Сосны становятся временно бесплодными под воздействием ультрафиолетового излучения, настолько интенсивного, как, по мнению некоторых ученых, испытала Земля 252 миллиона лет назад во время крупнейшего массового вымирания на планете, что подтверждает теорию о том, что истощение озонового слоя способствовало кризису.
Влияние сильного УФ-излучения на хвойные и, возможно, другие деревья также требует осторожности сегодня при введении химических веществ, разрушающих озоновый слой Земли, который еще предстоит восстановить после глобального запрета на хлорфторуглеродные хладагенты в 1980-х годах, введенного после того, как озоновые дыры образовались над полюса. Некоторые промышленные химикаты также разрушают атмосферный озон, который является солнцезащитным фильтром планеты, защищая все живое от чрезмерного количества УФ-лучей, в частности от длин волн УФ-В, которые вызывают мутации в ДНК.
Результаты эксперимента, который провел аспирант Калифорнийского университета в Беркли Джеффри Бенка, будут опубликованы 7 февраля в онлайн-журнале Science Advances.
Benca облучала 18-дюймовые сосны, похожие на бонсай, дозами УФ-В до 13 раз сильнее, чем на Земле сегодня, имитируя последствия истощения озонового слоя, вызванного огромными извержениями вулканов, которые произошли в конце Пермский период. В ходе двухмесячного эксперимента ни одно из деревьев не погибло, но все семенные шишки или сосновые шишки сморщились всего через несколько дней после появления всходов, оставив деревья бесплодными.
При размещении на открытом воздухе деревья вновь обрели способность производить здоровые семенные шишки в более поздние годы.
Ученые предположили, что истощение озонового слоя, вызванное периодическими извержениями вулканов в течение почти миллиона лет, было одной из причин вымирания в конце пермского периода, но как это было неясно. Кислотные дожди были бы локальным эффектом, но вымирание почти 70 процентов известных наземных животных, 95 процентов морских обитателей и многих родов растений было глобальным.
Предыдущие исследования по моделированию палеоклимата предполагают, что извержения вулканов могли уничтожить озоновый слой во всем мире, хотя и временно. Тем не менее, даже если бы древние деревья восстановили свою фертильность, повторные приступы бесплодия могли со временем затормозить рост населения, что привело бы к коллапсу биосферы по всей планете, считает Бенка..
Долгосрочный коллапс биосферы
«Во время кризиса в конце пермского периода леса могли частично или полностью исчезнуть из-за повышенного воздействия ультрафиолета», - сказал Бенка. «Поскольку происходят импульсы вулканических извержений, мы ожидаем, что импульсное ослабление озонового щита может привести к сокращению лесов, ранее наблюдаемому в летописи окаменелостей».
«Если вы неоднократно разрушаете некоторые из доминирующих линий растений во всем мире, вы можете вызвать трофические каскады, дестабилизируя основу пищевой цепи, что не очень хорошо работает для наземных животных», - добавил он..
Неожиданные результаты говорят ученым кое-что о прошлых вымираниях и будущих перспективах Земли, поскольку изменение климата, разрушение среды обитания и загрязнение готовят нас к шестому массовому вымиранию Земли.
Палеонтологи придумали различные сценарии массового вымирания, но на жизнь растений может повлиять не внезапная смерть, а прерывание одной части жизненного цикла, например размножения, в течение длительного периода времени., что приводит к сокращению популяции и потенциальному исчезновению», - говорит соавтор Синди Лой, доцент кафедры интегративной биологии Калифорнийского университета в Беркли..
«Глобальные катастрофы биоразнообразия связаны не со смертью, а с обрезкой эволюционных ветвей на дереве жизни со скоростью, намного превышающей рост новых побегов», - добавил соавтор Иво Дайнсти, адъюнкт-профессор интегративная биология. «Джефф, который использовал свои камеры для выращивания растений в качестве машины времени, чтобы проверить потенциал гипотезы о том, что могло произойти 252 миллиона лет назад, представляет собой прекрасный пример, иллюстрирующий, как медленно разворачивающееся вымирание на суше в течение, возможно, десятков или сотен тысяч лет назад годы могли быть вызваны репродуктивными проблемами в основании пищевой цепи."
Вулканы Сибири
Вымирание в конце пермского периода, как полагают, было вызвано извержениями вулканов в Сибири на протяжении сотен тысяч, если не миллионов лет, которые образовали то, что сегодня известно как Сибирские траппы: лавовые поля, покрывающие большую часть северной Россия и первоначально охватывала почти 3 миллиона квадратных миль со средней толщиной около 1000 футов.
В 2004 году Лой и ее бывший доктор философии. Советник Хенк Висшер предложил один из возможных вариантов развития событий, основанный на окаменелых аномальных спорах растений, найденных по всему миру: вулканические газы - галоидоуглеводороды, такие как метилхлорид и метилбромид - разрушили большую часть или весь озоновый слой Земли, усилив воздействие УФ-В, которое могло бы повлиять на жизнь и потенциально увеличили скорость генетических мутаций в пыльце и спорах растений по всему миру.
Доказательств этой гипотезы стало больше в 2005 году, когда независимая исследовательская группа во главе с Клинтоном Фостером из Geoscience Australia обнаружила уродливые зерна пыльцы семенных растений конца пермского периода. Увеличение процента неправильно сформированной пыльцы, наблюдаемое как в Северном, так и в Южном полушариях, совпало с сокращением площади лесов во всем мире.
Найти доказательства механизмов уродства в окаменелостях пыльцы возрастом 252 миллиона лет невозможно, поэтому Лой и другие искали другие способы определить, нарушил ли повышенный уровень УФ-В экосистему в конце пермского периода. Бенка провел серию экспериментов с живыми растениями для проверки гипотезы.
Первый эксперимент с использованием сосны был разработан, чтобы выяснить, могут ли высокие уровни УФ-В вызывать деформацию пыльцевых зерен у современных семенных растений, подобных описанным Фостером, и могут ли эти деформации влиять на репродукцию. Втиснуть взрослую сосну в лабораторию было камнем преткновения, пока Бенка не нашла новое решение: использовать карликовый сорт, отобранный для бонсай, который легко производит пыльцу и семенные шишки..
В 2013 году он перевез 60 карликовых клоновых сосен в Беркли из хвойного питомника в Боринге, штат Орегон. После акклиматизации их в течение года на открытом воздухе, на ярком солнце, в скудной воде и бедной питательными веществами почве - типичных условиях для этого альпийского вида, Pinus mugo - провела 56-дневный эксперимент в помещении с использованием мощных ламп УФ-В излучения.
В трех отдельных крытых УФ-камерах Бенка подвергла карликовые сосны воздействию УФ-В, интенсивность которого в 7,5, 10 и 13 раз превышала нормальную для Беркли интенсивность УФ-В, в соответствии с оценками воздействия извержений Сибирской ловушки на озоновый слой, если бы их выбросы происходили в течение различных промежутков времени, от 400 000 лет до менее чем 200 000 лет.
Действительно, сосны производили уродливую пыльцу. При среднем и экстремальном воздействии от 12 до 15 процентов пыльцевых зерен были деформированы по сравнению с 3 процентами у деревьев с нормальным и низким воздействием. По словам Бенки, предыдущее исследование Фостера показало, что урожайность пыльцы с более чем 3 процентами деформированных зерен связана с экологическим стрессом у современных хвойных деревьев. В общей сложности он провел три года, проводя эксперименты и сравнивая более 57 000 пыльцевых зерен, производимых деревьями в камерах.
К изумлению исследователей, однако, все деревья, подвергшиеся воздействию повышенного уровня ультрафиолета, стали бесплодными. Их семенные шишки сморщились, прежде чем они успели оплодотвориться. Судя по всему, это системная реакция на стресс от УФ-В, поскольку погибли даже семенные шишки, спрятанные среди листвы.
«Система, которую мы использовали, была довольно консервативной, - сказал Бенка. «В отличие от относительно незащищенных семенных структур пораженных семенных растений конца пермского периода, сегодняшние сосны имеют сложные и очень сильно укрепленные, переплетенные чешуйки шишек, которые защищают их семена от хищников и внешней среды. Тем не менее, эти деревья просто выбросили все свои семена. Pinus mugo - альпийский вид, который должен быть достаточно устойчивым к повышенному уровню УФ-излучения».
То, что эксперимент Джеффа с УФ-В-взрывом - что-то вроде рассчитанного дальнего выстрела - вызвал аномалии пыльцы в современном хвойном дереве, подобные аномалиям, наблюдаемым в микрофоссилиях возрастом 252 миллиона лет, было одной из самых захватывающих вещей, которые я мы видели это десятилетие», - сказал Дуйнсти.
Исследование было поддержано Национальным научным фондом (1000135655, 1457846), Исследовательским советом Норвегии через Центр эволюции и динамики Земли (CEED) (223272. L.) и премией Палеонтологического общества Ричарда Бамбаха.