30/06/2024
0Разбросанные по сотням миль, все они роняют свои плоды одновременно.
Николас Уайт / Нью-Йорк Таймс / Redux
Каждое лето, как по маслу, миллионы буковых деревьев по всей Европе синхронизируются, настраивая свою репродуктивную физиологию друг на друга. В течение нескольких дней деревья производят все семена, которые они произведут в течение года, а затем выпускают свои плоды на лесную подстилку, чтобы создать новое поколение и накормить окружающую экосистему.
Это репродуктивное зрелище, известное как мачтование, которое характерно для многих видов деревьев, но европейские буки уникальны в своей способности синхронизировать это поведение в континентальном масштабе. От Англии до Швеции и Италии — в разных часовых поясах и климатических условиях — каким-то образом эти деревья «знают», когда размножаться. Но как?
Группа экологов определила отличительный сигнал — то, что они называют «небесным стартовым пистолетом», — который, наряду с теплой погодой, запускает это явление. Их анализ данных о посеве за более чем 60 лет показывает, что европейские буковые деревья приурочивают свою мачту к летнему солнцестоянию и пику дневного света.
Это первый случай, когда ученые связали мачту с продолжительностью дня, хотя они до сих пор не знают, как деревья это делают. «Поразительно обнаружить такую резкую перемену на следующий день после солнцестояния. Это не выглядит случайно», — говорит Джорджио Ваккиано, лесной эколог из Миланского университета, который не принимал участия в исследовании.
Если дальнейшие исследования смогут показать, как именно деревья воспринимают дневной свет на молекулярном уровне, «это будет действительно впечатляюще», — говорит Уолт Кениг, почетный зоолог из Калифорнийского университета в Беркли, который не принимал участия в исследовании. Открытие генетического механизма, который управляет этим поведением во время солнцестояния, может приблизить исследователей к пониманию многих других загадок физиологии деревьев.
Экологи выдвигают различные теории, чтобы объяснить тайны мачты. Одна из идей заключается в том, что для ветроопыляемых растений, таких как бук, синхронизированное производство цветов повышает эффективность опыления — высокие, распространяющиеся шлейфы пыльцы, образующиеся во время мачтования, дают больше потомства. Это также может быть полезно, потому что мачтовые деревья проходят через периоды подъема и спада, с высокомачтовым плодородным летом, за которым следуют низкомачтовые бесплодные. (Исследователи в основном сходятся во мнении, что деревья используют маломачтовые годы для накопления ресурсов для высокомачтовых лет.) Из-за этой изменчивости синхронизированное мачтование, вероятно, имеет ценность в качестве защитного механизма: скудное производство семян в маломачтовые годы может уморить хищников голодом, а обильное производство в высокомачтовые годы может подавить их.
Таким образом, легко понять, почему мачтовые деревья синхронизируют производство семян. Однако понять, как они это делают, сложнее. Растения обычно синхронизируют свое размножение, синхронизируя его с одними и теми же погодными сигналами. А потепление температуры и обильные осадки хорошо коррелируют с скоординированным мачтованием, предполагая, что деревья синхронизируются с погодными сигналами.
Но три года назад эколог Михал Богдзевич и его команда из Университета Адама Мицкевича в Познани, Польша, обнаружили, что европейские буки координируют свое размножение на расстоянии около 900 миль, что является практически самой большой синхронизирующей реакцией среди всех видов деревьев в Европе. По их расчетам, площадь синхронизации больше, чем у ели обыкновенной, которая простирается всего на 600 миль и менее тесно коррелирует во времени.
Сила синхронизации между буками, казалось, бросала вызов стандартному объяснению: если только погода способствовала мачте, то дождливые дни в Англии и экстремальная жара в Италии должны были выбить мачту из синхронности. Тем не менее, европейские буки надежно держатся вместе, несмотря на огромные различия в региональной погоде.
«Это было удивительно и впечатляюще», — сказал мне Богдзевич. «Но в то время мы только что закончили статью, в которой говорилось… Это потрясающе, но мы не знаем, как [это работает]».
Затем команда случайно наткнулась на подсказку. Однажды летним вечером Богдзевич сидел на своем балконе и читал исследование, в котором было обнаружено, что время старения листьев — естественного процесса старения листьев каждую осень — зависит от того, когда местная погода потеплеет по отношению к летнему солнцестоянию. Вдохновленный этим открытием, он отправил статью в свою исследовательскую группу и созвал сеанс мозгового штурма.
Валентин Журне, эколог и постдок в лаборатории Богдзевича, отправился домой позже в тот же день, чтобы покопаться в данных. Мысль о том, что мачтование может быть связано с летним солнцестоянием, была «настолько стимулирующей», что Журне возлагал большие надежды на то, что она сможет объяснить удивительную синхронность. В течение нескольких часов Журне организовал массивный набор данных о буке, проанализировав ежедневное производство семян, начиная с 1952 года. Он соотнес данные с температурой и обнаружил точный всплеск мачты сразу после июньского солнцестояния и продолжающийся до середины июля.
Анализ Журне показал, что европейские буковые деревья делают мачту в ответ на летние температуры. Но изюминка в том, что они не роняют свои семена до тех пор, пока не почувствуют самый длинный день в году. Эта комбинация сигналов организует мачту широкораскидистых буковых деревьев в компактный период.
Это первый случай, когда исследователи определили продолжительность дня как сигнал для мачты. Хотя Кениг предупреждает, что результат является только корреляционным, он добавляет, что «существует очень мало предположений о том, как деревья делают то, что они делают».
Читать: Секрет «зрения» растений
Команда Богдзевича применила новый подход, анализируя ежедневные данные: экологи редко отслеживают поведение на таком детальном уровне, говорит Ваккиано. Регистрируя постепенные изменения в ответ на дневной свет, команда показала, что деревья реагируют на тонкие внешние сигналы в неожиданно узком окне.
Неудивительно, что деревья синхронизируют свои врожденные биологические часы с изменениями освещенности; Большинство организмов так или иначе это делают. Виды развили чувствительность к тому, сколько света доступно в 24-часовом окне, и этот сигнал — фотопериод — как было показано, влияет на целый ряд поведенческих факторов, от роста растений до зимней спячки, миграции и размножения.
Европейский бук также не является первым организмом, который был идентифицирован как отслеживающий продолжительность дня и солнцестояния. Например, перелетные певчие птицы на большие расстояния настраивают свои внутренние часы на фотопериод и используют летнее солнцестояние, чтобы рассчитать время гнездования и миграции, говорит Саиде Бани Ассади, биолог из Университета Манитобы. Многие кораллы используют продолжительность дня, чтобы начать нерест, но они предпочитают размножаться под покровом темноты, когда дни самые короткие, в период зимнего солнцестояния.
Команда Богдзевича в настоящее время сотрудничает с молекулярными биологами, чтобы найти механизмы, которые позволяют деревьям чувствовать летнее солнцестояние. В частности, они изучают ген CONSTANS, обнаруженный в геномах всех цветковых растений, который активируется в ответ на сезонные изменения и помогает регулировать циркадные часы. Некоторые растения используют пик экспрессии CONSTANS в сочетании с экспрессией других генов, чтобы приурочить свое цветение к удлинению дня. CONSTANS может быть вовлечен в обнаружение фотопериода вокруг солнцестояния, но, чтобы быть уверенными, исследователям необходимо секвенировать геномы бука, чтобы увидеть, происходит ли максимальная экспрессия генов сразу после самого длинного дня в году.
Если будет доказано, что солнцестояние активирует генетический механизм, это станет большим прорывом в этой области. В настоящее время существует мало данных, объясняющих, как деревья ведут себя так, как они себя ведут. Никто даже не знает, стареют ли деревья естественным образом и умирают, говорит Ваккиано. Экологи изо всех сил пытаются изучать деревья: от ветвей до корневой системы, части дерева очень мало говорят о физиологии дерева в целом. Что эксперты точно знают, так это то, что изучение того, как деревья чувствуют окружающую среду, поможет им ответить на вопросы, которые ставили их в тупик на протяжении десятилетий.
Меган Уиллкоксон — научный журналист из Бостона, штат Массачусетс.
