Исследователи из ETH Zurich определили механизм саморегуляции европейских лиственных деревьев, который ограничивает продолжительность их вегетационного периода: деревья, которые больше фотосинтезируют весной и летом, теряют листья осенью раньше.
Листья лиственных деревьев умеренного пояса светятся во всей своей желто-красной красе непосредственно перед падением, сигнализируя о наступлении осени. Этот процесс, называемый старением листьев, позволяет деревьям подготовиться к предстоящей зиме, приостанавливая свой рост и извлекая питательные вещества из листвы. В фенологическом цикле деревьев старение листьев знаменует собой конец продуктивного периода, в течение которого они поглощают CO2 посредством фотосинтеза.
Глобальное потепление привело к увеличению вегетационного периода в последние годы: появление весенних листьев на европейских деревьях произошло примерно на две недели раньше, чем 100 лет назад, а осеннее старение произошло примерно на шесть дней позже. Обычно ожидается, что старение будет по-прежнему задерживаться в условиях потепления климата, что приведет к увеличению количества углерода, улавливаемого этими растениями при изменении климата.
Однако исследователи из ETH Zurich пришли к противоположному выводу. В исследовании, опубликованном в журнале Science, они продемонстрировали саморегулирующийся механизм, ограничивающий продуктивный период. Повышенный фотосинтез весной и летом приводит к более раннему старению, что может привести к более раннему листопаду осенью.
Ограничение стока как фактор старения
«Точные прогнозы вегетационного периода деревьев раньше были трудными, так как факторы старения листьев не были хорошо изучены», - говорит Константин Зонер, руководитель исследования и старший научный сотрудник лаборатории ETH Zurich Crowther Lab.
До сих пор ученые обычно предполагали, что после окончания лета осеннее снижение температуры и продолжительности дня являются основными сигналами, определяющими сроки старения листьев. Некоторые исследования дополнительно показали, что появление листьев весной влияет на отмирание листьев осенью. «Но поскольку важность этих механизмов оставалась неясной, фенологические модели в лучшем случае лишь частично могли учитывать такие эффекты», - говорит биолог.
Зонер подозревал, что связь между весенней и осенней фенологией может быть объяснена фотосинтетической активностью, или, точнее, явлением ограничения стока углерода. В этой гипотезе дефицит питательных веществ в почве, таких как азот, помимо прочего, ограничивает количество CO2, которое растение может поглощать в течение сезона. Чем больше углерода поглощают деревья весной и летом, тем раньше должно начинаться старение листьев.
Эта роль фотосинтеза в контроле старения листьев давно известна, например, для сельскохозяйственных культур, но никогда не проверялась на деревьях. Именно это побудило исследователей ETH Zurich исследовать движущие силы осенней фенологии с помощью комбинированного подхода полевых наблюдений, лабораторных испытаний и моделирования.
Сильный эффект фотосинтеза
В основу исследования легли многолетние наблюдения за шестью европейскими лиственными породами деревьев за последние шесть десятилетий. Используя эти данные, команда Зонера проверила относительное влияние различных факторов на сроки осеннего старения, включая появление листьев весной, сезонный фотосинтез, концентрацию CO2, температуру и осадки..
Кроме того, исследователи также провели серию экспериментов с саженцами в климатических камерах и на открытом воздухе. Это позволило им выделить влияние температуры, дневного света и содержания CO2, которые определяют корреляцию между фотосинтезом и старением листьев..
Многолетние наблюдения выявили сильное влияние фотосинтеза: в годы с усилением фотосинтеза весной и летом старение листьев начиналось раньше, причем каждое десятипроцентное увеличение фотосинтетической активности опережало старение листьев на восемь дней. Эксперименты подтвердили эти выводы.
Новая модель осеннего старения
«Наши анализы показывают, что сезонный фотосинтез, осенние температуры и продолжительность дня являются ключевыми факторами старения», - говорит ведущий автор Дебора Зани, объясняя задействованные силы. «Несколько других факторов, таких как атмосферные концентрации CO2, летние температуры, уровень освещенности и осадки, также, по-видимому, влияют на старение, но только косвенно, через воздействие на фотосинтез».
Более теплая осень в условиях изменения климата, как правило, отсрочивает старение. Однако этому эффекту противодействует усиление фотосинтеза весной и летом за счет повышения концентрации CO2, более теплых летних периодов и более раннего появления листьев..
Зани и Зонер разработали новую модель осенней фенологии, которая учитывает все факторы в соответствии с их весомостью. Эта модель позволила исследователям предсказать сроки осеннего старения за последние шесть десятилетий с точностью до 42 процентов по сравнению с предыдущими моделями.
Затем авторы использовали эту модель для получения обновленных прогнозов сроков старения листьев в течение остального века, и результаты оказались весьма неожиданными. До сих пор ожидалось, что к концу века старение наступит на две-три недели позже. «Наша новая модель предполагает обратное: если фотосинтез продолжит расти, листья увядают на три-шесть дней раньше, чем сегодня», - говорит Зани. «Это означает, что к концу века вегетационный период будет продлен всего на 8-12 дней, что примерно в два-три раза меньше, чем мы предполагали ранее», - добавляет Зани. Она провела анализ данных и моделирование в рамках своей магистерской диссертации в Crowther Lab.
Влияние на углеродный баланс
В своем исследовании ученые использовали данные Панъевропейского фенологического проекта, оценив в общей сложности 434 000 фенологических наблюдений в 3 800 точках Центральной Европы в период с 1948 по 2015 год. Были изучены шесть репрезентативных видов: конский каштан европейский, береза повислая, бук европейский, лиственница европейская, дуб черешчатый и рябина.
Авторы рассматривают свое исследование как доказательство того, что леса умеренного пояса обладают ограниченной способностью поглощать CO2: «Сезонное поглощение CO2 будет вероятно, увеличивается в меньшей степени с повышением температуры, чем предсказывали старые модели», - говорит Зонер. Исследователи ETH Zurich теперь хотят лучше понять ограничения поглотителей углерода в лесах Земли.