Ny forskning ledd av Baylor University biologi doktorand William J. Matthaeus och professor i biologi Joseph White, Ph.D., överväger hur växtfrysintolerans påverkade skogstäckning och hydrologi under Pennsylvanian-perioden, ungefär 340 miljoner till 285 miljoner år sedan under paleozoikum föreslår förbättringar av klimatprognoser för det förflutna och framtiden med växtfunktionsdata.

Detta mycket tvärvetenskapliga och samarbetsprojekt omfattade Baylor geologi postdoktoral forskare Jon Richey, liksom klimatforskare, geologer och paleobotanister från flera andra amerikanska och europeiska institutioner.

Studien, publicerad i Förfaranden från National Academy of Sciences , föreslår att frysning av växter skulle ha begränsat den geografiska spridningen av skogstäckning över superkontinenten Pangea. Under denna tid, det fanns is-interglaciala cykler och ihållande perioder med låga temperaturer. Beroende på begränsningarna för frystolerant växtfysiologi, frysning av minimitemperaturer begränsade sannolikt trädens växts förmåga att överleva.

"Växter kan berätta saker om den tid och plats de växte eftersom växter har grundläggande behov, typ människor. Men eftersom växter inte kan röra sig för att få det de behöver, de måste bygga sina 'kroppar' för att fungera bra där de växer, "Sade Matthaeus." På grund av detta, växtfossiler innehåller information om hur dessa växter fungerade, men också de förhållanden de mötte, för 300 miljoner år sedan. "

Låg skogstäckning ökade ytavrinningen av sötvatten och sediment i vissa regioner. Den frysinducerade avrinningen förändrades avsevärt mellan glaciala och interglaciala perioder över Pangea, och kan ha drivit platsspecifika skillnader i mineral, sediment, organiskt material och näringsnivåer i sötvattensavrinningen till floden, havs- och kustmiljöer.

Forskarna kombinerade klimatmodellering och ekosystemprocessmodellering för att simulera trädväxter under den sena paleozoiska istiden. Eftersom befintliga globala klimatmodelleringsprognoser inte tar hänsyn till skillnader i växtfunktionella egenskaper mellan samtida och paleozoiska växter, forskarna använde fossil-härledda växtegenskapsdata för att simulera globala ekosystemprocesser.

"Även med det begränsade urvalet av fossilregistret som används här, tips om inverkan av frysning på 300 miljoner år gamla växtsamhällen är uppenbara. Vi kombinerar fossilbaserad slutsats om växtfunktion med global klimatmodellering för att väcka den gamla jorden till liv. Detta är en kritisk parning av discipliner för att sammanställa naturhistoriens pussel, "Sa Matthaeus.

Den globala klimatmodelleringen visade att frysningstemperaturer var nästan globala i förekomst och sannolikt en begränsande faktor för distribution av skogsskydd, även i ämnena. Mindre än 25% av opartad mark som kunde stödja vegetation förblev över frysningen året runt. Forskarna föreslår att utbredd och upprepad exponering av växter för minusgrader under Pennsylvanian påverkade utvecklingen av anmärkningsvärda aspekter av senare paleozoisk växtfysiologi.

"Klimatmodeller används vanligtvis för att studera medeltemperaturutvecklingar över månatliga eller längre tidsskalor i jordens förflutna. Men detta tillvägagångssätt ignorerar extrema temperaturer som är kända för att vara kritiska för växtfunktion och överlevnad idag. En ny aspekt av denna studie är att vi fokuserar på dagliga temperaturförändringar som simuleras av modellen som växter sannolikt tål under Pennsylvanian, "sa Sophia I. Macarewich, medförfattare och paleoklimatologi och vetenskaplig beräkning doktorand vid University of Michigan.

Införandet av fossilbaserade paleobotaniska data i djupgående klimatmodellering kan förbättra prognoser och förståelse för tidigare jordsystem samt underlätta framtida modeller för klimatförändringar, enligt författarna.

"Vidareutveckling av dessa metoder kan tjäna som en bro för att förstå grunden för globala ekosystem över jordens gamla förflutna. Genom att förstå hur saker fungerade under naturhistorien, vi har en bättre chans att förstå vår egen framtid, "Sa Matthaeus.

White ser studien som en förstärkning av Baylor som en ledare inom området, särskilt när det gäller doktorandstudier och akademisk framgång.

"Herr Matthaeus framgångar kan tillskrivas hans inneboende nyfikna sinne och enastående beräkningskunskaper som, med sina akademiska examina i evolutionär biologi och matematik, gav honom det beredda sinnet att lyckas ta upp en så svår fråga, "sa han." Han är också extremt välläst och har haft fördelen av direkt interaktion med disciplinexperterna, varav många är hans medförfattare, förutom mentorskap från ytterligare Baylor -fakultet som paleobotanisten Dr Dan Peppe, docent i geovetenskap, och Dr Bernd Zechmann, direktör och docent vid Center for Microscopy and Imaging. "