Могут ли деревья знать, когда наступает летнее солнцестояние?

С доисторических времен люди отмечают летнее солнцестояние сложными ритуалами. Но люди не единственные, кто считает 21 июня особенным днем. Исследования показывают, что летнее солнцестояние является важным сигналом и для растений.

Недавние исследования, в том числе и мое собственное, показывают, что деревья могут использовать самый длинный день в году в качестве ключевого маркера для своих циклов роста и размножения. Кажется, что солнцестояние действует на деревья как календарь.

Многие люди считают растения просто красивой зеленью. Да, они необходимы для чистого воздуха, но это простые организмы. Кардинальные изменения в научных исследованиях меняют представления ученых о растениях: они гораздо сложнее и больше похожи на нас, чем вы могли себе представить. Этот бурно развивающийся раздел науки слишком увлекателен, чтобы описать его в одной-двух статьях.

Например, в день солнцестояния деревья, растущие в холодных местах, замедляют образование новых клеток древесины и направляют свою энергию на завершение уже сформированных, но еще не завершенных клеток. Это дает деревьям время завершить строительство клеток до наступления зимы. Незавершенные клетки повреждаются морозами и становятся непригодными для транспортировки воды в следующем году.

По аналогии с этим, деревья используют солнцестояние для тонкой настройки «завершения жизненного цикла», или старения, своих листьев в подготовке к осени. Старение позволяет дереву поглотить важные питательные вещества из листьев, прежде чем они опадут. Этот процесс рассчитан так, чтобы сбалансировать потерю солнечного света из-за слишком раннего «завершения жизненного цикла» и потерю питательных веществ, если еще зеленые листья погибнут от осенних заморозков.

Стоунхендж с древних времен является частью празднования летнего солнцестояния. Ria Sh/Shutterstock

Спутниковые наблюдения лесов и контролируемые эксперименты в теплицах показывают, что более высокие температуры непосредственно перед солнцестоянием приводят к более раннему началу побурения листьев осенью. Напротив, более высокие температуры сразу после солнцестояния замедляют процесс старения.

Это означает более длительный переходный период от зеленых к полностью коричневым листьям. Такая точная настройка позволяет деревьям продлить период фотосинтеза в годы, когда температура остается более теплой в течение более длительного времени, чтобы они не упустили эти благоприятные условия.

Но не все ученые убеждены в этом. С эволюционной точки зрения, солнцестояние может быть не лучшим сезонным маркером для определения времени этих переходов. Например, в лесах на крайнем севере листья появляются только в начале июня, за несколько дней до солнцестояния, а вегетационный период может продлиться до конца октября. В этих лесах использование солнцестояния для начала процесса увядания не имеет смысла для деревьев, которые только начали расти в этом году.

Тем не менее, больше согласия существует в отношении использования растениями солнцестояния для синхронизации размножения.

У многих растений, особенно деревьев умеренных широт, количество производимых семян резко меняется от года к году, что известно как мастинг. Большой европейский бук может произвести сотни тысяч семян в урожайный год (мастинг) и полностью отказаться от размножения в другие годы.

Буки меняют годовое производство семян синхронно, часто в масштабах континента. Они делают это для повышения эффективности своего размножения.

Буковые деревья координируют свое размножение. Габриэле Роде/Shutterstock

Небольшая бабочка Cydia fagiglandana откладывает яйца в цветках бука. Когда личинки вылупляются, они поедают и уничтожают развивающиеся семена. Циклы голода и урожайных лет помогают защитить семена от этих бабочек.

Британские буки обычно теряют менее 5% семян из-за Cydia, потому что циклы голодания уменьшают численность бабочек до уровня, достаточного для плодоношения. Но когда деревья не синхронизированы, потери семян могут увеличиться до более 40%.

На протяжении десятилетий мы знаем, что буковые урожаи происходят в год после теплого лета. Более высокие температуры вызывают увеличение образования цветочных почек. Большее количество цветочных почек обычно приводит к более обильному урожаю семян осенью.

Ученые долгое время задавались вопросом, как буковые деревья по всей Европе используют одно и то же сезонное окно для контроля массового плодоношения. Производство семян определяется температурой в конце июня и начале июля, независимо от того, где они растут в Европе. Но как буковое дерево может знать дату?

В исследовании, проведенном моей командой в 2024 году, мы показали, что они используют солнцестояние в качестве сезонного маркера. Как только дни начинают укорачиваться после солнцестояния, буковые деревья по всей Европе, похоже, одновременно ощущают изменение температуры.

В любом месте, где температура в течение нескольких недель после солнцестояния превышает среднюю, в следующем году можно ожидать массового плодоношения. Погодные условия в течение нескольких недель до солнцестояния, напротив, кажутся несущественными. Как видно на погодных картах, теплые и прохладные периоды обычно происходят одновременно на больших территориях.

Это позволяет буковым деревьям максимально синхронизировать свое размножение, будь то инвестирование в урожайный год (теплые температуры) или отказ от размножения на год (низкие температуры). Использование фиксированного ориентира, такого как солнцестояние, является ключом к достижению этой синхронизации и получению вытекающих из нее преимуществ.

Обратите внимание, что обильные урожаи семян и неурожаи, как правило, синхронизированы в регионах и иногда происходят как общеевропейские явления. Эндрю Хакет Пейн, CC BY-NC-ND

Доказательства этого явления были получены в результате наблюдений в десятках лесов по всей Европе. Однако моя исследовательская группа сотрудничает с примерно дюжиной других групп в Европе, чтобы проверить этот эффект, манипулируя температурой ветвей бука до и после солнцестояния в разных местах. Текущие исследования, в которых я участвую, показывают, что гены цветения активируются в день летнего солнцестояния.

Кроме того, исследования циркадных ритмов растений показывают, что в их молекулах есть механизмы, которые позволяют им обнаруживать и реагировать на небольшие изменения продолжительности дня. Это является основой для такого необычайного масштаба синхронизированного размножения.

Если в течение следующего месяца или около того будет теплая погода, то есть большая вероятность, что буковые деревья в вашем регионе дадут обильный урожай семян следующей осенью. Более того, деревья по всей Великобритании, а также в северной и центральной Европе, вероятно, будут делать то же самое.