Sommaren 2012 två studenter tog itu med ett problem som växtekologiexperter hade förbisett i 30 år. Eleverna visade att olika växtarter varierar i hur de tar in koldioxid och avger vatten genom stomata, porerna i deras blad. Uppgifterna ökade noggrannheten hos matematiska modeller av kol- och vattenflöden genom växtblad med 30 till 60 procent.

Forskarna, baserad på University of Illinois, rapportera sina resultat i tidskriften Naturekologi och evolution .

I efterhand, upptäckten kan tyckas självklar, sa U. of I. professor i växtbiologi Andrew Leakey, som handlett studenterna och är medförfattare till studien.

"Om jag skulle gå till en konferens för växtfysiologer och säga, 'Hallå, finns det mångfald i hur växtstomata beter sig?' var och en av dem skulle säga, 'ja, '" sa Leakey.

"Och ändå, under de senaste 30 åren, vårt samhälle har misslyckats med att beskriva den mångfalden i termer av matematik."

Denna förbiseende härrör delvis från det faktum att få växtbiologer vet hur - eller är naturligt benägna - att omvandla sina biologiska insikter till de matematiska ekvationer som modellbyggare behöver för att förbättra noggrannheten i sitt arbete, sa Leakey.

"Som ett resultat, modellerare har tvingats anta att stomata hos alla arter öppnar och stängs som svar på miljöförhållanden på samma sätt, " han sa.

Detta antagande baserades på arbetet i ett team ledd av Joseph Berry från Carnegie Institution for Science. Gruppen upptäckte att stomatas beteende kunde beskrivas av en enda, enkel ekvation. Men Berry och hans kollegor fick sitt första genombrott genom att mäta sojabönor. Sedan dess, mycket få växtforskare hade ifrågasatt om ekvationen för sojabönor också fungerade hos andra arter. Som ett resultat, modellerare hade fastnat i den ena versionen av ekvationen, sa Leakey.

"Detta var en alltför förenkling som sannolikt ledde till fel i modellförutsägelser av hur väl grödor och skogar växer i olika tider och platser, " han sa.

"Det är omöjligt att mäta varje växt överallt genom tiden över hela världen, sa Kevin Wolz, som genomförde den nya forskningen med Mark Abordo när båda var undergraduate. "Så, vi mäter istället några saker experimentellt och representerar det sedan med lite matematik, som är en modell."

Modellering är ett användbart verktyg för att göra förutsägelser om hur olika biologiska system kommer att fungera över tid, sa Wolz. Modeller kan hjälpa till att avgöra vilka grödor som kommer att klara sig bra på specifika geografiska platser och om de kommer att producera tillräckligt med mat eller biomassa för att göra sin odling lönsam. De hjälper också till att förutsäga hur växter kommer att reagera på föroreningar, torka eller framtida klimatförhållanden, ge beslutsfattare insikt i de potentiella skadorna eller fördelarna som är förknippade med specifika markanvändningsbeslut.

Vid tidpunkten för studien, Wolz studerade biologi och civil- och miljöteknik. Detta gav honom insikt i både komplexiteten i den naturliga världen och enkelheten och kraften i matematiska modeller. Han och Abordo, en matematik som huvudämne på den tiden, hoppade på chansen att studera hur växter anpassar sina stomata som svar på olika atmosfäriska förhållanden.

"Det var en trevlig förändring från att jobba på svarta tavlor hela tiden till att göra laboratorieexperiment och träna ute på fältet, Sa Abordo.

De två gick upp före gryningen varje vardag under sommaren för att samla löv från 15 trädarter och ta dem tillbaka till labbet, där de använde gasutbytesutrustning för att mäta hur bladen reagerade på olika ljus- och atmosfäriska förhållanden. Varje blad sattes igenom sina steg med tester som varade i ungefär sex timmar.

"Det är lite som att gå till doktorn och ta ett konditionstest där de sätter dig på ett löpband, Leakey sa. "I huvudsak, det var vad Kevin och Mark gjorde; de tog löv och körde dem under olika scenarier för att lära sig hur löven reagerade."

Deras resultat var inte förvånande, sa Wolz.

"Vi visade att inte alla växter är lika, " han sa.

Teamet fann en betydande mängd variation i hur olika trädarter reagerade på saker som ljus, värme, koldioxidkoncentration och luftfuktighet. Genom att ändra standardmodeller med nya data förbättrades modellernas noggrannhet dramatiskt, fann forskarna.

"Vi såg en 30 till 60 procents minskning av felen, " sa Leakey.

"Denna forskning visar att utbildning av människor som Kevin på ett tvärvetenskapligt sätt gör det möjligt för oss att bryta ned kommunikationsbarriärer inom vetenskapen - mellan modellerare och växtforskare, till exempel, Leakey sa. "Detta är bara ett av en lång rad problem som skulle gynnas av ett sådant tillvägagångssätt."

Mer arbete behövs för att utvidga det nya tillvägagångssättet till andra växtarter, och att bredda ansträngningarna till att inkludera modeller som tittar på dynamik i ekosystemskala, sa forskarna.