Деревья «помнят» времена обилия и нехватки воды

То, как деревья переносят засуху, во многом зависит от их прошлого опыта. В некоторых случаях невзгоды порождают устойчивость: ели, которые испытывают длительные засухи, более устойчивы к будущим засухам благодаря впечатляющей способности корректировать свою крону для экономии воды, пишут исследователи из Германии в статье, опубликованной в журнале Plant Biology.

С другой стороны, деревья могут страдать, когда они знали только влажные условия и были ошеломлены засухой. Например, у сосен в Швейцарии есть иголки, которые, по-видимому, акклиматизируются к влажным периодам таким образом, что делают их более уязвимыми к засухе, сообщила другая группа ученых в прошлом году.

В совокупности результаты иллюстрируют, как деревья могут «помнить» времена изобилия, а также дефицита. Последнее, как показало исследование ели, служит хорошим предзнаменованием для способности деревьев справляться с потеплением мира. Эти результаты являются одними из первых, показывающих, что деревья могут стать более устойчивыми к засухе, регулируя структуру своего полога, говорит физиолог растений Ансгар Кахмен из Базельского университета в Швейцарии, который не принимал участия в исследовании.

«Это не значит, что все деревья и все леса просто приспособятся к изменению климата», — говорит Кахмен. «Но это показывает, что есть по крайней мере некоторая способность к такому ответу».

Не самое легкое время быть деревом. Засухи становятся все более распространенными, более продолжительными и более суровыми из-за изменения климата, уничтожая деревья в масштабах и с невиданной ранее скоростью.

Чтобы лучше понять влияние засухи на деревья, ученые Мюнхенского технического университета в 2014 году провели эксперимент. Они использовали пластиковые крыши, возведенные над примерно половиной из 100 деревьев норвежской ели (Picea abies) и европейского бука (Fagus sylvatica), чтобы защитить их от летних осадков, создав пятилетнюю засуху. Остальные деревья получили обычные осадки.

Эта искусственная засуха не убила норвежскую ель — очень чувствительный к засухе вид — но она преобразила ее. По сравнению с их хорошо поливаемыми соседями, ель, подвергшаяся засухе, отрастила гораздо более короткие побеги и более короткие иголки весной, сообщают экофизиолог Торстен Грэмс и его коллеги.

Вместе с естественной потерей старых иголок, деревья потеряли около 60 процентов общей площади иголок в ходе эксперимента, что сделало их полог менее плотным. Грэмс рассматривает это как стратегию лучшей борьбы с засухой: меньшая площадь иголок означает, что деревья теряют меньше воды через устьица — крошечные поры в листьях деревьев, которые поглощают углекислый газ и выделяют кислород. (Деревья бука не сильно уменьшили площадь своих листьев, возможно, из-за их большей устойчивости к засухе в целом.)

Настоящим испытанием для деревьев стал внезапный засушливый период в 2022 году, через три года после окончания экспериментальной засухи. «Ранее засушливые деревья… чувствовали себя в этих условиях намного лучше, чем контрольные деревья, которые никогда не видели засухи», — говорит Грэмс.

Об этом свидетельствуют подробные измерения иголок елей, переживших засуху, которые предполагают, что они были менее подвержены физиологическому стрессу — благодаря тому, что у них все еще были более мелкие иглы и меньше листвы. «Они все еще экономили воду», — говорит Грэмс. Почва под ними была намного влажнее по сравнению с елями, которые не испытали искусственной засухи несколько лет назад.

Способность ели экономить воду также, по-видимому, пошла на пользу букам, растущим рядом с ними, которые также были менее подвержены физиологическому стрессу во время засухи 2022 года. Лесники часто вырубают ели с задержкой роста, поскольку предпочитают более продуктивные деревья, но Грэмс говорит, что его результаты показывают, что их следует оставить, поскольку они могут лучше справляться с засухой.

Алан Чин, экофизиолог деревьев из Калифорнийского государственного политехнического университета в Гумбольдте, которая не принимала участия в этом исследовании, говорит: «Становится ясно, что деревья готовятся к будущим условиям, корректируя долгоживущие структуры, такие как вечнозеленые листья, на основе «информации», сохраненной в результате прошлых событий».

В прошлом году Чин и ее коллеги открыли еще один способ, с помощью которого деревья могут «помнить» свое прошлое, на основе продолжающегося эксперимента в лесу шотландской сосны в одном из самых засушливых регионов Швейцарских Альп. В то время как около половины из примерно 900 сосен леса (Pinus sylvestris) подвергаются воздействию естественных сухих условий, с 2003 года используются дождеватели, чтобы эффективно удвоить летние осадки для оставшихся деревьев. В 2013 году ученые прекратили поливать половину этих деревьев, внезапно подвергнув их засухе.

Используя рентгеновскую микроскопию для изучения 47 тонких анатомических деталей иголок и веток сосен, команда обнаружила, что иголки ранее орошаемых деревьев демонстрировали более выраженные признаки водного стресса, чем те, которые испытывали только засуху. По мнению Чина, это говорит о том, что их «память» о влажном климате каким-то образом сделала их менее способными справляться с нехваткой воды.

Сосновые иголки также, по-видимому, не имели большого количества фотосинтетической ткани, что, вероятно, делало их менее способными к созданию энергетических резервов, необходимых для выживания в условиях большой засухи, вместо этого направляя больше ткани на сохранение воды и защиту, говорит Чин. «Действительно похоже, что простое воздействие этой воды сделало что-то, что ослабило их на будущее», почти как если бы деревья «ждали» возвращения влажного периода.

Чувствительность иголок к засухе объясняет, почему, по мнению Чин, ранее орошаемые деревья не справляются с засушливыми условиями, их рост замедляется, а два дерева погибают сразу. Однако ее соавтор Маркус Шауб из Швейцарского федерального научно-исследовательского института леса, снега и ландшафтных исследований в Бирменсдорфе утверждает, что деревья могли бы компенсировать свою чувствительность иголок, отрастив глубокие корни во время периода полива, что позволяет им получать доступ к более влажным слоям почвы.

Хотя деревья все еще изучаются, оба исследования могут помочь объяснить, почему деревья по всему миру, привыкшие к влажным условиям, стали гибнуть, когда их застали врасплох внезапные засухи.

Немецкое исследование иллюстрирует физиологические риски слишком большой площади листа, которая делает деревья более уязвимыми к внезапным засухам, говорит лесной эколог Крейг Аллен из Университета Нью-Мексико. Что касается швейцарского исследования, то «оно просто добавляет богатства и сложности к… проблемам, с которыми сталкиваются растения при отслеживании климата», — говорит он.

Но молодые деревья, которые никогда не видели леса, богатого водой, говорит Чин, лучше приспособлены к акклиматизации к новой норме. То же самое касается и тех, которые переживают последовательную серию умеренных засух, которые со временем уменьшают площадь листвы, говорит Грэмс. Все еще остается открытым вопрос, смогут ли они справиться с изменением климата и смогут ли другие виды деревьев акклиматизироваться таким же образом. 

«У меня сложилось впечатление, что деревья гораздо более способны, чем мы от них ожидаем», — говорит Грэмс. «В будущем лес будет выглядеть иначе, но он все равно останется лесом».