Древние растения использовали уникальный способ, чтобы пережить вымирание 

Фото из открытых источников

Когда Земля пережила самое разрушительное массовое вымирание, жизнь на суше оказалась на грани исчезновения. Жара испепелила континенты, леса вымерли, а огромные участки планеты остались опустошенными и непригодными для жизни. Однако одна необычная группа древних растений нашла способ не только пережить вымирание, но и распространиться в его условиях. Результаты нового исследования были опубликованы в журнале Nature Ecology & Evolution.

Новое исследование предполагает, что ликофиты справлялись с этим, используя необычную форму фотосинтеза, которая помогала им противостоять экстремальной жаре и недостатку воды.

Исследователи из Университета Лидса утверждают, что ликофиты раннего триаса были тесно связаны с современными изоетальцами, включая перьевые растения, и что их химический состав в ископаемых указывает на CAM-подобную форму фотосинтеза. В этой системе растения открывают свои устьица ночью, а не днем, поглощая углекислый газ в более прохладную погоду и удерживая при этом больше воды.

Пермско-триасовое массовое вымирание, произошедшее около 252 миллионов лет назад, остается самым серьезным кризисом биоразнообразия, известным в истории Земли. Темпы вымирания океанических видов превысили 81 процент, в то время как наземные роды четвероногих понесли потери в размере 89 процентов. 

На суше за кризисом последовала масштабная смена флоры: растения, доминировавшие до вымирания, уступили место сообществам с низким видовым разнообразием, в которых преобладали ликофиты.

Примерно пять миллионов лет после массового вымирания планета оставалась чрезвычайно тёплой. Температура поверхности моря в экваториальных регионах поднялась выше 35°C, температура поверхности суши в экваториальных районах превысила 45°C, а концентрация углекислого газа в атмосфере, вероятно, превысила 2600 частей на миллион.

Эти условия выходили за рамки как идеального диапазона температур для фотосинтеза, так и точки насыщения CO2 для современных растений C3, что отчасти объясняет, почему так много растительности в прошлом погибло.

Именно поэтому ликофиты так интересны в этом регионе. Это были простые по структуре травянистые растения, и тем не менее, похоже, они стали первопроходцами ландшафта после вымирания. Распространение этих ликофитов в широком диапазоне широт, от Южного Китая до Сибири, совпало с исчезновением ранее доминирующих пермских групп растений. 

Большинство растений открывают свои устьица в течение дня, когда солнечный свет доступен для фотосинтеза. Проблема в том, что в очень жарких и засушливых условиях это также означает потерю драгоценной воды.  Фотосинтез CAM предлагает обходной путь. Растение открывает свои устьица ночью, запасает поступающий углекислый газ в виде кислоты, а затем использует этот запасённый CO2 в течение дня, держа устьица закрытыми. 

В исследовании утверждается, что эта стратегия могла дать ликофитам существенное преимущество в условиях «суперпарникового эффекта» раннего триаса. Если это так, то это делает их особенно важными. Фотосинтез CAM в настоящее время в основном ассоциируется с растениями, обитающими в жарких и засушливых условиях, и сегодня он составляет лишь небольшую долю растительности в мире.

«Наши результаты показывают, что в условиях будущего потепления растения с CAM-фотосинтезом могут стать гораздо более важными», — сказал ведущий автор исследования Чжэнь Сюй из Университета Лидса. «Если мир столкнется с продолжительной экстремальной жарой, растительные сообщества могут сместиться в сторону видов, лучше переносящих высокие температуры и недостаток влаги».

Чтобы выяснить, как эти растения выжили, исследователи объединили несколько различных видов доказательств. Группа исследователей собрала данные по 485 образцам спорофиллов ликофитов, в том числе по 285 образцам из пород поздней перми — среднего триаса на юго-западе Китая и еще 200 образцам, описанным в более ранних работах.

Исследователи сосредоточились на спорофиллах, поскольку они особенно богаты признаками, которые помогают различать виды и понимать их функции. Они оценили 127 морфологических признаков и использовали эти данные для сравнения вымерших форм с ныне живущими родственниками.

Сравнение показало, что растения раннего триаса были тесно связаны с современными изоеталами, группой, известной своей необычайной экологической гибкостью. Однако одной лишь морфологии было недостаточно.

Команда также изучила изотопы углерода, сохранившиеся в отдельных ископаемых спорофиллах из Южного Китая, а также в окружающих отложениях, чтобы убедиться, что они считывают именно сигнал растения.

Эти изотопные значения напоминали значения изотопов ныне живущих видов рода Isoetes , использующих CAM-фотосинтез, что убедительно свидетельствует о схожей физиологической стратегии в глубокой древности.

Затем исследователи добавили к этой картине моделирование климата, используя модель земной системы HadCM3BL. Они сравнили находки ископаемых с имитированными температурами поверхности земли и обнаружили, что эти ликофиты обитали в и без того суровых условиях. В некоторых районах максимальная температура поверхности могла превышать 50°C (122°F).

Особенность этого исследования заключается в том, что оно не ограничивается вопросом выживания. Исследователи утверждают, что ликофиты, возможно, помогли сохранить функционирование наземной биосферы в период чрезвычайных потрясений.

Поскольку они продолжали фотосинтезировать и поглощать углерод из атмосферы, они, возможно, сыграли роль в восстановлении экосистемы, а также в повышении своей выживаемости.

В ходе анализа были объединены различные научные дисциплины, чтобы изучить, как эта группа загадочных растений не только пережила «великое вымирание», но и сумела процветать в условиях сильного стресса.

«Объединив эти данные, мы сможем лучше понять адаптацию растений к прошлым климатическим чрезвычайным ситуациям, углубляя наше понимание устойчивости земной системы к климатическим возмущениям», — сказал соавтор исследования Барри Ломакс из Ноттингемского университета.

Вероятно, именно этот более широкий тезис объясняет актуальность статьи в настоящее время. Растения являются основой наземных пищевых цепей, и когда меняются доминирующие стратегии растений, вся система может измениться вместе с ними.

Исследование предполагает, что после самого страшного массового вымирания на Земле победителями стали не древние гиганты пермского периода, а более мелкие, необычные растения, обладающие подходящей физиологией для более жаркого будущего.

Понимание того, как растения использовали различные стратегии выживания в прошлом, помогает ученым прогнозировать, как растительность может реорганизоваться в будущем. Поскольку растения составляют основу наземных пищевых цепей, изменения в доминирующих стратегиях растений в конечном итоге могут изменить функционирование всей земной системы.