Dans le monde, les plantes émettent environ 100 millions de tonnes de monoterpènes dans l’atmosphère chaque année. Ces molécules organiques volatiles comprennent de nombreux parfums tels que la molécule pinène – connue pour son parfum frais de pin. Étant donné que ces molécules sont hautement réactives et peuvent former de minuscules particules d’aérosol qui peuvent se transformer en noyaux pour les gouttelettes de nuages, les émissions naturelles jouent un rôle important dans notre climat. Par conséquent, il est important pour les prévisions climatiques de savoir comment les émissions de monoterpènes changeront à mesure que les températures augmenteront.
Comme pour le pinène, de nombreux monoterpènes se présentent sous deux formes d’image miroir : (+) alpha-pinène et (-) alpha-pinène. Les plantes peuvent libérer les deux formes de ces molécules volatiles directement après la biosynthèse ou à partir des réservoirs de stockage dans les feuilles. Parce que les deux formes chirales ou énantiomères ont des propriétés physiques et chimiques identiques, elles ne sont souvent pas considérées séparément dans la modélisation atmosphérique. Cependant, dans une nouvelle étude publiée cette semaine dans La naturedes chercheurs de l’Institut Max Planck ont montré que les deux molécules en miroir sont libérées par des processus différents dans la plante et qu’elles réagissent différemment au stress, notamment à la sécheresse.
Trois mois de stress hydrique dans une forêt tropicale artificielle
Les résultats proviennent d’expériences menées dans une forêt tropicale tropicale artificielle fermée au sein du complexe Biosphere 2, en Arizona, qui a été construit à l’origine pour créer un écosystème autonome. Cette installation a permis à une équipe de scientifiques de l’Institut Max Planck de chimie, de l’Université de Fribourg et de l’Université de l’Arizona de contrôler avec précision les conditions chimiques et climatiques de la forêt et de mesurer ses réponses. Pendant trois mois, l’équipe scientifique a soumis la forêt à un stress hydrique modéré puis sévère.
À l’aide de chromatographes en phase gazeuse, Joseph Byron, étudiant au doctorat sur le projet de la Max Planck Graduate School, a déterminé les émissions horaires d’alpha-pinène, de camphène, de limonène, de terpinène et d’isoprène. Pour déterminer quand les plantes émettaient quelle forme chirale, les chercheurs ont utilisé du CO marqué isotopiquement2 pour suivre le carbone photosynthétique et introduit du dioxyde de carbone « lourd » (13CO2) à l’air de la biosphère à certaines heures. À l’aide d’un spectromètre de masse couplé au chromatographe, l’équipe a ensuite pu déterminer quels monoterpènes contenaient des atomes de carbone lourds et lesquels n’en avaient pas. Cela a révélé quels composés marqués étaient fabriqués et libérés instantanément par l’écosystème et quelles espèces non marquées provenaient de bassins de stockage.
Le dioxyde de carbone lourd donne un aperçu du métabolisme des plantes
« À notre grande surprise, de nombreuses molécules miroirs se sont comportées différemment sous le stress de la sécheresse », commente le premier auteur de l’article, Joseph Byron. « Ainsi, le (-) alpha-pinène a été marqué, alors que le (+) alpha-pinène, que nous avons mesuré simultanément, ne l’était pas. » Cela signifie que l’écosystème de la forêt tropicale humide libère du (-) alpha-pinène directement après la synthèse, tandis que la molécule miroir provient des réservoirs de stockage de la plante.
Plus de sécheresse entraîne un déplacement diurne des émissions de monoterpènes
De plus, les chercheurs ont découvert qu’au fur et à mesure que la sécheresse progressait, non seulement davantage de monoterpènes étaient libérés, mais également le maximum d’émissions se déplaçait plus tard dans l’après-midi, et les plantes libéraient davantage de monoterpènes des bassins de stockage. Et il peut y avoir une raison à cela, soupçonne le chef de projet et scientifique de l’atmosphère Jonathan Williams : « Nous soupçonnons que la libération ultérieure de monoterpènes augmente la probabilité que des nuages se forment au-dessus de la forêt. Plus il fait chaud pendant la journée, plus la verticale le mélange de l’air augmente, permettant aux volatils réactifs d’atteindre des couches d’air plus élevées où ils ont plus de chances de devenir des particules d’aérosol et éventuellement de former des noyaux de condensation. »
Le chercheur de Max Planck Williams conclut à partir des études de Biosphere 2 : « Pour prédire avec précision les réponses des écosystèmes au stress, nous devrions mesurer et modéliser séparément les émissions des molécules chirales à l’avenir. Ceci est particulièrement important pour la forêt amazonienne, pour laquelle les modèles climatiques prédisent davantage de sécheresses. à l’avenir. » Le chef de groupe de l’Institut Max Planck de chimie de Mayence ajoute : « Je suis fasciné par le fait que nous pouvons déchiffrer les processus physiologiques internes de la forêt, régis par les enzymes, en mesurant la composition de l’air. Cela nous aidera certainement à élucider les effets que nous avons également observé dans la vraie forêt tropicale. » L’équipe de Williams a également mené des recherches dans la forêt tropicale brésilienne à l’Amazon Tall Tower Observatory ATTO.
Les travaux ont été menés en collaboration avec des scientifiques de l’Université de Fribourg, en Allemagne, dirigée par le professeur Christiane Werner et de l’Université de l’Arizona, aux États-Unis, dirigée par le Dr Laura Meredith. Une grande équipe interdisciplinaire d’environ 80 chercheurs a participé à l’ensemble de l’expérience sur la sécheresse. Les travaux de l’Institut Max Planck de chimie ont été financés en partie par le projet européen ULTRACHIRAL et l’équipe de l’Université de Fribourg par le biais d’une subvention ERC Consolidator.