Spiegelbeeldmoleculen onthullen droogtestress in het Amazonegebied

De uitgedroogde rivierbedding van de Uatumã-rivier in het Braziliaanse Amazone regenwoud, gefotografeerd in 2024.

In 2023 beleefde het Amazone regenwoud de ergste geregistreerde droogte sinds het begin van de metingen. De waterstanden daalden dramatisch en de vegetatie op alle niveaus ging achteruit door de intense hitte en het watertekort. Onder deze omstandigheden stoten planten grotere hoeveelheden monoterpenen uit—kleine, vluchtige organische verbindingen die fungeren als een verdedigingsmechanisme en helpen bij de communicatie met hun omgeving. Sommige moleculen, zoals α-pinene, dat ruikt naar dennen, komen voor als spiegelbeeldparen, bekend als enantiomeren.

De verhouding van deze twee vormen verandert meetbaar wanneer planten onder stress staan, bijvoorbeeld door hitte of watertekort. Onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Chemie onderzochten hoe deze verhouding veranderde in de Amazone voor, tijdens en na de droogteperiode. Hun onderzoek is gepubliceerd in Communications Earth & Environment.

De resultaten tonen aan dat onder normale omstandigheden een duidelijke verhouding consistent werd gemeten, maar met toenemende droogtestress verschuift deze naar steeds hogere waarden. In de meest extreme fase van de droogte keerde de gebruikelijke verhouding van de twee α-pinene-varianten zelfs om. De spiegelmoleculen van α-pinene kunnen ons dus vertellen hoeveel stress een ecosysteem momenteel ondervindt.

Giovanni Pugliese, een wetenschapper van het Max Planck Instituut voor Chemie die ter plaatse was tijdens de meetcampagne, herinnert zich: “De hitte was ondraaglijk tijdens het verzamelen van de monsters. Het bos leed duidelijk; de bladeren verkleurden en de droge kleigrond barstte.” Het probleem in 2023 was dat het droge seizoen van september tot oktober samenviel met een El Niño-gebeurtenis. Dit is onderdeel van de wereldwijde klimaatschommeling ENSO, en in de El Niño-modus brengt het extreem lage neerslag en hoge temperaturen naar het Amazonebekken.

Metingen diep in het regenwoud

Bij het meetstation van het Amazon Tall Tower Observatory (ATTO), 150 kilometer ten noordoosten van Manaus, verzamelden de onderzoekers luchtmonsters op een hoogte van 24 meter, direct in het bladerdak van het bos. In het laboratorium in Mainz bepaalden ze later de verhouding van de twee α-pinene-vormen met behulp van chirale gaschromatografie-tijd-van-vlucht-massaspectrometrie. “Eerst bepaalden we de verhouding waarin de twee varianten optreden onder normale omstandigheden,” legt Joseph Byron, onderzoeker aan het Max Planck Instituut voor Chemie en eerste auteur van de studie, uit. “Vervolgens observeerden we hoe deze verhouding verschoof tijdens het door El Niño beïnvloede droge seizoen en langzaam weer normaal werd.”

Planten in overlevingsmodus

Projectleider Jonathan Williams is onder de indruk van deze reacties van de vegetatie en legt verder uit: “Het is verbazingwekkend dat we direct uit de lucht kunnen afleiden hoe het regenwoud reageert op de huidige omstandigheden. Tijdens het ergste deel van de droogte, toen de verhouding omdraaide tijdens de middag, wisten we dat de vegetatie genoeg had gehad; ze was gestopt met fotosynthese en had haar poriën gesloten om te voorkomen dat kostbaar grondwater verloren ging.”

Dit werk bouwt voort op een eerder experimenteel droogteonderzoek dat werd uitgevoerd in een afgesloten bos in een kas. Daar toonde het Max Planck-onderzoeksteam aan dat de twee spiegelbeeldmoleculen via verschillende processen in de plant worden afgegeven. Terwijl één vorm van α-pinene onmiddellijk na fotosynthese wordt vrijgegeven, komt het spiegelmolecuul uit opslagreservoirs binnen de plant. Het binnenshuis experiment onthulde deze relatie en nu is dit gedrag vastgelegd in de extreme droogtesituatie in het Amazone regenwoud.

Het Amazone regenwoud is de grootste bron van biogene vluchtige verbindingen ter wereld. Met behulp van de verhouding van α-pinene-moleculen kunnen deze emissies en hun veranderingen onder droogteomstandigheden nu realistisch worden weergegeven in klimaatsmodellen. Dit is cruciaal, omdat onderzoekers verwachten dat er in de toekomst vaker en ernstiger droogtes gerelateerd aan El Niño zullen optreden.