de su trabajo. Leakey dijo.

"Como resultado, Los modeladores se han visto obligados a asumir que los estomas de todas las especies se abren y cierran en respuesta a las condiciones ambientales de la misma manera, " él dijo.

Esta suposición se basó en el trabajo de un equipo dirigido por Joseph Berry de la Carnegie Institution for Science. El grupo descubrió que el comportamiento de los estomas podía ser descrito por un solo, ecuación simple. Pero Berry y sus colegas hicieron su avance inicial midiendo la soja. Desde entonces, muy pocos científicos de plantas habían cuestionado si la ecuación de la soja también funcionaba en otras especies. Como resultado, los modeladores se quedaron atrapados con la única versión de la ecuación, Leakey dijo.

"Esta fue una simplificación excesiva que probablemente condujo a errores en las predicciones del modelo sobre qué tan bien crecen los cultivos y los bosques en diferentes momentos y lugares, " él dijo.

"Es imposible medir todas las plantas en todas partes a lo largo del tiempo en todo el mundo, "dijo Kevin Wolz, quien realizó la nueva investigación con Mark Abordo cuando ambos eran estudiantes universitarios. "Entonces, en su lugar, medimos algunas cosas de forma experimental y luego las representamos con algunas matemáticas, que es un modelo ".

El modelado es una herramienta útil para hacer predicciones sobre cómo funcionarán varios sistemas biológicos a lo largo del tiempo, Dijo Wolz. Los modelos pueden ayudar a determinar qué cultivos funcionarán bien en ubicaciones geográficas específicas y si producirán suficiente alimento o biomasa para que su cultivo sea rentable. También ayudan a predecir cómo responderán las plantas a la contaminación. sequía o condiciones climáticas futuras, dar a los formuladores de políticas información sobre los daños o beneficios potenciales asociados con decisiones específicas sobre el uso de la tierra.

En el momento del estudio, Wolz se estaba especializando en biología e ingeniería civil y ambiental. Esto le dio una idea tanto de la complejidad del mundo natural como de la simplicidad y el poder de los modelos matemáticos. Él y Abordo, un estudiante de matemáticas en ese momento, aprovechó la oportunidad de estudiar cómo las plantas ajustan sus estomas en respuesta a diferentes condiciones atmosféricas.

"Fue un cambio agradable de trabajar en pizarrones todo el tiempo a hacer experimentos de laboratorio y hacer ejercicio en el campo, "Dijo Abordo.

Los dos se levantaron antes del amanecer todos los días de la semana durante el verano para recolectar hojas de 15 especies de árboles y llevarlas de regreso al laboratorio. donde utilizaron equipos de intercambio de gases para medir cómo respondían las hojas a diferentes condiciones lumínicas y atmosféricas. Cada hoja se puso a prueba con pruebas que duraron aproximadamente seis horas.

"Es un poco como ir al médico y hacerse una prueba de cardio en la que te ponen en una caminadora, "Leakey dijo." Esencialmente, eso es lo que estaban haciendo Kevin y Mark; estaban tomando hojas y ejecutándolas en diferentes escenarios para aprender cómo respondían las hojas ".

Sus hallazgos no fueron sorprendentes, Dijo Wolz.

"Demostramos que no todas las plantas son iguales, " él dijo.

El equipo encontró una cantidad significativa de variación en la forma en que las diferentes especies de árboles respondían a cosas como la luz, calor, concentración de dióxido de carbono y humedad. La alteración de los modelos estándar con los nuevos datos mejoró drásticamente la precisión de los modelos, los investigadores encontraron.

"Observamos una reducción del error del 30 al 60 por ciento, "Dijo Leakey.

"Esta investigación muestra que capacitar a personas como Kevin de manera interdisciplinaria nos permite romper las barreras de comunicación en la ciencia, entre los modeladores y los científicos de plantas, por ejemplo, ", Dijo Leakey." Este es sólo uno de una larga lista de problemas que se beneficiarían de un enfoque de este tipo ".

Se necesita más trabajo para extender el nuevo enfoque a otras especies de plantas, y ampliar el esfuerzo para incluir modelos que analicen la dinámica a escala del ecosistema, dijeron los investigadores.