Des molécules en miroir révèlent le stress de la sécheresse dans les forêts
Les émissions de composés chiraux permettent de prévoir plus précisément les changements dans les écosystèmes
Dans le monde entier, les plantes émettent chaque année environ 100 millions de tonnes de monoterpènes dans l'atmosphère. Ces molécules organiques volatiles comprennent de nombreux parfums tels que la molécule pinène - connue pour son odeur de pin frais. Comme ces molécules sont très réactives et peuvent former de minuscules particules d'aérosol qui peuvent se transformer en noyaux de gouttelettes de nuages, les émissions naturelles jouent un rôle important dans notre climat. Il est donc important, pour les prévisions climatiques, de savoir comment les émissions de monoterpènes évolueront avec la hausse des températures.
Forêt pluviale artificielle fermée dans le complexe Biosphère 2 en Arizona : une équipe de recherche de l'Institut Max Planck de chimie, de l'Université de Fribourg et de l'Université d'Arizona a soumis la forêt à un stress de sécheresse modéré puis sévère pendant trois mois.
© Joseph Byron, Max Planck Institute for Chemistry
Comme pour le pinène, de nombreux monoterpènes se présentent sous deux formes inverses : (+) alpha-pinène et (-) alpha-pinène. Les plantes peuvent libérer les deux formes de ces molécules volatiles directement après la biosynthèse ou à partir des réserves de stockage dans les feuilles. Comme les deux formes chirales ou énantiomères ont des propriétés physiques et chimiques identiques, elles ne sont souvent pas considérées séparément dans la modélisation de l'atmosphère. Toutefois, dans une nouvelle étude publiée dans Nature, des chercheurs de l'Institut Max Planck ont montré que les deux molécules en miroir sont libérées par des processus différents dans la plante et qu'elles réagissent différemment au stress, en particulier à la sécheresse.
Trois mois de stress dû à la sécheresse dans une forêt tropicale artificielle
Les résultats proviennent d'expériences menées dans une forêt tropicale artificielle fermée au sein du complexe Biosphère 2, en Arizona, qui a été construit à l'origine pour créer des écosystèmes autonomes. Cette installation a permis à une équipe de scientifiques de l'Institut Max Planck de chimie, de l'Université de Fribourg et de l'Université d'Arizona de contrôler avec précision les conditions chimiques et climatiques de la forêt et de mesurer ses réactions. Pendant trois mois, l'équipe scientifique a soumis la forêt à un stress de sécheresse modéré, puis sévère.
À l'aide de chromatographes en phase gazeuse, Joseph Byron, un doctorant de l'école supérieure Max Planck participant au projet, a déterminé les émissions horaires d'alpha-pinène, de camphène, de limonène, de terpinène et d'isoprène. Pour déterminer à quel moment les plantes ont émis quelle forme chirale, les chercheurs ont utilisé du CO2 marqué isotopiquement pour suivre le carbone photosynthétique et ont introduit du dioxyde de carbone "lourd" (13CO2) dans l'air de la biosphère à certains moments. Grâce à un spectromètre de masse couplé au chromatographe, l'équipe a ensuite pu repérer les monoterpènes qui contenaient des atomes de carbone lourds et ceux qui n'en contenaient pas. Cela a révélé quels composés marqués étaient fabriqués et libérés instantanément par l'écosystème et quelles espèces non marquées provenaient de bassins de stockage.
Le dioxyde de carbone lourd permet de mieux comprendre le métabolisme des plantes
"À notre grande surprise, de nombreuses molécules miroir se sont comportées différemment sous l'effet du stress de la sécheresse", commente le premier auteur de l'article, Joseph Byron. "Ainsi, l'(-) alpha-pinène était marqué, alors que l'(+) alpha-pinène, que nous avons mesuré simultanément, ne l'était pas." Cela signifie que l'écosystème de la forêt tropicale humide a libéré l'(-) alpha-pinène directement après sa synthèse, alors que la molécule miroir provient de pools de stockage dans la plante.
Une sécheresse accrue entraîne un décalage diurne des émissions de monoterpènes
En outre, les chercheurs ont constaté qu'au fur et à mesure que la sécheresse progressait, non seulement les monoterpènes étaient libérés en plus grande quantité, mais aussi que le maximum d'émissions se déplaçait vers la fin de l'après-midi et que les plantes libéraient davantage de monoterpènes à partir de leurs réserves. Il y a peut-être une raison à cela, soupçonne Jonathan Williams, chef de projet et spécialiste de l'atmosphère : "Nous pensons que la libération tardive des monoterpènes augmente la probabilité de formation de nuages au-dessus de la forêt. Plus il fait chaud pendant la journée, plus le mélange vertical de l'air augmente, ce qui permet aux volatiles réactifs d'atteindre les couches supérieures de l'air où ils ont plus de chances de se transformer en particules d'aérosol et finalement en noyaux de condensation des nuages."
Williams, chercheur au Max Planck, conclut des études de Biosphère 2 : "Pour prédire avec précision les réactions des écosystèmes au stress, nous devrions à l'avenir mesurer et modéliser séparément les émissions des molécules chirales. Cela est particulièrement important pour la forêt amazonienne, pour laquelle les modèles climatiques prévoient davantage de sécheresses à l'avenir." Le chef de groupe de l'Institut Max Planck de chimie de Mayence ajoute : "Je suis fasciné par le fait que nous puissions déchiffrer les processus physiologiques internes de la forêt, induits par les enzymes, en mesurant la composition de l'air. Cela nous aidera certainement à élucider les effets que nous avons observés dans la vraie forêt tropicale également." L'équipe de M. Williams a également mené des recherches dans la forêt tropicale brésilienne à l'observatoire ATTO (Amazon Tall Tower Observatory).
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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