В период засухи деревья Амазонии выделяли невиданные ранее химические вещества

Фото из открытых источников

Запах над Амазонкой обусловлен химическими веществами, которые постоянно выделяют деревья. Исследователи измеряют эти соединения уже много лет, и в большинстве случаев их состав достаточно предсказуем, поэтому любое значительное отклонение воспринимается как сигнал бедствия. 

Во время и после рекордной засухи 2023 и 2024 годов показания приборов продемонстрировали то, чего там раньше никто не видел. Молекулы, которые никогда ранее не обнаруживались в воздухе тропического леса, появились над кронами деревьев — и продолжали появляться еще долго после того, как возобновились дожди. Результаты нового исследования опубликованы в журнале Communications Earth & Environment.

Растения выделяют в воздух целое семейство соединений. Самое легкое из них, изопрен, образует голубоватую дымку над лесистыми горами. Более тяжёлыми и гораздо более редкими являются сесквитерпены — более крупные молекулы, которые деревья выделяют, когда что-то идёт не так.

Одно из них, кариофиллен, придает гвоздике и черному перцу их острый вкус. Деревья выделяют сесквитерпены в качестве сигналов бедствия и защитных веществ, оберегая свои ткани, когда жара, засуха или вредители выводят их из строя сверх допустимого предела. Эти молекулы очень слабые и распадаются в течение нескольких минут, поэтому существует очень мало данных об их наличии над тропическими лесами.

Джозеф Байрон из Института химии им. Макса Планка (MPIC) в Майнце, Германия, возглавил группу, которая занималась их обнаружением во время реального экстремального климатического явления. Команда работает в обсерватории Amazon Tall Tower Observatory, немецко-бразильском объекте, расположенном примерно в 150 километрах к северо-востоку от Манауса, Бразилия.

Стальные башни возвышаются над кронами деревьев, позволяя исследователям брать пробы воздуха прямо там, где деревья его выпускают.

Примерно с высоты 22 метров, чуть выше верхушек деревьев, автоматический пробоотборник отбирал воздух каждые полтора-три часа. Это позволило задержать соединения на картриджах, которые впоследствии были отправлены в немецкую лабораторию для сортировки молекула за молекулой.

Они брали пробы четыре раза в течение двух лет, приурочив каждый визит к дуге засухи – до начала явления Эль-Ниньо, на пике его развития, по мере его ослабления и после восстановления. Это позволяет им наблюдать за тем, как химические процессы меняются в зависимости от климата, а не строить предположения на основе одного-единственного снимка.

К октябрю 2023 года в лесу стало жарче и суше, чем когда-либо показывали исторические данные. Температура растительного покрова, обычно составляющая около 26°C, поднялась до 31°C, влажность, составлявшая около 90 процентов, упала до 60 с небольшим, а почва высохла соответственно.

На протяжении всего этого времени изопрен и монотерпены — более легкие родственники сесквитерпенов, которые выделяют многие деревья, — практически не реагировали на засуху, их концентрация повышалась и понижалась в соответствии с обычными колебаниями влажного и сухого сезонов.

Сесквитерпены вели себя совершенно иначе. В период Эль-Ниньо их концентрация увеличилась более чем вдвое. Команда подтвердила, что это реальное увеличение, а не просто молекулы, задерживающиеся в атмосфере из-за уменьшения количества озона, способного их разрушать. По всей видимости, лес тратил дефицитный углерод на их строительство именно тогда, когда вода и энергия были в наибольшей степени дефицитны.

Ничто из этого не сравнится с тем, что произошло после того, как засуха достигла своего пика. Та же команда ранее показала в исследовании, что лес оставляет химические следы собственного стресса.

На этот раз след был новым. С возвращением дождей весной 2024 года лес начал выделять более тяжелые, липкие молекулы, которые ранее никогда не обнаруживались в воздухе, — группу сесквитерпеновых спиртов во главе с бета-эудесмолом.

До этого исследования никто не сообщал об обнаружении этих соединений в воздухе тропических лесов. При предыдущих визитах приборы показывали нулевые значения этих веществ; теперь же их концентрация приблизилась к уровню основных стрессовых соединений. Еще более странно, что пик концентрации пришелся на период после засухи, а не во время нее, и сохранялся в течение нескольких недель.

Команда проводила измерения в воздухе, а не внутри деревьев, поэтому метаболизм, лежащий в его основе, остается лишь предположением. Тем не менее, новые молекулы имели одинаковую базовую структуру.

Они поднимались и опускались в унисон — признак того, что один из механизмов, активировавшихся под воздействием стресса, включился и продолжал функционировать и после чрезвычайной ситуации.

Засуха и жара повреждают деревья, в частности, из-за того, что их клетки насыщаются активными формами кислорода — нестабильными молекулами, которые разрушают ткани изнутри. Растения выживают, поглощая эти вещества, а другие исследования показывают, что деревья Амазонии координируют такие выбросы, чтобы переносить стресс.

Подсказка кроется в медицине. Бета-эудесмол, молекула, которую начал выделять лес, известна по эфирным маслам как противовоспалительное и антиоксидантное средство, а в клетках человека он активирует гены, которые удаляют те же самые разрушительные молекулы.

Выполняет ли оно ту же функцию внутри дерева, пока остается гипотезой. Исследователи предупреждают, что растительные и человеческие клетки по-разному реагируют на окислительный стресс — повреждение, вызванное этими нестабильными молекулами, — и никто не наблюдал за действием этих соединений в листьях растений Амазонии.

Эти реактивные молекулы слипаются в мельчайшие частицы, которые заселяют облака и рассеивают солнечный свет. Длительные изменения в выбросах леса могут оказать влияние на погоду и климат во всем бассейне.

На данный момент лес восстанавливается в промежутках между засухами, и его химический состав возвращается к норме.

Руководитель проекта Джонатан Уильямс, специалист по атмосферной химии из института, ожидает, что этот процесс восстановления ослабнет по мере потепления планеты и усиления явлений Эль-Ниньо.

«Эти выбросы могут стать постоянной особенностью региона», — сказал Уильямс.

До этой работы спирты, образующиеся в лесу в условиях стресса, никогда не фиксировались в воздухе. Теперь у них есть названия и четкая закономерность.

В период сильной засухи количество родственных сесквитерпенов увеличивается более чем вдвое, и эта защитная химическая активность сохраняется до сезона восстановления, после чего постепенно исчезает.

Ученые могут отслеживать их как индикаторы стресса в режиме реального времени. Недавнее исследование рассматривает жаркие засухи в бассейне как предвестник еще более жаркого будущего, в котором выбросы от деревьев могут не соответствовать ранее измеренным показателям.