Два типа листьев для двух разных суровых погодных условий.
Прибрежные секвойи - удивительные деревья, которые ученые изучают на протяжении поколений. Мы знаем, что это самые высокие живые деревья, которые выжили на протяжении тысячелетий, сопротивляясь огню и вредителям. Поскольку секвойи долгоживущие, большие и устойчивые к гниению, леса, в которых они преобладают, хранят больше надземной массы и, следовательно, предположительно больше углерода, чем любая другая экосистема на Земле.
Тем не менее, работая над недавно опубликованным исследованием, мы с коллегами из Калифорнийского университета в Дэвисе и Кэлом Поли Гумбольдтом узнали секрет, который сидел прямо у нас под носом.
У секвойи, как оказалось, есть два типа листьев, которые выглядят по-разному и выполняют совершенно разные задачи. Эта ранее неизвестная особенность помогает деревьям адаптироваться как к влажным, так и к сухим условиям - способность, которая может быть ключом к их выживанию в меняющемся климате.
Достаточно воды
Где бы ни росли деревья, рано или поздно их листья намокают. Для деревьев во влажной среде это может быть проблемой, если их устьица покрыты пленками воды. Эти крошечные поры позволяют углекислому газу проникать в листья, поэтому дерево может объединять его с водой для создания растительной ткани посредством фотосинтеза. Листья многих деревьев, обычных для влажных лесов, имеют приспособления, препятствующие образованию этих водяных пленок.
Напротив, деревья, растущие в засушливых условиях, используют кратковременные периоды увлажнения листьев, чтобы поглощать ценную воду непосредственно через поверхность листьев, через специальные структуры листьев и даже через устьица. Но некоторые деревья, в том числе прибрежная секвойя, живут как во влажной, так и в сухой среде с интенсивными сезонными колебаниями.
Для широколиственных деревьев, таких как каменный дуб, который растет в средиземноморском климате с засушливым летом и дождливой зимой, эта проблема сезонной влажности относительно легко решается. Их устьица находятся на защищенной нижней стороне листьев, что защищает их от воды, в то время как верхняя поверхность листьев поглощает воду. Но секвойи - это хвойные или шишковидные деревья с тонкими, плоскими игольчатыми листьями, и им нужен другой способ сбалансировать конкурирующие цели отталкивания и поглощения воды.
Мы знали, что хотим изучить, как секвойи справляются с парадоксальной проблемой увлажнения листьев, сколько воды могут поглощать секвойи и какие особенности листьев вызывают различия в водопоглощающей способности. То, что мы узнали, стало полной неожиданностью.
Большие деревья с большими секретами
Ученым давно известно о способности секвойи поглощать воду через листья. Но выяснить, сколько воды могут поглощать секвойи таким образом, и как эта способность может меняться в зависимости от типа климата, для этого вида является настоящей проблемой.
Во-первых, большое красное дерево имеет более 100 миллионов листьев с огромной площадью поверхности для поглощения воды. И эти листья резко меняют структуру с высотой, переходя от длинных и плоских к коротким и шиловидным. Таким образом, мы не смогли бы добиться этого, просто собирая листья на уровне земли.
Что еще больше усложняет ситуацию, гравитация всегда давит на гигантский столб воды, поднимающийся вверх через ствол секвойи. В результате листья на верхушке дерева всегда имеют меньше доступной воды, чем листья внизу. Присущая верхушке дерева сухость должна втягивать воду в лист быстрее, чем в богатые водой листья внизу, точно так же, как сухая губка впитывает воду быстрее, чем влажная.
Для точного представления о том, как секвойи поглощают воду, нам нужны листья с деревьев во влажной и сухой среде, а также с разных высот на этих деревьях. Чтобы довести их до естественного уровня воды, основанного на силе тяжести, для анализа, мы поместили образцы листьев в камеру тумана - в данном случае это был ящик со льдом, подключенный к комнатному увлажнителю, - и измерили прибавку в весе с течением времени, чтобы увидеть, сколько воды в них содержится. мог поглотить.
След подсказок
Разбирая пучки побегов секвойи, чтобы погрузить их в туман, мы разделили каждый куст на части. Грозди побегов красного дерева отходят веером от древесной сердцевины и делятся на отдельные побеги разного возраста, каждый со своим набором листьев. Мы отделили побеги вдоль древесной центральной оси от гораздо более обычных гибких побегов на внешних краях каждой группы.
Быстро стало очевидно, что побеги с центральной оси имеют листья, которые могут поглощать воду в три раза быстрее, чем периферические листья. Когда мы заглянули внутрь листьев под микроскопом, то поняли, что это два совершенно разных типа. Внешне они тоже не похожи, но это было настолько неожиданно, что нам нужно было увидеть их внутреннюю структуру, чтобы убедиться в этом.
Осевые листья были заполнены клетками для хранения воды, но их флоэма - трубки в листьях, которые экспортируют фотосинтетические сахара в дерево - оказались заблокированными и бесполезными. Если у дерева есть листья, общепринятое мнение состоит в том, что они предназначены для фотосинтеза, но мы задались вопросом, служат ли осевые листья другой цели.
Широкие периферические листья секвойи, показанные слева, составляют около 95% площади листьев деревьев и выполняют весь фотосинтез. Их осевые листья (справа) способны поглощать воду. (Алана Чин, CC BY-ND)
Проведя некоторые дополнительные измерения, мы обнаружили, что осевые листья секвойи специализируются на поглощении воды. Различия между поверхностями осевых и периферических листьев, особенно их восковым покрытием, вызывают различия в степени их водопоглощения.
В отличие от осевых листьев, периферические листья секвойи имеют восковидную поверхность с большим количеством устьиц. Это помогло объяснить, как они фотосинтезируют круглый год, независимо от продолжительного сезона дождей на большей части их нынешней среды обитания.
Дальнейший анализ показал, что осевые листья секвойи составляют лишь около 5% от общей площади листьев деревьев и едва производят достаточно энергии посредством фотосинтеза, чтобы поддерживать себя. Но на их долю приходится до 30% общей водопоглощающей способности деревьев. Вместе эти два типа листьев уравновешивают дуэльные требования фотосинтеза и поглощения воды, позволяя секвойе процветать как во влажной, так и в сухой среде обитания.
Используя крупномасштабные измерения деревьев и уравнения для оценки площади листьев секвойи, мы подсчитали, что эти жаждущие гиганты могут поглощать до 105 фунтов (48 кг) воды в первый час дождя, смачивая их листья. Это эквивалентно 101 пинте пива.
Значение секвойи
Понимание того, что вызывает различия в поглощающей способности листьев красного дерева, может помочь нам оценить различия в способности поглощать воду между деревьями и окружающей средой сейчас и в будущем. На мой взгляд, это наиболее потенциально полезная часть нашего исследования.
Секвойя различает два типа листьев в зависимости от местного климата. Во влажных тропических лесах в северной части своего ареала, над округом Мендосино, деревья вкладывают меньше осевых листьев, которые специализируются на поглощении воды. Эти листья сосредоточены в нижних кронах деревьев, оставляя верхушки деревьев с высокой производительностью фотосинтеза свободными для максимального производства сахара на ярком солнце.
Воск на поверхности листа красного дерева. Белые точки - водостойкие пробки в устьицах. (Марти Рид, CC BY-ND)
В сухих лесах на южных окраинах ареала секвойи деревья имеют больше осевых листьев на верхушках, подверженных воздействию воды. Это позволяет им лучше использовать более короткие периоды увлажнения листьев, но это означает, что они фотосинтезируют меньше на площадь листа, чем секвойи в более влажных местах.
Способность секвойи менять тип листьев в соответствии с региональными климатическими различиями может помочь им приспособиться к изменению климата во все более сухой Калифорнии. Это было бы хорошей новостью для сохранения этих легендарных деревьев, и это может быть многообещающей особенностью для изучения, поскольку ученые пытаются связать черты устойчивости к засухе с региональными различиями среди популяций секвойи.
Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите исходную статью.