För nästan 100 år sedan, det var en konstig, övertagande i slowmotion av Great Plains. Under Dust Bowl på 1930-talet, när en historisk värmebölja och torka svepte in i mitten av USA, det skedde en dramatisk förändring i de typer av växter som ockuperade regionen.

Gräs som var vanligare i det kallare norr började ta över de ovanligt varma och torra södra slätterna som vanligtvis ockuperades av andra inhemska gräs.

Just då, självklart, denna förändring av växttäcket var inte det största bekymret under en katastrof som fördrev omkring 2,5 miljoner människor och orsakade minst 1,9 miljarder dollar i jordbruksförluster enbart. Och, faktiskt, det verkade inte så konstigt – tills forskarna började lära sig mer om dessa typer av växter.

"Vad som hände blev ett mysterium först mycket senare, baserat på vår efterföljande förståelse av egenskaperna hos de arter som ersatte varandra, sa Alan Knapp, en framstående professor vid Colorado State Universitys institution för biologi vid College of Natural Sciences och seniorekolog för CSU:s Graduate Degree Program in Ecology.

Under 1960-talet forskare fann att det fanns en distinkt ekologisk skillnad mellan dessa två typer av vad som ansågs vara varmare och kallare klimat gräs (en grupp, känd som "C4" använder fotosyntes för att producera en förening med fyra kolatomer, jämfört med den andra, känd som "C3, " vars första fotosyntesförening består av bara tre kolatomer). C4-gräsen växer bäst i varma temperaturer och är mer effektiva på att använda vatten. C3-gräsen tenderar att vara vanligast i svalare och blötare klimat.

Vilket väckte frågan:Varför, under en ökända torka och värmebölja, skulle C3 gräs plötsligt invadera cirka 135, 000 kvadratkilometer av södra centrala USA Så föddes "Dust Bowl-paradoxen."

Detta är inte bara en fråga om historisk nyfikenhet. När klimatförändringarna accelererar, gräsmarker, som täcker cirka 30 % till 40 % av jordens landyta, ser redan stigande temperaturer och extrema variationer i nederbörd och förväntas uppleva ännu mer extrem torka. Och, noterade Knapp, "de är en viktig del av de lokala ekonomierna var de än förekommer." Så, Att förstå vad som utlöste Dust Bowls plötsliga förändring av gräsarter – och deras utslagseffekter – är en alltmer pressande fråga.

"Eftersom sådana extrema torka förutspås bli vanligare i framtiden med klimatförändringar, det är viktigt att förstå varför dessa gräsmarker svarade som de gjorde, vilket var precis motsatsen som man skulle förutsäga baserat på deras egenskaper, sa Knapp.

Nu, Knapp och hans kollegor har hittat ett svar på denna fråga. I en ny tidning, publiceras denna vecka i Proceedings of the National Academy of Sciences , de beskriver ett fyraårigt experiment med artificiell torka som genomfördes i Kansas och Wyoming gräsmarker som erbjuder en lösning på mysteriet med Dust Bowl-paradoxen.

"Denna studie låser upp ett pussel om varför C3-gräs kan konkurrera ut C4-gräs i varma, torra förhållanden, " sa medförfattare Yiqi Luo från Center for Ecosystem Science and Society vid Northern Arizona University. "När de globala klimatförändringarna och nederbördsmönstren förändras, den här nya linsen är ett viktigt verktyg för att förutsäga framtida vegetationsdynamik och kollagring."

Detta för oss tillbaka till mysteriet. Varför skulle dessa coola kärleksfulla, mindre vatteneffektiva C3-gräs har kommit att dominera centrala USA under en historisk värmebölja och torka? Knapp och hans kollegor upptäckte att det hade mindre att göra med mängden nederbörd och mycket mer att göra med när den nederbörden faller.

Under ett normalt växtår på de södra amerikanska slätterna, huvuddelen av fukten faller på sommaren, under växtsäsongen. Men i de norra gräsmarkerna, nederbördsmönstren är jämnare under hela året. Det visar sig att detta också är vad som händer under extrem torka - nederbörden är mycket mindre bunden till de varma månaderna, sker mer jämnt under året.

Så, med nederbörd som faller i mönster som mer liknar de norra slätterna under en torka i söder, C3-gräs hittade gränserna för sin föredragna nederbördsdynamik som sträckte sig söderut. Och de förökade sig.

Forskarna fann också att intrånget av C3-anläggningar har en sorts självbränslekraft. Eftersom de börjar växa tidigare på året, "de kan förebyggande använda jordvatten innan C4-växter blir aktiva, ytterligare minska tillväxten av C4-arter, sa Knapp.

Dessa resultat är inte bara en fråga om att räkna och spåra arter. De olika typerna av gräs har också olika egenskaper som kan leda till förändringar i det övergripande ekosystemet, klimat, och markanvändning.

Till exempel, C3-gräs tenderar att grönska i genomsnitt en hel månad före C4-gräs men dör ut tidigare, förändra regionens kolutbyte mellan jord och luft. Att vara mindre effektiv med vatten, C3-gräs suger upp mer fukt från jorden, som har en sammansättningseffekt, särskilt under år då vattnet redan är ont om.

Tiden på året de växer spelar också roll.

"Alla växter, när man aktivt växer och grönt, avdunsta avsevärda mängder vatten från sina löv, Knapp förklarade. "Detta har en lokal kyleffekt. Eftersom C3-gräs växer när det är svalt (på våren) men inte mitt på sommaren, den kylande effekten går förlorad när den behövs som mest — under de varma sommarmånaderna. Detta innebär att övergången från C4 till C3 tillväxtmönster kan resultera i varmare somrar."

Teamet planerar att fortsätta studera effekterna av dessa säsongsförändringar – och återhämtning från dem.

"Efter den decenniumlånga Dust Bowl-torkan, rester av torkans inverkan på växtsamhällena var uppenbara i 20 år, ", sa Knapp. Så gruppen övervakar nu hur lång tid det kommer att ta deras experimentplaner att återhämta sig efter deras fyraåriga experiment.

"Som ett så globalt omfattande system, gräsmarker spelar en stor roll i den globala kolcykeln och interaktioner mellan vegetation och atmosfär, Knapp sa, vilket är anledningen till att förstå sådana storskaliga historiska händelser kommer att vara avgörande för att förbereda sig för framtidens klimatförändringar.

Pappret, "Lösa Dust Bowl-paradoxen med gräsmarksreaktioner på extrem torka, " dök upp 24 augusti i PNAS , tillsammans med ett papper av en annan fakultetsmedlem vid Institutionen för biologi, Universitetets framstående professor Diana Wall, som var medförfattare till en artikel med titeln, "Genetisk mångfald av jordryggradslösa djur bekräftar tidsuppskattningar för tidigare kollapser av den västantarktiska istäcket."