Древние леса Земли несут в себе тревожный сигнал для современных лесов

Фото из открытых источников

Ископаемые находки из Вайоминга показывают, как экстремальное потепление уничтожило треть лесного покрова 56 миллионов лет назад, что отражает изменения, происходящие в лесах и сегодня. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science.

Углекислый газ — это пища для растений, поэтому его большее количество в воздухе должно означать более густые леса. Начиная с начала 1980-х годов, спутниковые данные подтверждали именно это. Затем, примерно в 2000 году, озеленение обратилось вспять на большей части покрытой растительностью территории мира.

Новое исследование показало, что аналогичный поворот произошел 56 миллионов лет назад, когда планета в последний раз получила огромную дозу углерода. Леса на территории современного Вайоминга потеряли около трети своего листового покрова. Авторы приходят к выводу, что после определенного момента жара и засуха убивают деревья быстрее, чем дополнительный углекислый газ может стимулировать их рост.

Работу возглавила Реган Данн, изучающая ископаемые растения в смоляных ямах Ла-Бреа в Лос-Анджелесе. Ее команда собирает ископаемые в бассейне Ханна в Вайоминге уже более десяти лет. Геологи называют этот скачок температуры палеоценово-эоценовым термическим максимумом, или ПЭТМ, и авторы рассматривают его как наиболее близкое естественное сравнение с тем, что происходит сейчас. Хотя это и не совсем точное сравнение.

До наступления жары котловину покрывал густой лес, состоящий из нескольких ярусов листьев. Затем пыльцевая летопись резко изменилась: на короткое время стали доминировать папоротники, затем пальмы, а родственные им сегодня грецкие орехи, вязы и березы пришли в упадок.

Данн описала открытые лесные массивы: низкие деревья, стоящие на значительном расстоянии друг от друга, многие из которых — пальмы. По ее словам, они могли напоминать очень открытые сухие тропические леса Центральной и Южной Америки.

«Прогулка по лесам PETM была бы жаркой и сухой, с небольшим количеством тени и пересохшей почвой», - сказала она.

Новые виды пыльцы прибыли из более теплых мест: пыльца растений, ближайшие ныне живущие родственники которых сейчас произрастают вдоль побережья Мексиканского залива, а также в Центральной и Южной Америке. В совокупности слои, образовавшиеся в результате палеоценово-эоценового термического максимума, содержат как минимум на 40% больше видов пыльцы и спор, чем слои выше или ниже.

Это касалось не только Вайоминга. Данные пыльцевого анализа, относящиеся к тому же древнему периоду потепления, показывают реорганизацию растительных сообществ в восточной части Северной Америки, на крайнем севере и в Евразии.

Внешняя оболочка листа оставляет после себя прочную, прозрачную пленку, которая сохраняется дольше, чем сам лист. Ботаники называют ее кутикулой, и она удерживает контуры клеток, из которых он был сформирован, на протяжении десятков миллионов лет.

Эти очертания зависят от света. Теневые листья формируют длинные, узкие клетки. Солнечные листья формируют более короткие, округлые клетки.

Для преобразования этого в числовые значения потребовались полевые исследования в живых лесах. На 41 участке в Коста-Рике, Эквадоре и Аргентине команда фотографировала крону деревьев сверху через объектив «рыбий глаз». Затем они измеряли клетки в опавшей листве под деревьями, по меньшей мере 33 фрагмента на каждом участке. Форма клеток точно соответствовала форме кроны.

Фотография, сделанная с помощью объектива «рыбий глаз», измеряет индекс листовой поверхности — количество листьев, расположенных на определенном участке земли. Пять означает примерно пять слоев листьев.

Данн сказал, что неожиданностью стало то, что обломки листьев вообще подходят для измерения площади древних лесов. Это был сложный вопрос в изучении древних экосистем. Затем команда провела аналогичные измерения окаменелой кутикулы в 82 образцах горных пород из Вайоминга: 32 образца были взяты до события, 16 — во время него и 34 — после.

По оценкам исследовательской группы, до потепления концентрация углерода в лесу Вайоминга составляла 4,3, что находится в пределах диапазона концентраций углерода в современном широколиственном лесу (3,9–5,7). Последний образец перед резким скачком концентрации углерода показал самую высокую плотность концентрации за всю историю наблюдений — 5,9.

Внутри зоны проведения мероприятия первый образец показывает значение 2,3, что на 61% меньше, чем в старом лесу, а доминирующие виды полностью меняются между двумя ярусами. В среднем по всей зоне проведения мероприятия значение составляет 2,8, что примерно на 35% ниже, чем в старом лесу, а на больших участках оно остается около 1,5, что соответствует показателям современных кустарниковых зарослей и сухих кустарников.

Эта последовательность имеет значение. Самый густой полог за всю историю наблюдений наблюдался непосредственно перед обвалом, который, возможно, был вызван дополнительным углекислым газом, выполнявшим свою функцию удобрения до наступления жары. Большие деревья, которые только что развили дополнительный полог, больше всего рисковали.

«Также удивительно, насколько точно реакция лесного полога соответствовала тому, что нам известно об изменениях в углеродном цикле во время палеоцен-эоценового термического максимума», — сказала Данн. По ее словам, когда выбросы углерода были наиболее интенсивными, леса пострадали больше всего.

Авторы объясняют гибель деревьев от жары и засухи. Данные о температуре на этом участке отсутствуют, поэтому они использовали измерения из близлежащего бассейна: среднее потепление составило около 5 °C, а летом температура превышала 40 °C.

Повышенная температура воздуха нагревает листья и почву. Нагретый лист быстрее теряет воду, и поры, которые должны её удерживать, работают хуже. Больше всего от этого страдают большие деревья, приспособленные к обильному поливу.

«Оказывается, избыток углекислого газа вреден для лесов, поскольку сопутствующее потепление и засуха вызывают стресс у деревьев и приводят к гибели многих из них», — сказала соавтор исследования Эллен Куррано из Университета Вайоминга.

Куррано сказала, что леса начинают меняться таким же образом и сегодня, особенно в Амазонии.

Земля изменилась вместе с деревьями. До и после событий это была болотистая местность, заболоченная и торфяная, источник угольных пластов бассейна. В этот период почвы осушились и покраснели.

Реки стали более извилистыми, оставляя после себя толстые слои песка и крупной гальки с высокогорья вокруг бассейна. Образцы с наименьшим листовым покровом содержат гораздо более древние окаменелости морского планктона, вымытые с эродированных склонов холмов и сброшенные в пойму.

Низкие показатели сохранялись на протяжении большей части события. Полог леса снова сомкнулся по мере стабилизации углеродного цикла, и самые густые леса за всю историю наблюдений появились позже, в начале эоцена, со средним показателем около 5,2. Самые высокие из этих показателей превышают все, что команда измерила в живом лесу.

«В случае с палеоценово-эоценовым термическим максимумом потребовалось более 100 000 лет, чтобы начать восстановление, а затем еще несколько десятков тысяч лет, чтобы полностью восстановиться», — говорят авторы исследования.

Леса могут вернуться к своему прежнему состоянию. Скорость этого процесса зависит от количества углекислого газа в воздухе и от того, как быстро этот углерод будет снова связан с окружающей средой. Вероятно, именно восстановление лесов сыграло важную роль в этом процессе, способствуя охлаждению планеты и восстановлению круговорота воды.

Потеря лесов приводит к обратному эффекту. Другие исследователи оценивают потери половины углерода в растениях и почвах примерно в 600 дополнительных частей на миллион в воздухе. Данные об эрозии и состоянии почвы за этот период подтверждают, что леса превратились из поглотителей углерода в его источники.

Спутники измеряют один и тот же показатель с 1982 года, и в течение примерно 18 лет планета становилась зеленее. Примерно в 2000 году ситуация изменилась на противоположную, охватив около 90% растительности, причем наиболее резкие изменения наблюдались в тропиках и средних широтах.

Данн поясняет, что гибель деревьев происходит сейчас повсюду на Земле из-за жары, засухи, насекомых, болезней и пожаров.

Авторы четко указывают на ограничения этого сравнения. Общее количество выброшенного тогда углерода сопоставимо с тем, что, по прогнозам, выбросит человечество в этом столетии, но это происходило на протяжении тысяч лет, а не нескольких сотен. В те времена, помимо высокой температуры, не было вырубки лесов или изменения режима пожаров.

Пока никто не может сказать, как быстро разрушился полог леса. Первые несколько тысяч лет изучены слишком поверхностно, чтобы это определить. Именно здесь и наблюдается расхождение между пологом леса и папоротниками: полог леса рухнул первым, и к тому времени, как папоротники заняли его место, он частично восстановился.

«Мы должны понимать, что леса играют ключевую роль в смягчении последствий наших выбросов, и мы должны действовать, чтобы защитить и восстановить их ради себя и ради планеты», — отмечает Данн. «Еще не поздно».

Для точного определения хронологии потребуется более плотный отбор проб в течение первых тысячелетий, из горных пород, содержащих фрагменты листьев.