A l'été 2012, deux étudiants de premier cycle se sont attaqués à un problème que les experts en écologie végétale avaient négligé pendant 30 ans. Les étudiants ont démontré que différentes espèces végétales varient dans la façon dont elles absorbent le dioxyde de carbone et émettent de l'eau par les stomates, les pores de leurs feuilles. Les données ont augmenté la précision des modèles mathématiques des flux de carbone et d'eau à travers les feuilles des plantes de 30 à 60 pour cent.

Les chercheurs, basé à l'Université de l'Illinois, rapportent leurs découvertes dans le journal Écologie et évolution de la nature .

Avec le recul, la découverte peut sembler évidente, a déclaré Andrew Leakey, professeur de biologie végétale à l'U. of I., qui a encadré les étudiants et est co-auteur de l'étude.

« Si j'allais à une conférence de physiologistes des plantes et disais, 'Hey, y a-t-il de la diversité dans le comportement des stomates des plantes ? » chacun d'eux dirait, 'Oui, '", a déclaré Leakey.

"Et encore, pendant la majeure partie des 30 dernières années, notre communauté n'a pas réussi à décrire cette diversité en termes de mathématiques. »

Cet oubli provient en partie du fait que peu de biologistes végétaux savent comment - ou sont naturellement enclins - à convertir leurs connaissances biologiques en équations mathématiques dont les modélisateurs ont besoin pour améliorer la précision de leur travail, dit Leakey.

"Par conséquent, les modélisateurs ont été forcés de supposer que les stomates de toutes les espèces s'ouvrent et se ferment en réponse aux conditions environnementales de la même manière, " il a dit.

Cette hypothèse était basée sur les travaux d'une équipe dirigée par Joseph Berry de la Carnegie Institution for Science. Le groupe a découvert que le comportement des stomates pouvait être décrit par un seul, équation simple. Mais Berry et ses collègues ont fait leur première percée en mesurant le soja. Depuis, très peu de phytologues se sont demandé si l'équation pour le soja fonctionnait également chez d'autres espèces. Par conséquent, les modélisateurs étaient coincés avec la seule version de l'équation, dit Leakey.

"Il s'agissait d'une simplification excessive qui a probablement conduit à des erreurs dans les prédictions des modèles sur la croissance des cultures et des forêts à différents moments et endroits, " il a dit.

"Il est impossible de mesurer chaque plante partout dans le temps à travers le monde, " a déclaré Kevin Wolz, qui a mené la nouvelle recherche avec Mark Abordo alors qu'ils étaient tous les deux étudiants de premier cycle. "Donc, nous mesurons plutôt quelques choses expérimentalement et représentons ensuite cela avec quelques mathématiques, qui est un modèle."

La modélisation est un outil utile pour faire des prédictions sur le fonctionnement de divers systèmes biologiques au fil du temps, dit Wolz. Les modèles peuvent aider à déterminer quelles cultures donneront de bons résultats dans des emplacements géographiques spécifiques et si elles produiront suffisamment de nourriture ou de biomasse pour rendre leur culture rentable. Ils aident également à prédire comment les plantes réagiront à la pollution, sécheresse ou conditions climatiques futures, donner aux décideurs un aperçu des dommages ou des avantages potentiels associés à des décisions spécifiques d'utilisation des terres.

Au moment de l'étude, Wolz se spécialisait en biologie et en génie civil et environnemental. Cela lui a permis de mieux comprendre à la fois la complexité du monde naturel et la simplicité et la puissance des modèles mathématiques. Lui et Abordo, une majeure en mathématiques à l'époque, a sauté sur l'occasion d'étudier comment les plantes ajustent leurs stomates en réponse à différentes conditions atmosphériques.

« Ce fut un changement agréable de travailler sur des tableaux tout le temps pour faire des expériences en laboratoire et travailler dans les champs, " Abordo a déclaré.

Les deux se sont levés avant l'aube tous les jours de la semaine pendant l'été pour ramasser les feuilles de 15 espèces d'arbres et les rapporter au laboratoire, où ils ont utilisé des équipements d'échange de gaz pour mesurer la réaction des feuilles à différentes conditions lumineuses et atmosphériques. Chaque feuille a été mise à l'épreuve avec des tests d'une durée d'environ six heures.

"C'est un peu comme aller chez le médecin et passer un test cardio où ils vous mettent sur un tapis roulant, " dit Leakey. " Essentiellement, c'est ce que Kevin et Mark faisaient; ils prenaient des feuilles et les exécutaient selon différents scénarios pour savoir comment les feuilles réagissaient. »

Leurs conclusions n'étaient pas surprenantes, dit Wolz.

"Nous avons démontré que toutes les plantes ne se ressemblent pas, " il a dit.

L'équipe a trouvé une quantité importante de variation dans la façon dont les différentes espèces d'arbres réagissaient à des choses comme la lumière, Chauffer, concentration en dioxyde de carbone et humidité. La modification des modèles standard avec les nouvelles données a considérablement amélioré la précision des modèles, les chercheurs ont trouvé.

« Nous avons constaté une réduction de 30 à 60 % des erreurs, " a déclaré Leakey.

"Cette recherche montre que former des gens comme Kevin de manière interdisciplinaire nous permet de briser les barrières de communication en science - entre les modélisateurs et les scientifiques des plantes, par exemple, " Leakey a dit. "Ce n'est qu'un parmi une longue liste de problèmes qui bénéficieraient d'une telle approche."

Des travaux supplémentaires sont nécessaires pour étendre la nouvelle approche à d'autres espèces végétales, et d'élargir l'effort pour inclure des modèles qui examinent la dynamique à l'échelle de l'écosystème, les chercheurs ont dit.