Деревьям тоже не нравится дышать дымом от лесных пожаров, и они задерживают дыхание, чтобы избежать этого

Деревья и другие растения не могут укрыться от дыма лесных пожаров. Патрик Т. Фэллон/AFP via Getty Images

Когда в воздухе висит дым от лесных пожаров, врачи призывают людей оставаться в помещении, чтобы не вдыхать вредные частицы и газы. Но что происходит с деревьями и другими растениями, которые не могут укрыться от дыма?

Оказывается, они реагируют примерно так же, как и мы: Некоторые деревья, по сути, закрывают окна и двери и задерживают дыхание.

Как ученые, изучающие атмосферу и химию, мы исследуем качество воздуха и экологические последствия дыма от лесных пожаров и других загрязняющих веществ. В ходе исследования, которое началось совершенно случайно, когда дым захлестнул наш исследовательский полигон в Колорадо, мы смогли в режиме реального времени наблюдать за реакцией листьев живых сосен.

Как дышат растения

На поверхности листьев растений есть поры, называемые стоматами. Эти поры похожи на наши рты, только мы вдыхаем кислород и выдыхаем углекислый газ, а растения вдыхают углекислый газ и выдыхают кислород.

Увеличенный вид стомы в листе кукурузы. Umberto Salvagnin/Flickr, CC BY

И люди, и растения вдыхают другие химические вещества, содержащиеся в окружающем их воздухе, и выдыхают химические вещества, вырабатываемые внутри них – кофейное дыхание для некоторых людей, сосновые ароматы для некоторых деревьев.

Однако, в отличие от людей, листья дышат и выдыхают одновременно, постоянно вбирая и выпуская атмосферные газы.

Разгадки более чем столетних исследований

В начале 1900-х годов ученые, изучавшие деревья в сильно загрязненных районах, обнаружили, что у деревьев, хронически подвергавшихся воздействию загрязнения от сжигания угля, черные гранулы забивают поры листьев, через которые растения дышат. Они подозревали, что вещество, содержащееся в этих гранулах, частично создано самими деревьями, но из-за отсутствия доступных инструментов в то время химический состав этих гранул так и не был изучен, равно как и их влияние на фотосинтез растений.

Большинство современных исследований влияния дыма лесных пожаров сосредоточено на сельскохозяйственных культурах, и их результаты противоречивы.

Например, исследование нескольких сельскохозяйственных культур и заболоченных участков в Калифорнии показало, что дым рассеивает свет таким образом, что растения становятся более эффективными в фотосинтезе и росте. Однако лабораторное исследование, в котором растения подвергались воздействию искусственного дыма, показало, что продуктивность растений падает во время и после воздействия дыма, хотя через несколько часов растения восстанавливаются.

Есть и другие признаки того, что дым лесных пожаров может негативно влиять на растения. Возможно, вы даже пробовали его на вкус: Когда виноград подвергается воздействию дыма, сделанное из него вино может быть испорчено.

Что делает дым токсичным даже вдали от пожара

Когда дым от лесных пожаров распространяется на большие расстояния, он нагревается под солнечными лучами и подвергается химическим изменениям.

Смешение летучих органических соединений, оксидов азота и солнечного света приводит к образованию приземного озона, который может вызывать проблемы с дыханием у людей. Он также может нанести вред растениям, разрушая поверхность листьев, окисляя растительные ткани и замедляя фотосинтез.

В дыме есть частицы размером меньше ширины волоса и газы, которые развиваются под воздействием солнечного света. Джен Берджесс/IsolineStudios для Центра по контролю за заболеваниями Британской Колумбии

В то время как ученые обычно думают о городских районах как о крупных источниках озона, влияющих на урожай с подветренной стороны, дым лесных пожаров вызывает все большую озабоченность. Другие соединения, в том числе оксиды азота, также могут вредить растениям и снижать фотосинтез.

Все вместе взятые исследования показывают, что дым лесных пожаров взаимодействует с растениями, но недостаточно изученными способами. Недостаток исследований обусловлен тем, что изучить влияние дыма на листья живых растений в дикой природе очень сложно: лесные пожары трудно предсказать, а находиться в задымленных условиях может быть небезопасно.

Случайное исследование – в центре лесного пожара

Мы не ставили перед собой задачу изучить реакцию растений на дым лесных пожаров. Вместо этого мы пытались понять, как растения выделяют летучие органические соединения – химические вещества, которые придают лесам запах, а также влияют на качество воздуха и даже могут изменять облачность.

Осенью 2020 года на западе США был неблагоприятный сезон для лесных пожаров, и густой дым повалил на полевой участок, где мы работали в Скалистых горах Колорадо.

В первое утро сильного дыма мы провели наш обычный тест по измерению фотосинтеза на уровне листьев сосен Пандероза. Мы с удивлением обнаружили, что поры деревьев полностью закрыты и фотосинтез практически нулевой.

Мы также измерили выделение листьями летучих органических соединений и обнаружили очень низкие показатели. Это означало, что листья не “дышат” – они не вдыхают углекислый газ, необходимый им для роста, и не выдыхают химические вещества, которые они обычно выделяют.

Ясный день на испытательном полигоне в Колорадо (слева) по сравнению с дымным днем, когда деревья реагировали на плохое качество воздуха (справа). Mj Riches, CC BY-SA

Получив такие неожиданные результаты, мы решили попробовать форсировать фотосинтез и посмотреть, сможем ли мы “дефибриллировать” лист в его нормальный ритм. Изменив температуру и влажность, мы очистили “дыхательные пути” листа и увидели внезапное улучшение фотосинтеза и всплеск выделения летучих органических соединений.

Многомесячные данные показали нам, что некоторые растения реагируют на сильную задымленность от лесных пожаров, прекращая обмен с внешним воздухом. Они фактически задерживают дыхание, но не раньше, чем попадут под воздействие дыма.

Мы предполагаем несколько процессов, которые могли вызвать закрытие пор в листьях: Частицы дыма могли покрыть листья, создав слой, который не позволяет порам открыться. Дым также мог проникнуть в листья и закупорить поры, сделав их липкими. Или же листья могли физически отреагировать на первые признаки дыма и закрыть поры до того, как наступит самое страшное.

Скорее всего, это комбинация этих и других реакций.

Долгосрочное воздействие пока неизвестно

Пока неизвестно, как долго сохраняется эффект от дыма лесных пожаров и как повторные задымления повлияют на растения, включая деревья и сельскохозяйственные культуры, в долгосрочной перспективе.

Поскольку лесные пожары становятся все более сильными и частыми из-за изменения климата, политики управления лесами и поведения людей, важно лучше понять их последствия.

На карте ниже показана динамика кумулятивного распределения дыма в период с 2006 по 2023 год