Что произойдет с мировыми лесами в условиях потепления? Поможет ли увеличение содержания углекислого газа в атмосфере расти деревьям? Или экстремальные температуры и осадки будут сдерживать рост? Все зависит от того, что больше ограничивает рост дерева: количество фотосинтеза или условия окружающей среды, влияющие на рост клеток дерева — фундаментальный вопрос в биологии деревьев, ответ на который до сих пор не был хорошо понят.

Исследование, проведенное учеными из Университета Юты с международной группой сотрудников, показало, что рост деревьев , по-видимому, в целом ограничивается не фотосинтезом, а скорее ростом клеток. Это говорит о том, что нам нужно переосмыслить то, как мы прогнозируем рост лесов в условиях меняющегося климата, и что леса в будущем, возможно, не смогут поглощать из атмосферы столько углерода, сколько мы думали.

«Дерево растет, как лошадь и телега, движущаяся вперед по дороге», — говорит Уильям Андерегг, доцент Школы биологических наук Университета США и главный исследователь исследования. «Но мы в основном не знаем, является ли фотосинтез чаще всего причиной или это расширение и деление клеток. Это был давний и сложный вопрос в этой области. И он имеет огромное значение для понимания того, как деревья будут реагировать на изменение климата».

Исследование опубликовано в Science.

Источник против приемника

В начальной школе мы изучили основы — деревья производят себе пищу посредством фотосинтеза, поглощая солнечный свет, углекислый газ и воду и превращая их в листья и древесину.

Однако в этой истории есть еще кое-что. Чтобы преобразовать углерод, полученный в результате фотосинтеза, в древесину, необходимо, чтобы древесные клетки расширялись и делились.

Таким образом, деревья получают углерод из атмосферы посредством фотосинтеза. Это источник углерода деревьев . Затем они тратят этот углерод на строительство новых клеток древесины — поглотителей углерода дерева.

Если рост деревьев ограничен источником, то он ограничен только тем, сколько фотосинтеза дерево может осуществлять, и рост дерева было бы относительно легко предсказать с помощью математической модели . Таким образом, повышение содержания углекислого газа в атмосфере должно ослабить это ограничение и позволить деревьям расти больше, верно?

Но если вместо этого рост деревьев ограничен поглотителем, то дерево может расти только настолько быстро, насколько его клетки могут делиться. Многие факторы могут напрямую влиять как на фотосинтез, так и на скорость роста клеток, включая температуру и доступность воды или питательных веществ. Таким образом, если деревья ограничены стоком, моделирование их роста должно включать реакцию стока на эти факторы.

Исследователи проверили этот вопрос, сравнив скорость истока и опускания деревьев на участках в Северной Америке, Европе, Японии и Австралии. Измерить скорость поглощения углерода было относительно легко — исследователи просто собрали образцы с деревьев, которые содержали записи о росте. «Извлечение ядер из стволов деревьев и измерение ширины каждого кольца на этих ядрах, по сути, позволяет нам реконструировать прошлый рост деревьев», — говорит Антуан Кабон, научный сотрудник Школы биологических наук и ведущий автор исследования.

Измерение источников углерода сложнее, но выполнимо. По словам Кэбона, исходные данные были измерены с помощью 78 башен вихревой ковариации высотой 30 футов и более, которые измеряют концентрацию углекислого газа и скорость ветра в трех измерениях на вершинах крон леса. «На основе этих измерений и некоторых других расчетов, — говорит он, — мы можем оценить общий фотосинтез древостоя в лесу».

Развязанный

Исследователи проанализировали собранные данные в поисках доказательств того, что рост деревьев и фотосинтез были процессами, которые связаны или связаны друг с другом. Они не нашли его. Когда фотосинтез увеличивался или уменьшался, не было параллельного увеличения или уменьшения роста деревьев.

«Сильная связь между фотосинтезом и ростом деревьев ожидается в том случае, когда рост деревьев ограничен источником», — говорит Кэбон. «Тот факт, что мы в основном наблюдаем развязку, является нашим основным аргументом в пользу того, что рост дерева не ограничен источником».

Удивительно, но разделение было замечено в средах по всему миру. Кэбон говорит, что они ожидали увидеть некоторое разъединение в некоторых местах, но «мы не ожидали увидеть такой широко распространенный паттерн».

Сила связи или развязки между двумя процессами может лежать в спектре, поэтому исследователей интересовало, какие условия приводят к более сильной или слабой развязке. Плодоносящие и цветущие деревья, например, демонстрируют иные отношения источник-приемник, чем хвойные деревья. Больше разнообразия в лесу увеличивает связь. Густые, покрытые лиственными пологами его уменьшали.

Наконец, связь между фотосинтезом и ростом усиливалась в теплых и влажных условиях, причем верно и обратное: в холодных и сухих условиях рост клеток деревьев более ограничен.

Кэбон говорит, что это последнее открытие предполагает, что проблема источника и поглотителя зависит от окружающей среды и климата дерева. «Это означает, что изменение климата может изменить распределение источников и стоков мировых лесов», — говорит он.

Новый способ смотреть вперед

Главный вывод заключается в том, что модели растительности, которые используют математические уравнения и характеристики растений для оценки будущего роста лесов, возможно, потребуется обновить. «Практически все эти модели предполагают, что рост деревьев ограничен источником», — говорит Кэбон.

Например, говорит он, современные модели растительности предсказывают, что леса будут процветать при более высоком уровне содержания углекислого газа в атмосфере. «Тот факт, что рост деревьев часто ограничивается стоком, означает, что во многих лесах этого может и не произойти».

Это имеет дополнительные последствия: в настоящее время леса поглощают и хранят около четверти наших нынешних выбросов углекислого газа. Если рост лесов замедляется, снижается и способность лесов поглощать углерод , а также их способность замедлять изменение климата.