Även om träd inte kan gå är de fortfarande i rörelse.
I delar av Arktis kryper hela skogar norrut. Som tur är är ekologen Serge Payette het på spåren. Liksom de två andra vetenskapsmän vi kommer att träffa här, har Payette ägnat decennier åt att försöka förstå de ofta överraskande sätt som växter påverkar sin miljö.
Tillsammans visar dessa tre experter hur växter inte bara koloniserar nya omgivningar, utan också kan värma och rengöra dem. Vissa växter kan till och med befria ett område från alla konkurrerande växter genom att använda kemikalier som fortsätter att förvåna forskarna. Som arbete av dessa forskare visar gör växter många saker för att interagera med sin miljö – och vår.
Gå vidare upp
Över hela Arktis stiger temperaturerna snabbare än någon annanstans i världen. När det händer har trädgränsen som markerar var skogarna stannar och den trädlösa tundran börjar skiftat norrut. Payette är en arktisk växtekolog som arbetar på Université Laval i Québec, Kanada. Och han har studerat hur träd reagerar på denna klimatförändring i norra Kanada.
Träd som växer längs trädgränsen måste skydda sig mot den kalla vinden. Hans forskning har visat att för att göra detta tenderar växter att växa horisontella lemmar lågt till marken. Energin det tar för träd att växa på detta sätt gör att de inte har tillräckligt med över för att göra frön.
Men eftersom jordens klimat har värmts upp behöver träd inte längre bara växa horisontellt. Många kan istället växa upp, mot himlen. Detta tar mindre energi. Och med all den överblivna energin har dessa träd börjat producera mer frön. Payette har sett detta hända särskilt på platser där vitgran växer, som norra Québec och Labrador.
“Vitgran, som är ett nordamerikanskt träd, kan producera mycket frön, som kan förflytta sig långa sträckor i vinden”, förklarar Payette. När vindblåsta frön hamnar på tundran bortom trädgränsen kan de så småningom gro nya träd. Detta förklarar hur en skog kan röra sig.
Ekologen Serge Payette från Université Laval studerar hur nordliga skogar reagerar på stigande temperaturer – inklusive genom att skapa en egen uppvärmning. Kredit: Josée Pelletier
Naturligtvis skulle processen bara fungera om tundran var tillräckligt varm. Men de senaste åren har hela planeten värmts upp – inklusive tundran.
Frön faller också till marken i de glesa skogar som redan växer under trädgränsen. Men oavsett om träd spirar på nya platser under eller ovanför trädgränsen, utlöser de två viktiga saker som kan värma snöiga omgivningar ännu mer.
Först kommer de nya träden att skydda lite snö och förhindra att solens strålar reflekteras från den vita ytan. Istället absorberar trädens mörkgröna barr solens värme. Detta värmer dem och den omgivande luften. Den extra värmen uppmuntrar ännu fler träd att producera frön. Det ökar ytterligare en skogs förmåga att expandera.
För det andra kommer fler träd att fånga mer snö, vilket förhindrar att mycket av den blåser bort. Även om snön är kall, fungerar den också som en isolator. Som en filt kan snö fånga värme i jorden nedanför. Att värma jorden uppmuntrar också trädtillväxt.
I norra Québec och Labrador har temperaturen stigit med 2 grader Celsius (3,6 grader Fahrenheit) sedan mitten av 1990-talet. Den ökningen har hjälpt fler träd att växa förbi trädgränsen. Och ju fler träd som växer, desto varmare har regionen blivit.
“Det kalla landskapet som vi är vana vid i norra Kanada kommer att vara ett minne blott”, förutspår Payette.
Hastigheten med vilken träd rör sig norrut är “inte väl avvägd”, konstaterar han. Men Payette säger att de rör sig snabbare i Nordamerika än någon annanstans. Det beror på att träd som växer på andra delar av det norra halvklotet, som björk i Skandinavien, inte är lika snabba att producera frön som Nordamerikas vita gran.
Naturligtvis leder varmare temperaturer också till andra förändringar i norra delen. Payette oroar sig för påverkan på människor och vilda djur som är beroende av frusna förhållanden för mat och tak över huvudet.
Just nu kan Payette inte heller komma på ett jobb han hellre skulle göra. “Jag har väldigt tur”, säger han. “Jag gör något jag älskar.”
Inomhus med utomhus
Miljövetaren Bill Wolverton älskar också sitt arbete. Faktum är att han omger sig med det dag och natt. Wolvertons hem i Picayune, Miss., – inklusive hans hemmakontor – är proppfullt av växter.
Hans krukväxter inkluderar gummiväxter, ormväxter, yuccaväxter, gyllene pothos och fredsliljor. Dessa vanliga växter gör en ovanlig nytta: De renar luften från skadliga kemikalier. Det är en fördel som Wolverton har tillbringat större delen av sin karriär med att studera.
Han började på 1980-talet och arbetade för National Aeronautics and Space Administration (NASA). NASA hade oroat sig för att astronauter kunde tillbringa månader i att bo i täppt rymdfarkost. Så det bad Wolverton att ta reda på om växter kunde göra luften friskare för astronauter (och resten av oss) att andas.
Den pensionerade NASA-miljöforskaren Bill Wolverton är aldrig långt från hans arbete — krukväxterna som fyller hans soliga hemmakontor. Wolverton är expert på hur växter kan rena inomhusluften från ibland farliga föroreningar. Kredit: Wolverton Environmental Services
Forskare har länge vetat att växter kan rena luften. Wolverton gick ett steg längre. Han testade vanliga krukväxter för att se vilka som gör det bäst. Han undersökte också hur växter gör det.
Wolverton fokuserade på tre vanliga luftföroreningar: formaldehyd, bensen och trikloretylen. Mattor, möbler och datorer är bland de många hushållsprodukter som kan avge dessa kemikalier. Deras nivåer kan vara två till fem gånger högre inomhus än utomhus. Och det kan vara oroande eftersom människor tillbringar så mycket som 90 procent av sin tid inomhus.
Dessa föroreningar kan orsaka andningsproblem, huvudvärk och trötthet. Forskning tyder på att vissa av dessa kemikalier till och med kan orsaka cancer. Lyckligtvis kan det hjälpa att ta med en touch av utomhus inomhus.
Krukväxtblad absorberar vissa kemikalier, inklusive de vanliga föroreningarna som Wolverton valde att studera. Dessutom bröt löven ner dessa föroreningar till ofarliga föreningar. Växter med de största bladen visade sig bäst vid denna typ av rengöring.
Men växter tar också bort föroreningar från luften när de transpirerar vatten – det vill säga andas ut vatten från sina löv, fann han. För att göra detta måste växter först dra upp vatten från sina rötter. I processen dras luft ner till rötterna och jorden. Eventuella föroreningar i luften kommer att sugas ner där också. Väl i jorden kan dessa föroreningar brytas ned till ofarliga ämnen av mikrober.
Löv som flyttade vatten renade mest effektivt luften bäst, fann Wolverton – “som palmer, gyllene pothos, gummiväxter och fredsliljan.” För ett sovrum i standardstorlek rekommenderar han att du odlar minst två sådana växter, var och en cirka 30 till 60 centimeter (12 till 24 tum) hög.
Även om Wolverton är pensionerad från NASA, driver han nu ett företag som förlitar sig på växternas naturliga förmåga att behandla inomhusluften. Han arbetar också med sätt att effektivisera processen. Detta kan innefatta att lägga till fläktar och ersätta krukjord med speciella ämnen som ökar växternas tillväxt.
Tävlingsinriktad omgivning
Medan vissa växter kan bryta ner skadliga kemikalier, gör andra dem. Dessa växter producerar gifter för att hindra andra växtarter från att invadera deras territorium. Detta fenomen kallas allelopati (ah LEE loh path ee).
“Allelopati är i grunden kemisk krigföring för växter”, förklarar Joseph Jez. Växtbiologen arbetar vid Washington University i St. Louis.
Tänk på växter som kemiska fabriker, säger han. Vissa växter gör kemikalier för att hjälpa sig själva. Den söta doften av en ros? Blandningen av kemikalier som är ansvariga för den aromen hjälper till i reproduktionen. Andra växter gör kemikalier för att förgifta andra växter. Valnöts-, pekannöts- och hickoryträd, till exempel, gör alla en förening som kallas juglone. Juglone kan få andra växtarter att vissna och dö. Faktum är att människor ibland använder juglone som en naturlig ogräsdödare.
Washington Universitys växtbiolog Joseph Jez förvandlar kemikalierna som växter gör till kristaller. Det gör att Jez bättre kan förstå deras tredimensionella struktur. Kredit: Washington University
Jez studerar proteinerna som styr mängden av vissa kemikalier som växter gör. I synnerhet studerar han formen på dessa proteiner. Det visar sig att ett proteins form kan påverka om en växt gör mycket av någon skyddande kemikalie, lite eller ingen alls.
För att se ett proteins form måste Jez förvandla materialet till en kristall. Han använder sedan röntgenstrålar för att undersöka arrangemanget av dess atomer. Detta skapar en bild av proteinets struktur i tre dimensioner.
Bättre förståelse för formen på dessa proteiner bör ge ledtrådar till hur de kontrollerar kemikalier.
“Jag försöker förstå naturens maskineri och hur den gör proteiner”, säger Jez. “Vi är fortfarande i ett mycket tidigt skede, men om vi kan ta reda på det kan vi kanske kontrollera det.” Vissa forskare studerar hur man bygger användbara proteiner i provröret. Andra försöker förstå hur man kan hjälpa växter att öka sin produktion av dessa proteiner.
Till exempel, vissa grödor, såsom sorghum och ris, producerar naturligt kemikalier för att bekämpa invaderande arter. För en bonde är dessa potentiella inkräktare ogräs. Inte alla sorghum- och risplantor kan dock göra detta.
Att förstå hur vissa sorter av viktiga grödor skyddar sig själva genom att iscensätta kemisk krigföring mot invaderande arter kan hjälpa växtförädlare. De kan använda det de lärt sig för att skapa nya växtväxter som mer effektivt bekämpar ogräs med liten hjälp från ogräsdödande kemiska sprayer.
Naturligtvis tillverkar växter också kemikalier för skonsammare ändamål, som att locka till sig pollinatörer.
När temperaturen stiger, ägnar vit gran mer energi till att producera frön, som de som visas här. Formen på granfrön gör att de kan bäras långa sträckor av vinden. Den rörelsen hjälper träden att kolonisera tundran och skjuta trädgränsen längre norrut. Kredit: Steve Hurst på USDA-NRCS PLANTS Database
Pollinatorer, som bin, bär pulverformiga korn från en blomma till en annan. När pollinatörer landar på en blomma tappar de några av dessa korn, som kallas pollen. Pollen gödslar växten så att den kan föröka sig.
Citronträdet är ett bra exempel på en växt som gör en kemikalie för att locka pollinatörer. Limonenet som den gör har en citrondoft som pollinatörer – och människor – gillar.
Limonene representerar en mildare form av kemisk krigföring, säger Jez. Det beror på att citronträdet inte försöker döda närliggande växter. Trädet försöker istället se till att det lockar fler än sin beskärda andel av pollinatörer.
“Det handlar om att konkurrera ut de andra”, förklarar han.
Växternas förmåga att tillverka kemikalier fascinerar Jez. Men det som verkligen fascinerar honom är att framgångsrikt förvandla lite växtprotein till en kristall. När han lyckas (och ofta är det inte lätt), kan han bli den första personen som någonsin bevittnat proteinets struktur – dess skelett.
Många fler upptäckter väntar på Jez, såväl som Payette, Wolverton och andra. Och de fortsätter att sondera eftersom de har en djup nyfikenhet på hur växter förändrar sin miljö. Det de lär sig kan i slutändan hjälpa människor att påskynda dessa förändringar – eller sakta ner dem.
Kraftordallelopati En växts produktion av kemikalier som försämrar tillväxten och överlevnaden för andra växtarter.
klimatförändring Långsiktig, betydande förändring av jordens klimat. Det kan hända naturligt eller som svar på mänskliga aktiviteter, inklusive förbränning av fossila bränslen och clea ring av skogar.
ekolog En biolog som studerar sambanden mellan levande varelser och deras miljö.
transpiration En process där växter transporterar fukt från sina rötter till sina blad, där den sedan förloras till atmosfären som ånga.
mikrob En mikroskopisk organism.
tundra Ett stort, trädlöst område på det norra halvklotet där underjorden är permanent frusen.
Ordsökning
(klicka här för att förstora pussel för utskrift)
Detta är en i en serie om karriärer inom naturvetenskap, teknik, ingenjörskonst och matematik möjliggjort med stöd från Northrop Grumman Foundation.
Leave a Reply