Обнаружен секретный признак, который может помочь секвойям выжить при изменении климата

Прибрежные красные деревья (секвойи) - это удивительные деревья, которые ученые изучали на протяжении многих поколений. Мы знаем, что они являются самыми высокими из ныне живущих деревьев и выживают на протяжении тысячелетий, противостоя пожарам и вредителям.

Поскольку красные деревья долговечны, велики и устойчивы к гниению, леса, в которых они доминируют, хранят больше надземной массы, а значит, и больше углерода, чем любая другая экосистема на Земле.

Тем не менее, работая над недавно опубликованным исследованием, мы с коллегами из Калифорнийского университета в Дэвисе и Калифорнийского политехнического университета в Гумбольдте узнали секрет, который скрывался прямо у нас под носом.

Оказывается, у красных деревьев есть два типа листьев, которые выглядят по-разному и выполняют совершенно разные задачи. Эта ранее неизвестная особенность помогает деревьям адаптироваться как к влажным, так и к сухим условиям - способность, которая может стать ключом к их выживанию в условиях меняющегося климата.

Достаточно воды

Где бы ни росли деревья, рано или поздно их листья намокают. Для деревьев, растущих во влажной среде, это может стать проблемой, если пленки воды закрывают их стоматы. Эти крошечные поры позволяют углекислому газу проникать в листья, чтобы дерево могло соединить его с водой для получения растительной ткани в процессе фотосинтеза.

У многих деревьев, характерных для влажных лесов, листья имеют приспособления, которые предотвращают образование этих водяных пленок.

Напротив, деревья, растущие в сухой среде, пользуются кратковременными вспышками влажности листьев для поглощения ценной воды непосредственно через поверхность листьев, через специальные структуры листьев и даже через стоматы.

Но некоторые деревья, включая прибрежные красные деревья, живут как во влажной, так и в сухой среде с интенсивными сезонными колебаниями.

Для широколиственных деревьев, таких как дуб остролистный, который растет в средиземноморском климате с сухим летом и дождливой зимой, эта проблема сезонной влажности преодолевается относительно легко. Их стоматы находятся на защищенной нижней стороне листьев, что позволяет им не пропускать воду, в то время как верхняя поверхность листьев впитывает воду.

Но красные деревья - это хвойные, или конусоносные деревья, с тонкими, плоскими игольчатыми листьями, и им нужен другой способ сбалансировать конкурирующие цели отталкивания и поглощения воды.

Мы знали, что хотим изучить, как красные деревья справляются с парадоксальной задачей увлажнения листьев, сколько воды могут поглощать красные деревья и какие особенности листьев вызывают различия в способности поглощать воду.

То, что мы узнали, стало для нас полной неожиданностью.

Большие деревья с большими секретами

Ученые давно знают о способности красных деревьев поглощать воду через свои листья. Но выяснить, сколько воды красное дерево может поглотить таким образом, и как эта способность может меняться в зависимости от типа климата, - настоящая проблема для этого вида.

Во-первых, большое красное дерево имеет более 100 миллионов листьев с огромной площадью поверхности для поглощения воды. И эти листья резко меняют свою структуру с высотой, переходя от длинных и плоских к коротким и шиловидным. Поэтому мы не сможем добиться нужного результата, просто собирая листья на уровне земли.

Еще больше усложняет ситуацию то, что гравитация постоянно давит на гигантский столб воды, поднимающийся вверх по стволу красного дерева. В результате листья на вершине дерева всегда имеют меньше доступной воды, чем те, которые находятся ниже.

Присущая верхушке дерева сухость должна втягивать воду в лист быстрее, чем в богатые водой листья внизу, подобно тому, как сухая губка впитывает воду быстрее, чем влажная.

Чтобы получить точное представление о том, как красные деревья поглощают воду, нам нужны были листья деревьев из влажной и сухой среды, причем с разных высот этих деревьев.

Чтобы довести их до естественного гравитационного уровня воды для анализа, мы поместили образцы листьев в камеру тумана - в данном случае, в ледяной ларь, подключенный к комнатному увлажнителю - и измеряли увеличение веса с течением времени, чтобы увидеть, сколько воды они могут поглотить.

След из подсказок

Разбирая гроздья побегов красного дерева, чтобы погрузить их в туман, мы делили каждую гроздь на части. Группировки побегов красного дерева расходятся от древесной сердцевины и разделяются на отдельные побеги разного возраста, каждый со своим набором листьев. Мы отделили побеги вдоль древесной центральной оси от гораздо более распространенных податливых побегов на внешних краях каждого кластера.

Быстро стало очевидно, что побеги от центральной оси имели листья, способные поглощать воду в три раза быстрее, чем периферийные листья. Когда мы заглянули внутрь листьев с помощью микроскопа, мы поняли, что это два совершенно разных типа.

Внешне они тоже выглядят по-разному, но это было настолько неожиданно, что нам нужно было увидеть их внутреннюю структуру, чтобы убедиться в этом.

Выше: Два разных листа красного дерева. Периферический лист (слева) сосредоточен на фотосинтезе, а осевой лист (справа) занимается поглощением воды.

Осевые листья были заполнены клетками для хранения воды, но их флоэма - трубки в листьях, которые экспортируют фотосинтетические сахара в дерево - оказалась заблокированной и бесполезной. Принято считать, что если у дерева есть листья, то они служат для фотосинтеза, но мы задались вопросом, нет ли у осевых листьев другой цели.

Проведя дополнительные измерения, мы обнаружили, что осевые листья красного дерева специализируются на поглощении воды. Различия между поверхностями осевых и периферических листьев, особенно их восковое покрытие, обуславливают различия в скорости поглощения воды.

В отличие от осевых листьев, периферические листья красного дерева имеют восковую поверхность с большим количеством стомат. Это помогло объяснить, как они фотосинтезируют круглый год, несмотря на длительный влажный сезон в большинстве мест их нынешнего обитания.

Дальнейший анализ показал, что осевые листья краснокнижных деревьев составляют всего около 5 процентов от общей площади листьев и едва производят достаточно энергии в процессе фотосинтеза для поддержания жизнедеятельности. Однако они обеспечивают до 30 процентов общей способности деревьев поглощать воду.

Вместе эти два типа листьев балансируют между фотосинтезом и поглощением воды, что позволяет красному дереву процветать как во влажной, так и в сухой среде обитания.

Используя масштабные измерения деревьев и уравнения для оценки площади листьев красного дерева, мы подсчитали, что эти жаждущие гиганты могут поглотить до 105 фунтов (48 килограммов) воды в течение первого часа после того, как дождь смочит их листья. Это эквивалентно 101 пинте пива.

Значение секвойи

Понимание причин различий в способности листьев красного дерева поглощать воду может помочь нам оценить различия в способности деревьев и окружающей среды поглощать воду сейчас и в будущем. На мой взгляд, это самая потенциально полезная часть нашего исследования.

Красные деревья различаются по двум типам листьев в зависимости от местных климатических условий. Во влажных тропических лесах в северной части их ареала, выше округа Мендосино, деревья используют меньшее количество осевых листьев, которые специализируются на поглощении воды.

Эти листья сосредоточены в нижней части кроны деревьев, оставляя верхушки деревьев с высокими фотосинтетическими способностями свободными для максимального производства сахара под ярким солнцем.

В сухих лесах на южных окраинах ареала красного дерева у деревьев больше осевых листьев в их верхушках, испытывающих дефицит воды.

Это позволяет им лучше использовать преимущества коротких периодов увлажнения листьев, но это означает, что они получают меньше фотосинтеза на единицу площади листьев, чем красные деревья в более влажных районах.

Способность красных деревьев менять тип листьев в соответствии с региональными климатическими различиями может помочь им адаптироваться к изменению климата в постоянно засушливой Калифорнии.

Это было бы хорошей новостью для сохранения этих эпических деревьев, и это может стать перспективной особенностью, которую следует изучить, когда ученые попытаются связать черты засухоустойчивости с региональными различиями между популяциями красного дерева. Беседа

Алана Чин, постдокторант по экологии растений, Швейцарский федеральный технологический институт Цюриха.