Het warmste stukje tropisch regenwoud op aarde ligt niet in het Amazonegebied of in een ander welbekend bosgebied, maar in het experimentele onderzoekscentrum Biosphere 2, in de woestijn bij Tucson, Arizona. Recent onderzoek naar de tropische bomen die daar begin jaren negentig zijn geplant, heeft nu een verrassend resultaat opgeleverd: ze gedijen bij temperaturen die veel hoger liggen dan de temperaturen die deze eeuw in tropische wouden op aarde verwacht worden.
De uitkomst van het onderzoek is de zoveelste aanwijzing die boswetenschappers op iets wijst dat de laatste tijd amper voorhanden is: hoop. Planten beschikken mogelijk over onvermoede mechanismen om zich aan de hoge temperaturen en CO2-gehalten in de atmosfeer van de toekomst aan te passen – en daar zelfs bij te floreren. En hoewel tropische wouden nog altijd worden bedreigd door menselijke activiteiten en natuurlijke ontwikkelingen, denken sommige onderzoekers nu dat de sombere berichten over hun aanstaande ondergang als gevolg van de klimaatverandering misschien wat overdreven zijn geweest.
“Biologie is zeer vindingrijk,” zegt Scott Saleska, ecoloog aan de University of Arizona in Tucson en een van de leiders van het onderzoek in Biosphere 2. “En ze blijkt veel vindingrijker dan we tot nu toe in onze modellen hebben meegewogen.” In de afgelopen jaren is er een stroom aan alarmerende berichten over wouden en de verwoestende invloed van de klimaatverandering op deze ecosystemen verschenen. Wetenschappers hebben geschreven dat het regenwoud van het Amazonegebied niet langer kan worden beschouwd als een veilige ‘koolstofput’, dat het Amazonewoud een omslagpunt is genaderd, dat de tropische wouden van de wereld nu al zuchten onder de hoogste temperaturen die ze kunnen verdragen en dat oude boomreuzen door de klimaatverandering worden geveld.
Eén ding staat vast: door de uitstoot van broeikasgassen als gevolg van het verstoken van fossiele brandstoffen creëren we een klimaat dat zich nooit eerder in de geschiedenis van de mensheid heeft voorgedaan – en al heel lang niet in de periode dat er bomen op aarde groeien. “We zadelen tropische wouden op met temperaturen die ze sinds het Krijt niet meer hebben ondergaan, dus sinds de tijd van de dinosauriërs,” zegt Abigail Swann, ecologe en klimaatwetenschapper aan de University of Washington in Seattle.
Maar het is niet eenvoudig om te voorspellen hoe bomen daarop zullen reageren. Het is zeer kostbaar en ingewikkeld om een heel stuk bos te onderwerpen aan een experiment waarbij die warmere toekomst wordt nagebootst. In de meeste gevallen moeten wetenschappers genoegen nemen met kleinschalige experimenten of observaties in het veld, waarna ze hun waarnemingen met behulp van computermodellen opschalen naar toekomstige ontwikkelingen over een periode van tientallen jaren.
Uniek centrum
Dankzij Biosphere 2 kan een heel stuk bos aan een klimaatexperiment worden onderworpen. Het onderzoekscentrum is vooral bekend van de ‘bemanningen’ die er tussen 1991 en 1994 in isolatie verbleven, maar het complex omvat ook kunstmatige ecosystemen. Daartoe behoort een stuk van zo’n tweeduizend vierkante meter regenwoud onder een grote glazen piramide, waarvan het hoogste punt zo’n dertig meter boven het woestijnlandschap uittorent. De toppen van de bomen die hier in de vroege jaren negentig zijn geplant, hebben inmiddels het plafond van de piramide bereikt.
De temperaturen die in het bouwwerk heersen, zijn hoger dan wat wetenschappers voor deze eeuw in het Amazonegebied verwachten, het warmste regenwoud op aarde. Planten die bij experimenten in de openlucht werden onderzocht, bleken onder zulke bloedhete omstandigheden vrijwel te zijn gestopt met hun fotosynthese, het biochemische proces waarbij ze kooldioxide omzetten in de eenvoudige suikers die ze als energiebron gebruiken.
Gegevens over boomgroei in andere milieuomstandigheden werden in het begin van de jaren 2000 bijgehouden en op servers en harde schijven opgeslagen. Ecologe Marielle Smith, postdoctoraal-onderzoekster aan de Michigan State University, zag deze archieven als een goede gelegenheid om bossen onder toekomstige klimaatomstandigheden te bestuderen.
Ze wilde de uitwerking van twee variabelen onderzoeken die direct met elkaar in verband staan: de temperatuur en het verzadigingstekort (in het Engels ‘VPD’ of vapor pressure deficit): het verschil tussen de hoeveelheid waterdamp die de lucht kan bevatten en de werkelijke hoeveelheid waterdamp in de lucht op een bepaalde locatie en tijd. Als het verzadigingstekort hoog is, verliezen planten sneller water. Normaliter stijgt het verzadigingstekort recht evenredig met de temperatuur, omdat warme lucht meer waterdamp kan bevatten. Maar in Biosphere 2 werd de lucht met behulp van verstuivers vochtig gehouden, waardoor een zeldzame combinatie van hoge temperaturen en een laag verzadigingstekort ontstond. Het CO2-gehalte in de lucht werd met vierhonderd ppm (deeltjes per miljoen) stabiel gehouden, op een niveau dat een fractie hoger lag dan de buitenlucht van destijds.
De bomen in Biosphere 2 zetten hun fotosynthese op een normaal niveau voort totdat de temperatuur de grenswaarde van zo’n 38 graden Celsius bereikte, aldus de studie die Smith en haar collega’s vorige maand in het vakblad Nature Plants hebben gepubliceerd. Daarentegen begon de fotosynthese bij planten in natuurlijke bossen in Brazilië en Mexico al bij 28 graden sterk te dalen. Het resultaat haalt volgens Smith en andere experts een populaire hypothese geheel onderuit, namelijk dat de fotosynthese door de directe uitwerking van de hoge temperatuur wordt stopgezet.
In plaats daarvan lijken hoge temperaturen de planten op indirecte wijze te schaden, omdat het verzadigingstekort in de omringende lucht wordt verhoogd en de lucht uitdroogt. Bladeren van planten nemen koolstofdioxide op via zogenaamde huidmondjes, maar deze cellen stoten ook waterdamp uit – ongeveer driehonderd H2O-moleculen per één CO2-molecuul. Als het verzadigingstekort van de lucht stijgt als gevolg van de hogere temperatuur, sluiten planten hun huidmondjes om te besparen op hun kostbare watervoorraad, ook al nemen ze daardoor minder kooldioxide uit de lucht op.
In onze wereld zijn het niet alleen de temperaturen die stijgen. Ook de hoeveelheid kooldioxide in de atmosfeer stijgt, en snel. Maar dat is misschien wel goed voor planten, omdat het ze helpt om zich beter tegen de warmte beschermen, zegt Smith. In een toekomst met hogere temperaturen en een hoger CO2-gehalte in de atmosfeer zouden huidmondjes veel kooldioxide kunnen opnemen en zich vervolgens kunnen afsluiten om op water te besparen.
“Het is een enigszins hoopvol resultaat, wat vrij zeldzaam is,” zegt Laura Meredith, een ecologe van de University of Arizona die een onderzoek naar het regenwoud in Biosphere 2 leidt maar niet bij de nieuwe studie was betrokken. “Het is bemoedigend en hoopvol dat wouden de beschikking hebben over strategieën waarmee ze zich kunnen aanpassen en hun efficiëntie kunnen behouden,” zegt zij.
Maar Smith geeft toe dat er nog een belangrijke ‘maar’ is: in het Biosphere 2-experiment is niet gekeken naar hoge CO2-concentraties, dus konden de onderzoekers niet aantonen dat planten de extra kooldioxide gebruiken om op water te besparen. “De vraag of dit mechanisme ook in de echte natuur werkt, is nog niet beantwoord,” zegt zij.
Meer CO2? Geen probleem.
Wetenschappers in Panama zijn nog een stapje verder gegaan, door te onderzoeken of hoge CO2-concentraties de planten daadwerkelijk tegen de warmte beschermen. Tot nu toe lijkt het antwoord daarop een volmondig ‘ja’ te zijn.
Botanist Klaus Winter heeft een zestal geodetische koepels op het terrein van het Smithsonian Tropical Research Institute bij het Panamakanaal gebouwd. De koepels van Winter zijn veel kleiner dan die van Biosphere 2 en kunnen slechts kleine bomen herbergen, maar ze bieden wel de mogelijkheid om zowel het CO2-gehalte als de temperatuur te controleren. Uit zijn werk, dat hij op congressen heeft gepresenteerd maar dat nog niet is gepubliceerd, blijkt dat planten die genoeg water krijgen en zich aan CO2 tegoed kunnen doen, uitstekend gedijen bij temperaturen die deze eeuw waarschijnlijk nooit zo hoog zullen worden. Eén soort, de balsaboom, floreerde zelfs in zulke omstandigheden.
Hoewel dit experiment het mechanisme van Smith niet direct onderbouwt, bevestigt het wel dat sommige bomen zeer hoge temperaturen kunnen weerstaan als ze maar voldoende CO2 en water ontvangen, zegt Winter. “Ze zijn minder gevoelig dan ik dacht,” zegt hij.
Winter’s colleague Martijn Slot has investigated a parallel question: whether plants can adapt to warmer conditions. Every plant has a preferred temperature range, which researchers map out using gas-sensing devices to measure photosynthesis at the leaf level while cranking up the heat.
Een collega van Winter, Martijn Slot, heeft de hiermee verbonden vraag onderzocht of planten zich aan warmere omstandigheden kunnen aanpassen. Elke plantensoort heeft zijn favoriete temperatuurbereik, dat door wetenschappers wordt vastgesteld met behulp van sensoren die de fotosynthese in bladeren meten terwijl ze de temperatuur variëren.
Slot kon aantonen dat de fotosynthese van zaailingen het best functioneert bij 25 graden Celsius. Maar als hij dezelfde plantensoort bij 35 graden kweekte, verschoof dat ideale punt naar 30 graden. Het vermogen van de plant om zijn interne fysiologie aan te passen is een voorbeeld van ‘plasticiteit’, een eigenschap die steeds meer wordt beschouwd als een verdedigingsmechanisme tegen veranderende omstandigheden.
“Als je een plant in zijn respons op omgevingsfactoren als een statisch en vaststaand ding beschouwt, dan levert dat onnauwkeurige en waarschijnlijk onjuiste voorspellingen op,” zegt Slot. Volgens hem moet in de computermodellen waarmee we de toekomst van ons klimaat proberen te voorspellen, “rekening worden gehouden met deze plasticiteit.”
Een andere recente aanwijzing van een tot nu toe onvermoede weerbaarheid is afkomstig van veldwerk. Flavia Costa van het Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia (INPA) in het Braziliaanse Manaus analyseerde twintig jaar aan data die afkomstig zijn van speciale meetvelden die in Braziliaanse wouden permanent worden onderzocht. Daartoe behoorden ook laag gelegen stukken bos met een ruime beschikbaarheid aan grondwater, zodat ze net als de planten van Winter goed bewaterd worden. Costa’s team ontdekte dat bossen met zo’n ‘ondiep grondwaterpeil’, die naar schatting ruim een derde van het tropische regenwoud van het Amazonegebied uitmaken, zonder problemen gedijen en ook tijdens zware droogteperioden in 2005, 2010 en 2015 koolstof bleven opslaan.
In eerdere studies was de alarmklok geluid over droogten en versnelde groeiseizoenen als gevolg van de klimaatverandering, waardoor bossen in het Amazonegebied afstierven en een rem werd gezet op het vermogen van het regenwoud om als koolstofput te fungeren. Maar als de vochtige wouden in het Amazonegebied zo weerbaar blijken te zijn als de meetvelden, dan worden “het verlies aan productiviteit en het toenemende tempo van afsterving waarschijnlijk overschat,” zegt Costa.
Ook Oliver Phillips, een milieuwetenschapper van de University of Leeds die de leiding heeft over een van de grootste Amerikaanse onderzoekscentra in het Amazonegebied, denkt dat laag gelegen, vochtige bossen beter tegen de droogte lijken te kunnen dan andere bossen. Ook hij bestudeert zulke wouden en hij denkt dat nog meer onderzoek niet veel zal toevoegen aan de conclusies. Hij en Costa analyseren hun gegevens over deze meetvelden nu gezamenlijk, om een alomvattend beeld van het tropische regenwoud van het Amazonegebied samen te stellen.
Mitsen en maren...
Al deze onderzoeken moeten met het nodige voorbehoud worden bekeken.
In de toekomst zouden bossen te maken kunnen krijgen met veel zwaardere droogteperioden dan tot dusver, waardoor zelfs laag gelegen, vochtige bossen volgens Costa onder druk zouden komen te staan. Ook blijkt volgens haar uit onderzoek waarin hele bossen op de computer zijn gesimuleerd, dat deze modellen grote moeite hebben om de verbluffende biodiversiteit van echte regenwouden te reproduceren, met inbegrip van bijzonder kwetsbare boomsoorten maar ook van nog niet ontdekte mechanismen van weerbaarheid. Alleen al in het Amazonegebied groeien 16.000 boomsoorten, veel meer dan de soorten die in Biosphere 2 of de koepels van Winter gedijen of in welk computermodel dan ook worden gesimuleerd.
Bovendien zijn de planten die door Winter worden onderzocht, nog maar zaailingen en worden ze altijd goed bewaterd. Deze soorten zouden in zware droogteperioden misschien minder goed gedijen, iets wat Winter in zijn koepels nader zal bestuderen, als de beperkingen wegens het coronavirus eenmaal zijn opgeheven.
Nate McDowell, een aardwetenschapper van het Pacific Northwest National Laboratory in Richland, Washington, die eerder dit jaar in het tijdschrift Science schreef dat de boomgroei en daarmee de opslag van koolstof nu al door de klimaatverandering wordt afgeremd, zegt dat de resultaten van Smith “bemoedigend” zijn maar dat een sleutelvraag nog niet is beantwoord: helpt het verhoogde CO2-gehalte in de atmosfeer planten bij het weerstaan van de droogten die ze in de toekomst zullen ondergaan? “Dat is een zeer goede wetenschappelijke vraag,” zegt McDowell, “en een brandende wetenschappelijke kwestie.”
Ook als planten het dankzij de hogere CO2-concentratie goed blijven doen, kunnen ze op de toegenomen warmte reageren door korter maar krachtiger te groeien, zegt Smith. Daardoor vullen haar onderzoek en dat van McDowell elkaar mogelijk aan in plaats van dat ze elkaar tegenspreken. In de drie decennia dat de bomen in Biosphere 2 zijn gegroeid, zijn ze duidelijk veranderd, mogelijk als gevolg van de extreme omstandigheden waaraan ze zijn blootgesteld. Zo deden bomen die isopreen produceren (het chemische bestanddeel dat planten helpt om ook bij hoge temperaturen hun fotosynthese op gang te houden), het beter dan bomen die dat bestanddeel missen – een ontdekking waarvan de consequenties nog nader onderzocht moeten worden.
“Zonder dat we het weten, zijn we misschien bezig met het bouwen aan een weerbaarder Amazonegebied,” zegt Smith. “Maar dan een regenwoud dat misschien niet dezelfde hoeveelheid koolstof kan opslaan.”
Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com
