دانشمندان پیش‌بینی می‌کنند: تغییر چرخه رشد گیاهان در آینده

تاریخچه روز جوندگان و پیش‌بینی فصول

در تاریخ ۲ فوریه ۱۸۸۷، ساکنان پنکسوتاونی در ایالت پنسیلوانیا به یک جوندۀ بزرگ مراجعه کردند تا درباره ورود بهار مشاوره بگیرند. این رویداد به عنوان اولین جشن رسمی روز جوندگان شناخته می‌شود. به گفته راب گورالنیک، سرپرست اطلاعات تنوع زیستی در موزه تاریخ طبیعی فلوریدا، توانایی ما در پیش‌بینی زمان فصول از آن زمان چندان بهبود نیافته است. او گفت: “ما نمی‌توانیم پیش‌بینی‌های دقیقی درباره اینکه آیا بهار سال آینده زودتر یا دیرتر می‌رسد، انجام دهیم؛ به اندازه‌ای که می‌توانیم درباره وضعیت آب و هوا پیش‌بینی کنیم.” الگوهای آب و هوایی تأثیر زیادی بر زمان شروع و پایان فصول دارند، اما نحوه واکنش گیاهان و حیوانات به این الگوها، که به آن «فنولوژی» گفته می‌شود، به همان اندازه اهمیت دارد.

چالش‌های پیش‌بینی فنولوژی

مترولوژیست‌ها می‌توانند پیش‌بینی‌های دمایی قابل اعتمادی را ماه‌ها قبل انجام دهند، اما وقتی نوبت به پیش‌بینی زمان رشد برگ‌ها در یک گونه درخت می‌رسد، دانشمندان اغلب با سردرگمی مواجه می‌شوند. با افزودن عواملی پیچیده مانند تغییرات اقلیمی به این معادله، انجام چنین پیش‌بینی‌هایی حتی دشوارتر می‌شود. اما یک مطالعه جدید که در مجله Communications Earth & Environment منتشر شده، قرار است پیش‌بینی فصول را کمی آسان‌تر و بسیار قابل‌ اعتمادتر کند.

پیشرفت در پیش‌بینی فنولوژی

نویسندگان این تحقیق روش‌های موجود برای پیش‌بینی فنولوژی را بهبود بخشیدند و اندازه‌گیری سرعت گرم شدن یک منطقه در بهار را به آن اضافه کردند. این بهبود به نویسندگان این امکان را داد تا پیش‌بینی کنند که زمان تولید برگ و گل در طول بیش از ۱۵۰ سال چگونه تغییر خواهد کرد. گونه‌های گیاهی در ایالات متحده اکنون سه تا چهار هفته زودتر از ۱۵۰ سال پیش گل می‌دهند.

کشف داده‌های تاریخی

این پیشرفت ناشی از کشف مجدد گزارشی قدیمی از قرن نوزدهم بود که شامل هزاران مشاهده دقیق فنولوژیکی برای گیاهان و حیوانات در سرتاسر شرق ایالات متحده بود. این مشاهدات نمایانگر اولین تلاش سازمان‌یافته تحت مؤسسه اسمیتسونیان برای نظارت بر چرخه‌های زیستی در ایالات متحده با جمع‌آوری‌های داوطلبانه است که آن را به اولین پروژه علمی شهروندی مبتنی بر فنولوژی در کشور تبدیل می‌کند. با استفاده از این الگوهای تاریخی به عنوان نقطه شروع، نویسندگان دقت معادلات خود را آزمایش کردند.

تأثیر تغییرات اقلیمی

با توجه به اینکه گیاهان در دهه ۱۸۵۰ در زمان مشخصی برگ و گل تولید می‌کردند، آن‌ها پیش‌بینی کردند که زمان این الگوها ۱۷ سال بعد چگونه تغییر خواهد کرد. آن‌ها نتایج خود را با مشاهدات مدرن مقایسه کردند تا ببینند چقدر با هم مطابقت دارند. ترزا کریمینز، مدیر شبکه ملی فنولوژی ایالات متحده و یکی از نویسندگان این مطالعه، در حین کار بر روی یک فصل کتاب درباره فنولوژی به این گزارش برخورد کرد. او گفت: “این سند قدیمی را پیدا کردم و متوجه شدم که داده‌های واقعی در آن وجود دارد؛ بیشتر گزارش‌های دیگری که به آن‌ها اشاره شده بود، فقط خلاصه‌هایی بودند.”

داده‌های تاریخی و نتایج

این گزارش نتیجه یک شبکه علمی شهروندی کوتاه‌مدت بود که توسط مؤسسه اسمیتسونیان برای نظارت بر شرایط فصلی تأسیس شده و در دو جلد توسط دفتر ثبت اختراعات ایالات متحده منتشر شد. تولید جلد دوم که شامل داده‌های مربوط به گیاهان و حیوانات بود، به دلیل انبوهی از اسناد رسمی که باید در طول جنگ داخلی چاپ می‌شد، به تأخیر افتاد. وقتی این گزارش بالاخره منتشر شد، نیمه دوم آن شامل اطلاعاتی درباره زمان تولید برگ‌ها، گل‌ها و میوه‌ها از میشیگان تا فلوریدا و به اندازه کالیفرنیا به غرب بود. گورالنیک گفت: “این قدیمی‌ترین مجموعه داده‌ای است که ما داریم و در آن به فنولوژی در مقیاس وسیع نگاه می‌کنیم و تغییر بین آن زمان و اکنون شگفت‌انگیز است.”

نتایج شگفت‌انگیز

برای آزمایش معادلات خود، نویسندگان با مقایسه چرخه‌های رشد تاریخی با مشاهدات انجام شده در دهه گذشته برای ۱۸ گونه گیاهی شروع کردند. آن‌ها انتظار داشتند تفاوت‌هایی بین دو دوره زمانی به دلیل تغییرات اقلیمی وجود داشته باشد، اما برای میزان تغییرات پیش‌بینی نشده بودند. کریمینز گفت: “همه ۱۸ گونه زمان رشد برگ و فنولوژی گل‌دهی خود را جلوتر بردند. به طور متوسط، این اتفاق بیش از سه هفته زودتر از گذشته رخ می‌دهد. برخی گونه‌ها بیش از یک ماه زودتر گل می‌دهند.” واقعیت این است که گرمایش جهانی منجر به بهارهای زودتر و تابستان‌های طولانی‌تر شده است، اما به دلیل کمبود داده‌های تاریخی، تأیید چنین تغییراتی که زمان زیادی را پوشش می‌دهد، نادر است.

تأثیر گرمایش بهاری بر زمان تولید برگ و گل در گیاهان

در طول 175 سال گذشته، تمامی مناطق و گونه‌ها در شرق ایالات متحده تغییرات یکسانی را تجربه نکرده‌اند. به عنوان مثال، پدیده‌شناسی در شمال‌شرق ایالات متحده به میزان بیشتری نسبت به جنوب‌شرق پیشرفت کرده است. معادلات شناخته‌شده‌ای که برای پیش‌بینی رشد برگ و زمان گل‌دهی استفاده می‌شوند، نتوانسته‌اند این و دیگر الگوهای ظاهراً غیرمعمول را توضیح دهند. معمولاً، دانشمندان از دو متغیر کلی برای پیش‌بینی پدیده‌شناسی استفاده می‌کنند: موقعیت گیاه و میزان هوای گرمی که برای فعال شدن نیاز دارد. این روش برای گونه‌های خاص در یک منطقه محدود به خوبی عمل می‌کند، اما در پیش‌بینی تغییرات کلی، مانند ورود بهار برای یک جنگل کامل، کمتر مؤثر است. این محدودیت معمولاً به تنوع زیاد درون و بین گونه‌ها نسبت داده می‌شود. به عنوان مثال، یک درخت افرا به‌طور متفاوتی نسبت به یک بلوط واکنش نشان می‌دهد و یک بلوط در یک منطقه نیز به‌طور متفاوتی نسبت به فردی از همان گونه در منطقه‌ای دیگر پاسخ می‌دهد.

تغییرات اقلیمی چالش‌های جدیدی به وجود می‌آورد. لینزی کمپبل، نویسنده همکار و استاد یار در آزمایشگاه حشره‌شناسی پزشکی دانشگاه فلوریدا، گفت: “تنوع تنها در بین گونه‌ها نیست، بلکه در عرض‌های جغرافیایی نیز در نرخ گرمایش جهانی تفاوت وجود دارد. اقلیم در عرض‌های جغرافیایی بالاتر سریع‌تر گرم می‌شود.” حتی زمانی که دانشمندان این گرمایش نابرابر را در نظر می‌گیرند، الگوهای دیگری وجود دارند که هنوز توضیحی برای آن‌ها پیدا نشده است. به عنوان مثال، درختان افرا قرمز از جمله اولین گیاهان فعال در شرق آمریکای شمالی هستند. در اواخر زمستان و اوایل بهار، افراهای بدون برگ گل‌های قرمزی را منتشر می‌کنند که در میان درختان دیگر که عاری از برگ و خواب‌آلود هستند، مانند یک سیگنال فلاش می‌درخشند. آزالیاهای صورتی رویکردی ملایم‌تر دارند و برگ‌ها و گل‌های آن‌ها در اواسط بهار ظاهر می‌شوند. اما در برخی شرایط، این توالی می‌تواند معکوس شود و گیاهانی که معمولاً به عنوان گل‌دهنده‌های دیرتر شناخته می‌شوند، مانند آزالیاهای صورتی، می‌توانند قبل از آن‌هایی که به عنوان گل‌دهنده‌های زودتر شناخته می‌شوند، مانند افراها، گل بدهند، حتی اگر در همان عرض جغرافیایی رشد کنند.

گورالنیک مشکوک بود که یک قطعه گمشده از معما وجود دارد که اگر پیدا شود، می‌تواند به درک الگوها کمک کند. علاوه بر موقعیت گیاه و نیازهای گرما، او یک اندازه‌گیری برای سرعت گرمایش اضافه کرد، یعنی نرخ افزایش دما در طول بهار. مناطق نزدیک به آب‌های بزرگ معمولاً دارای سرعت گرمایش کندتری هستند، زیرا آب نسبت به هوا زمان بیشتری برای گرم شدن نیاز دارد. از آنجا که آب همچنین گرما را بیشتر از هوا نگه می‌دارد، این مناطق معمولاً زمستان‌های گرمتری نیز دارند. او برخی از طرح‌های ابتدایی را ترسیم کرد و از کریمینز و کمپبل کمک خواست تا ایده را تصحیح کرده و مدلی برای چگونگی تأثیر سرعت گرمایش و نیازهای گرما بر پدیده‌شناسی توسعه دهند.

برای آزمایش این ایده، دو کارآموز موزه، میکائیلا کیز و کارولین دیویس، داده‌های تاریخی گزارش اسمیتسونیان را دیجیتالی کردند. ارین گرادی، نویسنده همکار و دانشجوی تحصیلات تکمیلی در دپارتمان زیست‌شناسی دانشگاه فلوریدا، مشاهدات مدرن را که توسط شهروندان دانشمند جمع‌آوری شده و به صورت عمومی از طریق iNaturalist و شبکه پدیده‌شناسی ملی در دسترس است، جمع‌آوری کرد. پس از تحلیل داده‌ها، شهود آن‌ها تأیید شد. با اضافه شدن سرعت گرمایش، پیش‌بینی‌های آن‌ها با الگوهای داده‌هایشان به‌طور دقیق هماهنگ شد. این همچنین توضیحی برای الگوهایی که تا آن زمان غیرقابل توضیح بودند، مانند پیشی گرفتن گیاهان دیر گل‌دهنده از گل‌دهنده‌های زودتر، ارائه کرد. هرچند که آن‌ها معمولاً دیر گل می‌دهند، اما یک آزالیا صورتی در منطقه‌ای که دماهای بهاری به سرعت افزایش می‌یابد، می‌تواند قبل از یک افرا که در منطقه‌ای با افزایش دما کندتر رشد می‌کند، گل بدهد.

افزایش دقت در پیش‌بینی چرخه‌ها در اکوسیستم‌ها ممکن است به محافظت‌کنندگان محیط زیست کمک کند تا بهتر برنامه‌ریزی کنند. گورالنیک گفت: “با ادامه افزایش دماهای جهانی به دلیل تغییرات اقلیمی، گونه‌ها نه تنها زمان انجام کارها را تغییر می‌دهند، بلکه در مکان‌های مختلف نیز این کارها را انجام می‌دهند، زیرا توزیع آن‌ها تغییر می‌کند. من همیشه نسبت به این که آیا می‌توانیم پیش‌بینی کنیم که جهان در آینده نزدیک چگونه خواهد بود، تردید داشتم، اما فکر می‌کنم با دیدگاه جامع‌تری که پیدا می‌کنیم و با درک فرآیندهای زیرین، در حال بهتر شدن هستیم. این کار به ما کمک می‌کند تا تنوعی که هنوز داریم را مدیریت کنیم.”