Nós, seres humanos, precisamos de plantas para nossa sobrevivência. Tudo o que comemos consiste em plantas ou animais que dependem de plantas em algum lugar ao longo da cadeia alimentar. As plantas também formam a espinha dorsal dos ecossistemas naturais e absorvem cerca de 30% de todo o dióxido de carbono emitido pelos humanos a cada ano. Mas à medida que os impactos das mudanças climáticas pioram, como são os níveis mais altos de CO₂ na atmosfera e temperaturas mais quentes que afetam o mundo vegetal?
CO₂ aumenta a produtividade da planta

As plantas usam a luz solar, o dióxido de carbono da atmosfera e a água para a fotossíntese para produzir oxigênio e carboidratos que as plantas usam para energia e crescimento.

Níveis crescentes de CO₂ na atmosfera levam a um aumento na fotossíntese das plantas - um efeito conhecido como efeito de fertilização de carbono. Uma nova pesquisa descobriu que, entre 1982 e 2020, a fotossíntese global das plantas cresceu 12%, acompanhando o CO₂ níveis na atmosfera, uma vez que subiram 17 por cento. A grande maioria desse aumento na fotossíntese foi devido à fertilização com dióxido de carbono.

O aumento da fotossíntese resulta em mais crescimento em algumas plantas. Os cientistas descobriram que, em resposta ao CO₂ elevado níveis, o crescimento das plantas acima do solo aumentou em média 21%, enquanto o crescimento abaixo do solo aumentou 28%. Como resultado, espera-se que algumas culturas, como trigo, arroz e soja, se beneficiem do aumento de CO₂ com um aumento nos rendimentos de 12 para 14 por cento. O crescimento de algumas gramíneas tropicais e subtropicais e várias culturas importantes, incluindo milho, cana-de-açúcar, sorgo e milheto, no entanto, não são tão afetados pelo aumento de CO₂ .

Sob CO elevado₂ concentrações, as plantas usam menos água durante a fotossíntese. As plantas têm aberturas chamadas estômatos que permitem CO₂ para ser absorvido e a umidade para ser liberada na atmosfera. Quando CO₂ os níveis aumentam, as plantas podem manter uma alta taxa de fotossíntese e fechar parcialmente seus estômatos, o que pode diminuir a perda de água de uma planta entre 5 e 20 por cento. Os cientistas especularam que isso poderia resultar em plantas liberando menos água para a atmosfera, mantendo-se assim mais em terra, no solo e nos córregos.

Mas outros fatores contam

Níveis elevados de CO₂ da mudança climática pode permitir que as plantas se beneficiem do efeito da fertilização de carbono e usem menos água para crescer, mas nem tudo são boas notícias para as plantas. É mais complicado do que isso, porque as mudanças climáticas também estão afetando outros fatores críticos para o crescimento das plantas, como nutrientes, temperatura e água.

Limitações de nitrogênio

Pesquisadores que estudaram centenas de espécies de plantas entre 1980 e 2017 descobriram que a maioria dos ecossistemas terrestres não fertilizados está se tornando deficiente em nutrientes, principalmente nitrogênio. Eles atribuíram essa diminuição de nutrientes a mudanças globais, incluindo temperaturas crescentes e CO₂ níveis.

O nitrogênio é o elemento mais abundante na Terra, compondo cerca de 80% da atmosfera. É um elemento essencial no DNA e RNA e é necessário pelas plantas para produzir carboidratos e proteínas para o crescimento. No entanto, as plantas não podem usar o gás nitrogênio encontrado na atmosfera porque tem dois átomos de nitrogênio triplamente ligados tão firmemente que são difíceis de separar em uma forma que as plantas possam usar. O relâmpago tem energia suficiente para quebrar a ligação tripla, um processo chamado fixação de nitrogênio. O nitrogênio também é fixado no processo industrial que produz o fertilizante.

Mas a maior parte da fixação de nitrogênio ocorre no solo, onde certos tipos de bactérias se ligam às raízes das plantas, como as leguminosas. As bactérias obtêm carbono da planta e, em uma troca simbiótica, fixam o nitrogênio, combinando-o com oxigênio ou hidrogênio em compostos que as plantas podem usar.

Kevin Griffin, professor do Departamento de Ecologia, Evolução e Biologia Ambiental da Universidade de Columbia e do Observatório da Terra Lamont-Doherty, explicou que a maioria dos seres vivos tem uma proporção relativamente fixa entre carbono e nitrogênio. Isso significa que, se as plantas consumirem mais CO₂ para criar carboidratos porque há mais CO₂ na atmosfera, a quantidade de nitrogênio nas folhas pode ser diluída, e a produtividade de uma planta depende de ter nitrogênio suficiente. "Se você aumentar o CO₂ ao redor de uma folha ou ao redor da planta ou ao redor do lote de floresta, geralmente a produtividade aumenta", disse ele. "Mas se esse aumento na produtividade dura ou não é permanente, pode ser uma função de você ter nitrogênio . Então, se o nitrogênio for limitado, pode ser que uma planta simplesmente não possa usar esse CO extra₂ e seu aumento na produtividade pode ser de curta duração."

As árvores atualmente absorvem cerca de um terço do CO causado pelo homem₂ emissões, mas sua capacidade de continuar a fazer isso depende de quanto nitrogênio está disponível para eles. Se o nitrogênio for limitado, o benefício do aumento de CO₂ também será limitado.

Pesquisas anteriores sobre fixação de nitrogênio, com base em medições de bactérias de vida livre, previram que o processo de fixação funciona mais rápido a 25°C e que, à medida que as temperaturas subiam acima de 25°C, a taxa de fixação diminuiria. Em um mundo em aquecimento, isso significaria um cenário de fuga em que a fixação de nitrogênio diminuiria à medida que as temperaturas aumentassem, resultando em menor produtividade das plantas. As plantas então removeriam menos CO₂ da atmosfera que causaria mais aquecimento e menos fixação de nitrogênio, e assim por diante. Griffin e seus colegas desenvolveram um instrumento que lhes permitiu medir a resposta à temperatura do nitrogênio nas bactérias que formaram uma associação com as raízes das plantas, em oposição às bactérias de vida livre.

"O que descobrimos com nosso novo instrumento, analisando simbioses de plantas inteiras em árvores tropicais e temperadas, foi que a temperatura ideal para a fixação de nitrogênio era, na verdade, cerca de 5°C mais alta do que qualquer uma dessas estimativas anteriores e, em alguns casos, até 11°C. °C mais alto. Isso precisa ser testado em um grande número de plantas, mas se persistir, significa que a probabilidade de diminuição da fixação de nitrogênio é muito menor do que pensávamos, o que significa que as plantas podem permanecer mais produtivas e evitar o cenário de fuga ."

Temperaturas crescentes

O trabalho de Griffin também descobriu que a resposta à temperatura da fixação do nitrogênio é independente da resposta à temperatura da fotossíntese, que envolve enzimas feitas com nitrogênio. Temperaturas mais altas podem tornar essas enzimas menos eficientes. Rubisco é a enzima chave que ajuda a transformar dióxido de carbono em carboidratos na fotossíntese, mas à medida que as temperaturas sobem, ela "relaxa" e a forma de sua bolsa que contém o CO₂ fica menos preciso. Consequentemente, em um quinto das vezes, a enzima acaba fixando oxigênio em vez de dióxido de carbono, diminuindo a eficiência da fotossíntese e desperdiçando os recursos da planta. Com um aumento de temperatura ainda maior, o Rubisco pode desativar completamente. Como as plantas respondem ao fertilizante de nitrogênio aumentando a quantidade de Rubisco que possuem e crescendo mais, a descoberta de que a fixação de nitrogênio pode ser mantida em temperaturas mais altas do que se pensava anteriormente oferece a possibilidade de compensar a eficiência decrescente da Rubisco em temperaturas mais altas.

O aumento das temperaturas também está fazendo com que as estações de crescimento se tornem mais longas e mais quentes. Como as plantas crescerão mais e por mais tempo, elas realmente usarão mais água, compensando os benefícios de fechar parcialmente seus estômatos. Ao contrário do que os cientistas acreditavam no passado, o resultado será solos mais secos e menos escoamento necessário para córregos e rios. Isso também pode levar a mais aquecimento local, já que a evapotranspiração – quando as plantas liberam umidade no ar – mantém o ar mais frio. Além disso, quando os solos estão secos, as plantas ficam estressadas e não absorvem tanto CO₂ , o que pode limitar a fotossíntese. Os cientistas descobriram que, mesmo que as plantas absorvessem o excesso de carbono para a fotossíntese durante um ano úmido, a quantidade não poderia compensar a quantidade reduzida de CO₂ absorvido durante um ano seco anterior.

Invernos mais quentes e uma estação de crescimento mais longa também ajudam as pragas, patógenos e espécies invasoras que prejudicam a vegetação. Durante as estações de crescimento mais longas, mais gerações de pragas podem se reproduzir à medida que as temperaturas mais quentes aceleram os ciclos de vida dos insetos, e mais pragas e patógenos sobrevivem em invernos quentes. O aumento das temperaturas também está levando alguns insetos a invadir novos territórios, às vezes com efeitos devastadores para as plantas locais.

Temperaturas mais altas e um aumento na umidade também tornam as culturas mais vulneráveis. Ervas daninhas, muitas das quais prosperam em calor e CO2 elevado₂ , já causam cerca de 34% das perdas de safra; insetos causam 18% das perdas e doenças 16%. A mudança climática provavelmente ampliará essas perdas.

Muitas culturas começam a sofrer estresse em temperaturas acima de 32° a 35°C, embora isso dependa do tipo de cultura e da disponibilidade de água. Os modelos mostram que cada grau de calor adicionado pode causar uma perda de 3 a 7 por cento nos rendimentos de algumas culturas importantes, como milho e soja.

Além disso, o aumento da temperatura acelera o ciclo de vida da planta, de modo que, à medida que a planta amadurece mais rapidamente, ela tem menos tempo para a fotossíntese e, consequentemente, produz menos grãos e rendimentos menores.

As plantas também estão em movimento em resposta ao aquecimento das temperaturas. Espécies adaptadas a certas condições climáticas estão gradualmente se movendo para o norte ou para altitudes mais altas, onde é mais frio. Nas últimas décadas, muitas plantas norte-americanas se moveram aproximadamente 36 pés para altitudes mais altas ou 10,5 milhas para latitudes mais altas a cada 10 anos. A linha de árvores do Ártico também está se movendo de 131 a 164 pés para o norte em direção ao pólo a cada ano. Novos ambientes podem ser menos hospitaleiros para as espécies que se deslocam para eles, pois pode haver menos espaço ou mais competição por recursos. Algumas espécies podem não ter para onde se mover e, em última análise, certas espécies serão prejudicadas pelas mudanças, enquanto outras se beneficiarão.

Tempo extremo

A mudança climática trará eventos climáticos extremos mais frequentes e severos, incluindo precipitação extrema, perturbação do vento, ondas de calor e seca. Eventos de precipitação extrema podem perturbar o crescimento das plantas, particularmente em florestas recentemente queimadas, e tornar as plantas mais vulneráveis ​​a inundações e solos à erosão. Ventos fortes mais frequentes podem estressar as árvores.

A mudança climática também deve trazer mais ondas de calor e secas combinadas, o que provavelmente compensaria quaisquer benefícios do efeito de fertilização de carbono. Embora os rendimentos das culturas geralmente diminuam durante as estações quentes de crescimento, a combinação de calor e secura pode fazer com que os rendimentos de milho caiam 20% em algumas partes dos EUA e 40% na Europa Oriental e no sudeste da África. Além disso, a combinação de calor e escassez de água pode reduzir o rendimento das colheitas em lugares como o norte dos Estados Unidos, Canadá e Ucrânia, onde se prevê que o rendimento das colheitas aumente devido às temperaturas mais quentes.

Outros efeitos do aumento de CO₂

Embora o rendimento de algumas culturas possa aumentar, o aumento do CO₂ níveis afetam o nível de nutrientes importantes nas culturas. Com CO elevado₂ , as concentrações de proteína em grãos de trigo, arroz e cevada e em tubérculos de batata diminuíram de 10 a 15 por cento em um estudo. As culturas também perdem minerais importantes, incluindo cálcio, magnésio, fósforo, ferro e zinco. Um estudo de variedades de arroz de 2018 descobriu que, embora o CO₂ elevado concentrações aumentadas de vitamina E, resultaram em diminuição das vitaminas B1, B2, B5 e B9.

E, contra-intuitivamente, o CO₂ -aumento alimentado no crescimento das plantas pode resultar em menos armazenamento de carbono no solo. Pesquisas recentes descobriram que as plantas precisam extrair mais nutrientes do solo para acompanhar o crescimento adicional desencadeado pela fertilização com carbono. Isso estimula a atividade microbiana, que acaba liberando CO₂ na atmosfera que, de outra forma, poderia ter permanecido no solo. As descobertas desafiam a crença de longa data de que as plantas crescem mais devido ao aumento de CO₂ , a biomassa adicional se transformaria em matéria orgânica e os solos poderiam aumentar seu armazenamento de carbono.

As plantas enfrentam um futuro incerto

Muitos dos estudos sobre a resposta da vida vegetal às mudanças climáticas parecem sugerir que a maioria das plantas estará mais estressada e menos produtiva no futuro. Mas ainda há muitas incógnitas sobre como as interações complexas entre a fisiologia e o comportamento das plantas, a disponibilidade e o uso de recursos, a mudança das comunidades de plantas e outros fatores afetarão a vida das plantas em geral diante das mudanças climáticas.