Среди экологов вся слава достается углероду. Ученые изучают его критическую роль в росте и разложении растений, определяют его вклад в парниковые газы и измеряют его секвестрацию на земле, в море и в небе.
Во всех этих исследованиях часто упускается из виду скромный элемент кремний, или «кремнезем», как его называют, когда он встречается в природе. Если экологи (или биологи, или биогеохимики) вообще думают о кремнеземе, они считают его второстепенным игроком, бесполезным компонентом камней и песка.
«Силика не любит», - говорит Уолли Фулвейлер, адъюнкт-профессор Земли, окружающей среды и биологии Бостонского университета. "Так и должно быть."
Фулвейлер отмечает, что кремнезем играет ключевую роль в болотных и океанских экосистемах. Примечательно, что он образует внешние оболочки диатомовых водорослей, микроскопических организмов, которые служат глубоководными резервуарами для хранения углекислого газа. «В долгосрочной перспективе диатомовые водоросли играют важную роль в регулировании нашего глобального климата», - говорит Фульвейлер. «Итак, если вы океанограф, вы любите кремнезем. Но если вы, скажем, лесной эколог, вы, вероятно, мало думаете о кремнеземе, и вы определенно мало думаете о том, как деятельность человека изменила кремнезем. езда на велосипеде."
Биолог Тим Магуайр изучил тонкие корни деревьев сахарного клена, чтобы понять, как изменение климата может повлиять на поглощение кремнезема. Но недавно Тим Магуайр, кандидат биологических наук в лаборатории Фулвейлера, выступил, чтобы воздать должное кремнезему. Магуайр (GRS'17) пытается понять, как изменение климата может повлиять на «жизненный цикл» кремнезема, поскольку элемент перемещается из горных пород в грунтовые воды, а затем через растения в реки и океаны.
Ученые знают, что деревья играют важную роль в качестве «кремнеземных насосов» - высасывают кремний из грунтовых вод, преобразуют его в биологически доступную форму и либо сохраняют, либо выталкивают обратно в экосистему в более биологически пригодной форме. - но немногие количественно оценили этот эффект. Недавняя работа Магуайра, финансируемая Фондом Альфреда П. Слоана и опубликованная в Журнале геофизических исследований: биогеонауки в марте 2017 года, показала, что деревья, по крайней мере, сахарные клены, могут иметь гораздо большую насосную мощность, чем ожидалось, а также могут быть более глубокими. пострадали от изменения климата, поскольку более теплые зимы повреждают их уязвимые корни.
«Это одна из первых статей, показывающая прямую связь между тем, как мы изменяем климат, и тем, что это может означать для наличия кремнезема, а также связи между сушей и морем», - говорит Фулвейлер, соавтор статьи.«Это еще один способ, которым мы тревожим то, что даже не начали понимать».
Зимняя температура воздуха на северо-востоке США неуклонно повышалась на протяжении десятилетий и сейчас в среднем на 2,5 градуса по Фаренгейту выше, чем в 1950-х годах, по данным Лесной службы США. «Это привело к тому, что снега стало намного меньше, чем раньше», - говорит Памела Темплер, профессор биологии BU и соавтор статьи Магуайра. «Сейчас примерно на 20 дней в году меньше, когда снег покрывает землю, а снежный покров становится тоньше и менее предсказуем». Чтобы измерить влияние этой тенденции к потеплению на леса Новой Англии с умеренным климатом, с 2008 по 2012 год Темплер провел эксперимент, финансируемый Фондом Эндрю Меллона и Исследовательским кооперативом Северо-Восточных штатов Министерства сельского хозяйства США, в экспериментальном лесу Хаббард-Брук в Нью-Гэмпшире, удаляя снежный покров. из четырех участков леса для имитации более позднего снегопада и меньшего количества снега, а также для измерения воздействия на растения и деревья. Среди прочего Темплер обнаружил, что снежный покров, что несколько парадоксально, действует как изолирующее одеяло, защищая корни деревьев от замерзания.
«Мы обнаружили много негативных последствий, когда вы убираете снег, замораживаете почву и повреждаете деревья», - говорит Темплер. Но она никогда не думала о том, чтобы взглянуть на кремнезем, пока Магуайр не подошел к ней и не спросил, остались ли у нее образцы из Хаббард-Брук. Поскольку диоксид кремния не находится в газообразном состоянии, он остается неповрежденным в хранящихся образцах. «Итак, мы полезли в наши архивы и достали несколько корней, а затем он переработал их на кремнезем», - говорит Темплер.
Магуайр исследовал корни сахарного клена, которые чувствительны к замерзанию, потому что они растут относительно близко к поверхности. Он специально проверил тонкие корни, эти тонкие, нитевидные усики, которые поглощают воду и питательные вещества из почвы. Его первое удивительное открытие: тонкие корни сахарного клена составляют всего около 4 процентов биомассы дерева, но содержат колоссальные 29 процентов кремнезема. А когда они были повреждены заморозками, количество кремнезема в тонких корнях упало на поразительные 28 процентов.
Это может быть плохо для отдельных деревьев, где кремнезем играет несколько важных ролей, таких как придание структуры листьям, защита от вредоносных грибков и, как подозревает Магуайр, укрепление крошечных корней, чтобы они могли пробиваться сквозь каменистую почву Новой Англии. Но экологические последствия ниже по течению могут быть еще более глубокими. Если этот процент верен для всех кленовых деревьев в среднем лесу, подсчитал Магуайр, то замораживание корней может значительно снизить поглощение кремнезема, около 31 процента кремнезема, регулярно выкачиваемого из умеренных лесов в реки, озера и ручьи..
«Во многих случаях, когда вы проводите подобные исследования, вы получаете статистический результат, который не имеет большого значения в реальном мире», - говорит Магуайр. «Это не тот случай здесь». Что эти результаты означают для экосистемы Новой Англии - или любой экосистемы, если на то пошло - до сих пор в значительной степени неизвестно, что Магуайр и его коллеги связывают с «загадочными последствиями» изменения климата.
«Никто из нас не думает, что мы собираемся внезапно остановить весь кремнеземный насос», - говорит Темплер. «Но это предполагает, что с меньшим снежным покровом и более сильным промерзанием почвы мы можем увидеть значительные изменения в том, сколько кремнезема попадает в водные экосистемы, безусловно, через растения».
«Это открывает дверь», - говорит Магуайр об исследовании, показывающем неожиданное, потенциально огромное воздействие на экосистемы, которое остается в значительной степени неизученным. «Все, что мы знаем наверняка, - говорит Магуайр, - это то, что если потепление продолжится, что-то изменится.