Природа изобилует симбиотическими отношениями, некоторые из которых происходят вне поля зрения, например, богатый подземный обмен питательными веществами, который происходит между деревьями и почвенными грибами.
Но то, что происходит в темноте, может иметь серьезные последствия и над землей: крупное новое исследование показывает, что почвенные грибы могут играть важную роль в способности лесов адаптироваться к изменениям окружающей среды.
Кай Чжу, доцент кафедры экологических исследований Калифорнийского университета в Санта-Круз, применил уникальный подход «больших данных» для изучения роли симбиотических грибов в миграции деревьев в лесах на востоке США.
«Наш климат быстро меняется, и наши леса реагируют, но очень медленно - это едва заметно», - сказал Чжу, который хотел определить факторы, влияющие на скорость этой реакции.
В лесах рост деревьев во многом зависит от питательных веществ, имеющихся в почве, а перенос углерода через корни в почву регулирует экосистемные процессы. Микоризные («MY-koe-RY-zull») грибы растут на корнях большинства растений и обеспечивают обмен питательными веществами и углеродом между растениями и почвой: они поглощают углеродные ресурсы своих хозяев и обеспечивают почву питательными веществами, в которых нуждаются растения. Двумя наиболее распространенными грибами, связанными с лесными деревьями, являются: эктомикоризный (ECM), который растет на хвойных деревьях, включая сосны, а также дубы и буки; и арбускулярные (AM), которые растут на большинстве нехвойных пород, таких как клены.
Чжу использовал данные программы инвентаризации и анализа лесов Министерства сельского хозяйства США, чтобы изучить, как различаются уровни углерода и азота в почве в лесных насаждениях, которые характеризуются деревьями с преобладанием AM и деревьями с преобладанием ECM. Он сопоставил распределение деревьев с почвенными грибами и содержанием, затем проанализировал распределение деревьев по типу грибов. В наиболее важном открытии Чжу удалось идентифицировать различные «сигнатуры» почвенного азота, которые воздействуют на почвы и экосистемы таким образом, что могут определить устойчивость лесов к изменению климата..
В частности, отношение углерода к азоту в почве увеличивается с увеличением преобладания ECM - даже с учетом климата, текстуры почвы и лиственного азота. Более того, доминирование ECM больше связано с низким содержанием азота в почве, чем с высоким содержанием углерода в почве.
«Эти результаты показывают, что деревья AM и ECM имеют различный успех в зависимости от градиента плодородия азота, или, возможно, что деревья AM и ECM способствуют различиям в скорости цикла углерода и азота из-за особенностей, связанных с усвоением азота», - сказал он. «Оба процесса могут происходить одновременно, что приводит к самоусиливающейся положительной обратной связи между растением и почвой."
Выводы Чжу предполагают, что микоризная гильдия может быть новой «функциональной чертой».
Функциональные черты - это те, которые определяют виды с точки зрения их экологических ролей - как они взаимодействуют с окружающей средой и с другими видами. Как таковые, они предсказуемы и легко измеряются с земли или со спутника, что делает их особенно ценными для ученых, которые следят за реакцией окружающей среды на изменение климата. «Они говорят нам, как реагирует экосистема», - сказал Чжу.
«Пока нет доказательств того, что восточные леса смещают свои географические ареалы в более высокие широты в ответ на потепление», - сказал Чжу. «Но понимание того, как микоризные отношения влияют на экосистемы, поможет нам предсказать, как леса будут реагировать на глобальные изменения».
Исследование Чжу, опубликованное в Журнале экологии, является одним из первых, в котором используется крупномасштабный набор данных Министерства сельского хозяйства США, чтобы увидеть, как изменение климата влияет на экосистему, подход, известный как «сверху вниз», а не « снизу вверх."
Как ученый-эколог, Чжу использует инструменты статистики и науки о данных для изучения глобальной экологии. Вместо того, чтобы измерять грибковые признаки в почве и масштабировать их, Чжу использует существующие данные, в том числе крупномасштабные наборы данных, созданные спутниками, для изучения закономерностей и процессов, происходящих в континентальном и глобальном масштабах. «Большие данные становятся все более популярными и мощными, - сказал он. «Это отличается от традиционных исследований в области экологии, которые проводятся в лаборатории или в полевых условиях».
Чжу, который занимается физикой и теорией систем, делает свою работу по изменению климата чрезвычайно актуальной. Его исследования сосредоточены на четырех областях: лесных экосистемах, пастбищах, почве и фенологии, которые Чжу описывает как «календарь природы».
Чжу полон решимости внести солидный вклад в область, в которой большая часть доказательств является неполной и неубедительной.
«Мы знаем, что окружающая среда меняется, но как это влияет на Землю и ее системы - большой вопрос», - сказал он.«Как ученые, мы несем ответственность за правильное решение этой проблемы - это проблема, которая важна для ученых и широкой общественности».