29/05/2024
0При температуре выше 30°C потеря воды за счет транспирации деревьями увеличивается, а поглощение CO₂ снижается – даже если в атмосфере его достаточно. Исследователи из Швейцарского федерального института исследований леса, снега и ландшафта WSL смогли продемонстрировать это в исследовании, проведенном с использованием нового высокотехнологичного объекта. Это открытие важно для понимания того, как деревья адаптируются к изменению климата и связанному с ним повышению температуры.
Побег сидячего дуба ( Quercus petraea ) заключен в кювету для определения газообмена на уровне листьев , в которой контролируется интенсивность света, температура, дефицит давления пара (VPD) и концентрация CO₂. (Фото: Перес Висс)
Изменение климата приводит к увеличению подверженности растений воздействию высоких температур. Исследователи WSL изучили, как деревья адаптируются к экстремальным температурам в экспериментальных условиях. У всех изученных видов они обнаружили, что поглощение CO₂, которое позволяет растениям производить сахар из солнечного света во время фотосинтеза, снижается при температуре выше 30°C, в то время как потеря воды за счет транспирации продолжает увеличиваться. Новая экспериментальная установка под названием X i Box (см. фото ниже) позволила ученым поддерживать дефицит давления водяного пара (VPD) на постоянном уровне, постепенно повышая температуру.
Ограничения биохимии деревьев
Климатическая камера и рабочая станция «XiBox». (Фото: Марко Леманн, WSL)
Примечательно, что поглощение CO₂ снижается даже тогда, когда в воздухе и листьях его более чем достаточно. «Нам удалось исключить гипотезу о том, что снижение поглощения CO₂ при высоких температурах связано с уменьшением доступности CO₂. Это предполагает изменение биохимии деревьев при температуре около 30°C», — говорит руководитель исследования Марко Леманн. По мнению исследователя, меняются ферментативные процессы фотосинтеза из-за чего пропорция между потреблением воды и поглощением CO₂ увеличивается( при высоких температурах на тот же объем связанного углерода требуется больше воды). «Подводя итог, можно сказать, что тепло приводит к очень неэффективному фотосинтезу», — объясняет Леманн. Неэффективный фотосинтез в течение длительного периода времени может серьезно ухудшить рост, развитие и адаптацию деревьев (или растений) и в конечном итоге повлиять на всю лесную экосистему.
Ученые исследовали следующие породы деревьев: бук ( Fagus sylvatica ), ель ( Picea abies ), дуб сидячий ( Quercus petraea ) и липа мелколистная ( Tilia cordata ). «Все деревья отреагировали одинаково. Существенных различий между видами не было», — добавляет Леманн.
Понимание последствий изменения климата
Это устройство анализирует стабильные изотопы, которые являются ключевыми для понимания процессов газовой диффузии внутри листьев деревьев. (Фото: Марко Леманн, WSL)
Используя X i Box, ученые смогли подвергать растения воздействию различных задаваемых условий окружающей среды и контролировать их поведение посредством газообмена и изотопных измерений. Изотопы — это встречающиеся в природе варианты атомов одного и того же элемента с разной массой. Углерод, например, содержит как легкие, так и тяжелые варианты атомов. Соотношение легких и тяжелых изотопов меняется при поглощении CO₂ растением. «Изучение влияния температуры и влажности на газообмен между деревьями и атмосферой независимо друг от друга представляет собой серьезную проблему из-за сложного взаимодействия этих двух климатических факторов», — комментирует Леманн.
«Эксперименты были технически очень сложными. В X i Box мы можем проводить эксперименты и моделировать условия окружающей среды, которые в таком виде вряд ли осуществимы в естественных условиях», — продолжает он. По его словам, такое моделирование важно для лучшего понимания и прогнозирования способности растений и их функций адаптироваться к новым климатическим условиям и связанному с этим повышению температур.
Высокотехнологичное оборудование для исследования леса.
Экспериментальное моделирование воздействия экстремальных климатических условий часто бывает трудным, но оно абсолютно необходимо для исследований, чтобы лучше понять, как наши леса будут реагировать на более теплый, а иногда и более сухой климат будущего.
Чтобы улучшить потенциал лесных исследований, в последние годы в WSL был создан новый тип экспериментальной исследовательской установки: Экспериментальный ящик для растительного газообмена с высоким разрешением и изотопных исследований в экстремальных условиях, или X i Box.
Сердцем X i Box является климатическая камера площадью примерно два квадратных метра, которая позволяет ученым выращивать различные виды растений (например, молодые деревья, травянистые растения, травы) при различных сочетаниях света, относительной влажности и температурных условий. Инновационным является то, что выращивание и обработка растений могут осуществляться при оптимальном освещении и температуре до 40°C. X i Box оснащен современными высокоточными приборами для измерения потоков CO₂ и воды, а также лазерными спектрометрами для анализа соотношений изотопов углерода, кислорода и водорода в CO₂ и воде. Потоки и изотопы можно измерять одновременно с помощью системы переключения клапанов. Это дает возможность наблюдать за реакцией растений на условия окружающей среды в режиме реального времени. X i Box также оснащен электричеством, водой, интернетом, регулированием газов и системой кондиционирования.
