Драматическое и немыслимое: мертвые деревья по всему миру удивляют ученых
Аргентина Телеграм-канал "Новости Аргентины"
ХОЛЬШТАЙН, Швейцария - Находясь высоко над землей в солнечный октябрьский день, легко было бы сосредоточиться на голубых гребнях холмов и маленьких деревушках, приютившихся между ними. Но Ричард Питерс, который находится со мной внутри металлической гондолы, прикрепленной к подвижной стреле крана, указывает на верхушки деревьев внизу, освещенные золотыми и медными оттенками осени. "Мы проезжаем мимо безлистных ветвей бука, потерявшего крону от засухи, ели с лишенной хвои кроной, а вдали виднеются лысые скелеты хвойных деревьев, разоренных короедами", - говорит он об одном из деревьев. Они регулярно посещают этот лес в швейцарском регионе Хёльштайн в горах Юра, чтобы провести тщательные измерения около 80 из 480 деревьев, прямо там, где они дышат. "Здесь растут около 14 европейских видов деревьев, в основном бук и ель, которые являются объектом многолетнего исследования под руководством эколога и физиолога растений Ансгара Кахмена из Базельского университета. При запуске проекта в 2018 г. ставилась задача смоделировать последствия засухи, построив крыши на высоте чуть выше уровня леса для перехвата осадков. Но в то лето и начало осени погода сама по себе создала условия для эксперимента: количество осадков сократилось почти вдвое, а температура превысила обычную на три градуса, что стало частью самой сильной засухи в Центральной Европе за последние 250 лет. "Многие деревья были уничтожены; на участке площадью два гектара погибло 10 елей. В тот год и в последующие годы бесчисленное множество других деревьев были покорены до предела. "Ученые-лесоводы всего мира встревожены тем, что засухи, часто усугубляемые пожарами и нашествием жуков-короедов, уничтожают деревья в невиданных ранее масштабах - от огромных площадей лесов США до сухих лесов Австралии, где корни могут достигать 50 м в глубину, до регионов умеренного климата и тропических влажных лесов, где подобные явления считались немыслимыми. Даже те, кто действительно знает и имеет большой опыт работы в этой области, были удивлены тем, как быстро исчезают эти леса", - говорит Хенрик Хартманн, экофизиолог из Федерального исследовательского центра культурных растений при Институте Юлиуса Кюна (Германия) и ведущий автор обзора по исчезновению лесов в журнале Annual Review of Plant Biology за 2022 г. "Засухи уже влияли на многие из этих экосистем, но теперь все изменилось - это "более жаркие засухи", которые усиливаются и вызываются жаркими температурами. И на горизонте маячит еще более драматическая гибель лесов, предупреждают Хартманн и его коллеги. Крайне важно определить, где и в каких объемах будет проводиться вырубка лесов. Леса являются важнейшим местом обитания земной жизни и выполняют роль планетарных кондиционеров, поглощая до трети выбросов ископаемого топлива, которые ежегодно производит человечество. Некоторые эксперты предсказывают, что если отмирание деревьев ускорится и они будут выбрасывать в воздух больше углерода, то леса могут стать чистыми производителями углекислого газа, что ускорит изменение климата. "Однако прогнозирование будущего представляет собой огромную проблему, настолько, что основные климатические прогнозы Межправительственной группы экспертов по изменению климата (IPCC), скорее всего, сильно недооценивают отмирание деревьев, вызванное засухой. Ученые даже не знают, сколько деревьев гибнет в настоящее время; обычно они фиксируют гибель только на хорошо изученных участках, поэтому многие случаи гибели остаются незамеченными. "Более того, большая часть научных знаний о том, как деревья реагируют на засуху, устарела и основана на неполном учете физиологии деревьев, что затрудняет построение точных моделей. Предвидеть будущее - значит разгадать безмолвные процессы, происходящие внутри тела деревьев, страдающих в более теплом и сухом климате, и, в конечном счете, понять, как они погибают. "Может показаться странным, что ученые до сих пор не знают, как именно засуха убивает деревья. Однако у них редко есть возможность проследить за гибелью дерева от начала до конца, поскольку на это могут уйти годы и даже десятилетия, а многие деревья погибают понемногу и незаметно. "Отчасти именно это делает мониторинг в Хёльштайне таким ценным. Если в этом лесу погибнет дерево, ученые услышат его громко и отчетливо. "В четверг в середине октября Петерс, физиолог леса из Базельского университета, и Дэвид Штегер, защищающий в том же университете докторскую диссертацию по реакции на подземную засуху, приступают к работе. Штегер отыскивает хвойные деревья, которые необходимо обследовать, и освещает их стволы фонариком, чтобы экофизиолог Гюнтер Хох, находясь в гондоле, мог маневрировать в верхушках деревьев и собирать образцы веток. "Прищурившись в темноте, я вижу прикрепленные к деревьям приборы, которые регулярно отслеживают их жизненные показатели: сжатие и разбухание коры по мере питья, движение сока от корней к листьям, общую окружность ствола. "Хох сбрасывает мешок с веточками, а мы с Петерсом отправляемся в небольшую хижину, чтобы провести ключевое измерение: водный потенциал листьев - показатель уровня стресса дерева. Листья имеют множество маленьких клапанов, называемых стоматами, через которые деревья переносят углекислый газ и кислород и выпускают воду; как и при потоотделении, эта потеря воды охлаждает дерево. Когда вода вытекает, создается отрицательное давление, которое всасывает еще больше воды через ксилему - каналы, по которым вода поступает внутрь ствола и ветвей - к листьям. Мы измеряем это отрицательное давление, называемое также напряжением. "Водные потенциалы листьев обычно отрицательны, но чем меньше отрицательных значений, тем лучше. Измерения перед рассветом показывают, успели ли деревья за ночь регидратировать, восполняя потерянную за день воду. Именно поэтому я нахожусь здесь в 5 часов утра, наблюдая, как Петерс оценивает состояние веточек ели (Picea abies), пихты (Abies alba) и шотландской сосны (Pinus sylvestris). Поместите каждую веточку в герметичную камеру и медленно впускайте воздух под давлением, пока на срезанном конце веточки не появятся пузырьки сока. Величина давления, необходимая для этого, равна напряжению воды, испытывавшей это ответвление". "Питерс с удовлетворением обнаружил, что значения относительно высоки, в диапазоне от -0,6 до -0,7 мегапаскалей. Благодаря недавним дождям деревья восстановились после изнурительного лета, когда из-за обезвоживания водный потенциал их листьев упал до -2 мегапаскалей. "В суровое лето и осень 2018 года ученые наблюдали, как суточные водные потенциалы на ветвях 10 елей, за которыми они следили в лесу, опускались ниже -2,3 мегапаскаля", - говорит Питерс. Засуха, сопровождавшаяся сильной жарой, довела деревья до предела. Теплый воздух способен удерживать в себе в геометрической прогрессии больше воды, чем более холодный, что приводит к тому, что из стомы и из дерева в целом, градус за градусом, извлекается все больше влаги. Деревья могут закрывать свои стомы, чтобы остановить потерю воды, но часть воды все равно уходит. "Команда считает, что, как только в корнях закончилась вода, ель начала обезвоживаться, поскольку ее внутренние резервы были исчерпаны, и она теряла воду через хвою. Давление на водяные столбы деревьев стало настолько сильным, что жидкая вода испарялась, образуя воздушные карманы, называемые эмболами, которые закупоривали ксилему. Если у дерева слишком много эмболов, то вся система транспортировки воды перестанет подавать воду под полог, когда почвенная влага снова станет доступной, объясняет Кахмен, что и произошло с пятью елями, водный потенциал которых упал ниже -7 мегапаскалей. Они погибли от гидравлической неисправности, по сути, от жажды. Процессы, которые мы наблюдали в ели, весьма примечательны и ранее не встречались", - добавляет он. Необычно показать, что гидравлическое разрушение является действительно единственным механизмом гибели". "Результаты исследования, опубликованные в 2021 году, свидетельствуют о том, что пихта серебристая гораздо более уязвима к засухе, чем считалось ранее (что является проблемой, поскольку это дерево высаживается в большей части Европы для получения древесины). Работа также вызвала бурную дискуссию о том, как именно засуха губит деревья. Хотя часто считается, что роковым ударом является отсутствие воды, что, безусловно, имело место для ели, некоторые ученые утверждают, что засуха может сначала привести к голодной смерти деревьев. При более высоких температурах деревья быстрее сжигают свои энергетические запасы, так как ускоряется обмен веществ. А если они закрыли свои стоматы для защиты от потери воды, то не могут охлаждаться и поглощать столько углекислого газа, сколько им необходимо для фотосинтеза и производства сахаров для таких важных процессов, как метаболизм, поглощение воды и восстановление хода. Это порочный круг, который, в свою очередь, делает их более склонными к гидравлическим сбоям. "Насколько это сводится к голоданию и обезвоживанию? Или это зависит от вида? По словам Аланы Чин (Alana Chin), экофизиолога деревьев из ETH Zurich, получение ответа на этот вопрос не отличается от расшифровки окончательной причины смерти людей, страдающих множеством взаимосвязанных заболеваний. "Отчасти поэтому нас удивляет гибель деревьев: мы не совсем понимаем, как это происходит". "Смерть - это конец пути. Но, прежде всего, не менее важен вопрос о том, что делает деревья восприимчивыми к засухе. У многих деревьев есть хитрости, позволяющие избежать опасных уровней обезвоживания и эмболии. Шотландская сосна, медленно растущая хвойная порода, закрывает свои стоматы быстро, по крайней мере, по сравнению с елью. Жесткая хвоя препятствует выходу воды, тонкие каналы ксилемы затрудняют развитие эмболии, а запас воды в тканях коры помогает выжить в засушливые периоды. "Ель, напротив, отдает приоритет фотосинтезу и быстрому росту в ущерб безопасности; она ленивее закрывает свои стомы, а ее ствол обладает меньшей влагоемкостью", - говорит Питерс. "Бук европейский, относительно быстрорастущий вид, также чувствителен к засухе, но он может сбрасывать листья, чтобы предотвратить потерю воды через стоматы, а во время сильной засухи может сбрасывать целые ветви. Но стоматы и ксилема - это еще не вся история. Во время засухи 2018 г. Кахмен и его коллеги заметили, что некоторые виды демонстрируют удивительно хорошие результаты, несмотря на то, что их стоматы остаются широко открытыми. К ним относятся дубы и то, что Петерс с гордостью называет "супердеревом" Базеля: Sorbus torminalis (дикий сорбус), известный также как дикое служебное дерево. Специалисты предполагают, что секрет этих деревьев может заключаться в их длинных корнях, которые переносят воду из глубоких слоев почвы, недоступных таким видам, как бук и ель, поддерживая стабильный водный потенциал и фотосинтез. Пока у деревьев есть трубочка для подачи воды, они будут в порядке, - говорит Хох. - На судьбу дерева во время засухи влияют и другие факторы, некоторые из которых еще не изучены. В Хёльштайне, например, европейские буки страдают, но у Штегера сложилось впечатление, что в более сухом районе под Берлином они чувствуют себя лучше, возможно, потому, что их корни уходят глубже. Эти выносливые шотландские сосны прекрасно себя чувствуют на суглинистых почвах Хельштайна, но засуха массово уничтожает их в других районах Швейцарии с более песчаными и быстро дренируемыми почвами. "Наблюдение за этим шокирует, - признается Чин: - Видеть, как шотландская сосна гибнет от явного недостатка воды, причем в очень больших масштабах..... В 2015 году сезон низких и поздних дождей привел к гибели сотен деревьев в лесу в Гуанакасте (северо-запад Коста-Рики), где периодически чередуются влажные и сухие сезоны. И в этом случае наиболее сильно пострадали те виды, которые наиболее уязвимы к гидравлическим сбоям, поскольку, например, оставляют свои стоматы открытыми как можно дольше, или имеют ксилемы, подверженные эмболии, или неглубокие корни. Многие из встречающихся там видов могут выдержать пять месяцев без дождей, - говорит Дженнифер Пауэрс, лесной эколог из Университета Миннесоты. Но если дать им семь месяцев без дождей, то неважно, выпадет ли потом два метра осадков в сезон дождей". "Один из наиболее ярких эпизодов произошел в 2011 г., когда после сильной засухи и серии тепловых ударов ученые заметили, что многие деревья теряют листву в лесу Northern Jarrah на юго-западе Австралии. Эвкалипты, среди которых преобладают Eucalyptus marginata, с энтузиазмом возобновляются после лесных пожаров и выдерживают до семи месяцев засухи в году, насыщаясь грунтовыми водами через корни, уходящие на глубину 50 м. Согласно общепринятым представлениям, этот лес был бомбоустойчив, вспоминает эколог Джо Фонтейн из Университета Мердока в Перте. Но в тот год многие деревья полностью потеряли крону и проросли из ствола, а затем покинули ствол и проросли из основания, после чего окончательно погибли. Почти как афтершоки после землетрясения", - говорит Фонтейн. "Хотя многие эксперты были удивлены, возможно, им не следовало этого делать, - предупреждает физиолог растений Тим Бродрибб из Университета Тасмании. Эти быстрорастущие деревья медленно закрывают свои стоматы, их ксилема быстро отводит воду, но подвержена эмболизации, и они прожорливо пьют воду, пока она не закончится, как это, вероятно, произошло в лесу Джарра из-за многолетнего сокращения количества осадков. "Основная дилемма заключается в том, что деревьям часто приходится идти на компромиссы: они могут тратить углерод на быстрый рост или на создание мощной гидравлической системы, но обычно не могут позволить себе делать и то, и другое. Эвкалипты выбрали первый вариант, что позволило им занять подавляющее большинство лесов Австралии, но привело к их массовой гибели во время засух. Напротив, Callitris, род хвойных деревьев семейства кипарисовых, произрастающий в других лесах этого континента, предпочел инвестировать в гидравлику, пожертвовав своей способностью быстро восстанавливаться и конкурировать в пожароопасном ландшафте. "Ксилема каллитриса настолько прочна, что когда Бродрибб попросил своего коллегу прокрутить кусок ствола в центрифуге, чтобы выяснить, когда в нем возникнет опасный уровень эмболии, ему пришлось крутить его с такой высокой скоростью, что центрифуга сломалась. "Проблема в том, что многие виды деревьев выбрали рискованную стратегию, которая может оказаться слишком смелой в современном мире, охваченном глобальным потеплением. В исследовании 2012 года Бродрибб и его соавторы собрали информацию о 226 видах деревьев в 81 точке земного шара. Они собрали данные о водных потенциалах, при которых возникают опасные эмболии, и о средних водных потенциалах, при которых виды обычно встречаются в природе. Они обнаружили, что 70% видов находятся в непосредственной близости от этого опасного порога, поскольку, например, медленно закрывают стому, имеют слабую ксилему или вынуждены прилагать больше усилий для восстановления влаги из-за неглубокой корневой системы. "Удивительно, но это наблюдалось во всех анализируемых типах леса. Многие виды деревьев - от сухого леса до умеренного и тропического - смирились с тем, что находятся на грани безводья, поскольку это помогает им конкурировать с другими деревьями. "Но если до антропогенного изменения климата эта стратегия работала хорошо, то более экстремальные засухи, вызванные сегодняшним повышением температуры, оказываются слишком тяжелыми для деревьев. "Засуха в Амазонии выглядит иначе, чем в Аризоне, - говорит ландшафтный и лесной эколог Крейг Аллен из Университета Нью-Мексико, - но в каждом регионе деревья адаптируются к местным условиям, изменившимся в результате изменения климата, поэтому они живут на пороговых значениях, которые они могут переносить. Вызываемые ими засухи усиливают другие стрессовые факторы, такие как пожары: например, весенняя засуха, вероятно, способствовала рекордному сезону лесных пожаров в Канаде в 2023 году. Даже на окраинах тропических лесов Амазонки засуха облегчает людям выжигание участков, отведенных под плантации, и способствует дальнейшему распространению пожаров, хотя внутренняя часть влажных лесов все еще кажется относительно устойчивой, описывает Адриан Эскивель-Мюльберт, эколог из Бирмингемского университета: "По оценкам некоторых исследований, в глобальном масштабе пожары сейчас уничтожают примерно вдвое больше леса, чем в 2001 году. В 2021 году, в особенно тяжелый год, пожары уничтожили 9,3 млн. га, что соответствует площади Португалии. "Для большинства деревьев, гибнущих во время засухи, смертельный удар обычно наносят болезни или насекомые, такие как короеды. Это справедливо как для европейских елей, так и для исключительно выносливых видов, таких как щетинистые сосны и гигантские секвойи в Сьерра-Неваде (США). В период с 2014 по 2020 год лесной эколог Натан Стивенсон наблюдал гибель 33 гигантских секвой. Он подозревает, что в результате пожара и засухи нарушился приток воды к верхушкам деревьев, в результате чего они не смогли выделять смолы, которые служат защитой от жуков. Разновидность этих насекомых, которая, как известно, никогда не убивала красные деревья, затем вторглась в эти деревья с кроны вниз. "В конце концов, эти деревья были уничтожены местным короедом, который был слишком слаб, чтобы убить их в обычных условиях, но в конце концов смог сделать это в экстремальных условиях", - говорит Стивенсон, почетный ученый Геологической службы США. "Подобное созвездие кризисов также встречается в горных районах северного Нью-Мексико, где Аллен документировал последствия региональной мегазасухи, начавшейся в 2000 году. Регион уже страдал от регулярных засух. Но в тот раз столетие борьбы с пожарами и массовое скопление густой растительности в более ранний влажный период - в сочетании с более теплыми температурами, начавшимися после засухи, - вызвали настоящий ад, - говорит Аллен. "С наступлением тепла популяции короеда взорвались, и больше личинок пережило зиму, что дало возможность создать несколько поколений за один сезон. В 2002-2004 гг. они уничтожили более миллиона гектаров сосны обыкновенной (Pinus edulis) и сосны пондерозы (Pinus ponderosa) на юго-западе страны. Вероятно, деревья не смогли собрать достаточно углерода и воды для производства смолы, которая обычно защищает их. Раз за разом густые и мощные заросли хвойных деревьев, которые Аллен знал на протяжении десятилетий, превращались в кустарники и луга, причем в некоторых местах деревьев было так мало, что теперь они открывали вид на ближайшие горные хребты, удаленные на десятки километров. "Многих из моих любимых деревьев и лесов 1980-х и 1990-х годов уже нет в живых", - сетует он. Я знаю, что экосистемы динамичны, я знаю это интеллектуально, но одно дело - знать это, а другое - ощутить масштабы преобразований, которые произошли в этом ландшафте". До недавнего времени многие ученые считали, что в целом увеличение выбросов углерода будет хорошей новостью для лесов по той простой причине, что растениям для роста необходим углекислый газ. Поэтому первые компьютерные модели роста растительности в условиях изменения климата показывали повсеместное озеленение планеты, и, действительно, последние спутниковые исследования показывают, что в 1980-х и 1990-х годах наблюдалось расширение глобальной растительности. "Однако становится все более очевидным, что эти преимущества могут быть перевешены потеплением, вызванным выбросами углерода. Согласно исследованию, проведенному в 2019 г., глобальное озеленение прекратилось более 20 лет назад, и с тех пор растительность сокращается, что объясняется усилением засухи в результате потепления. "По мере нагревания атмосферы усиливается жажда, и эта зависимость является экспоненциальной, так что на каждый градус Цельсия потепления атмосфера может вместить на 7% больше воды. А некоторые исследования показывают, что деревья не могут производить древесину в условиях сильной засухи, даже если они фотосинтезируют; вместо этого они могут выводить углерод через корни. Таким образом, вместо того чтобы питаться углекислым газом и противодействовать изменению климата, леса могут сильно пострадать от высоких выбросов. Вредная троица - засуха, насекомые и огонь - может превратить поверхность Земли из поглотителя углерода в его источник", - говорит Анна Тругман, эколог из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, - "В Хёльштайне ученые прекрасно понимают эти вопросы. Перед тем как покинуть площадку, мы с Питерсом поднимаемся по лестнице на строительные леса крана и наблюдаем, как Стегер в гондоле использует прибор для измерения листьев хвойных деревьев с целью определения скорости их фотосинтеза. "С этой высоты хорошо видны пластиковые дождевые крыши, которые, как теплицы, высятся над лесной подстилкой. Питерс говорит, что в случае более экстремальных засух они не будут использовать крыши, опасаясь, что часть деревьев сразу же погибнет: "Сейчас ученые не знают, сколько деревьев погибнет от засухи. На самом деле, несмотря на драматические истории опустошения лесов, некоторые исследователи не хотят с уверенностью говорить о том, что гибель лесов от засухи - это ухудшающаяся тенденция, просто потому, что для этого недостаточно данных о глобальных потерях деревьев. "С 2010 года Аллен и другие исследователи собирают базу данных о случаях гибели лесов от жары и засухи по всему миру. База данных начиналась с 88 эпизодов и в настоящее время включает более 1300 эпизодов. Однако это не дает полного представления о том, что происходит в лесах мира, признает Хартманн. Некоторые из самых больших лесов на Земле - бореальные и тропические - изучены очень плохо. "Также очень трудно предсказать, насколько сильным может быть вымирание в будущем, поскольку математическое моделирование, используемое для прогнозирования реакции растительности, основано на устаревших предположениях о том, как деревья реагируют на засуху, - добавляет Хартманн. Недавно, когда он и его коллеги использовали "динамическую глобальную модель растительности", чтобы проверить, сможет ли она предвидеть какое-либо из впечатляющих событий вымирания в таких местах, как Германия, Австралия и юго-запад США, она не смогла достоверно предсказать историю вымирания даже одного из них. "Большинство моделей растительности не учитывают гидравлические процессы, которые, как теперь выяснили Кахмен и другие, являются критическими для выживания деревьев, поскольку они сложны и еще не полностью изучены. Вместо этого они в основном сосредоточены на процессах, происходящих в листьях, таких как фотосинтез. Когда деревья в таких моделях погибают, это, как правило, происходит от голода, когда их стоматы закрыты и они не могут получить достаточное количество углерода. Многие исследователи, в том числе Хартманн, считают, что это вряд ли единственная причина гибели деревьев во время засухи. "Тругман утверждает, что разработчики моделей постепенно наверстывают упущенное и начали включать показатели, отражающие нагрузку на гидравлику дерева, например, как быстро дерево теряет способность переносить воду. Он указывает на модель, описанную в исследовании 2018 года, которая правильно предсказала, когда отдельные деревья на исследуемом поле достигнут гидравлического разрушения. Однако сделать это в более крупных пространственных масштабах оказалось непросто. Пройдут годы, - добавляет Тругман, - прежде чем гидравлические процессы будут поняты и смоделированы достаточно хорошо, чтобы быть адекватно представленными в прогнозах смертности для грандиозных прогнозов МГЭИК по изменению климата, которые призваны служить ориентиром для государственной политики. "Еще одной загадкой является величина будущих усугубляющих стрессовых факторов, таких как лесные пожары и нашествие насекомых; последние также не отражены ни в одной из моделей МГЭИК. Существует множество видов короедов, и исследователям мало что известно о том, как каждый из них будет реагировать на изменения окружающей среды. "Мы увидим новые взаимодействия, которых не было раньше. В некоторых случаях предвидеть их будет невозможно", - размышляет Стивенсон. "Последний элемент, который трудно предсказать, - это то, что произойдет после катастрофы, вызванной засухой. Аллен не опасается, что древесная растительность исчезнет с лица планеты. Больше всего его беспокоит утрата исторических структур леса, особенно высоких старых деревьев, которые, как правило, наиболее уязвимы к засухе. Аллен ожидает, что многие леса станут моложе и ниже, и не будут содержать столько углерода. Некоторые виды будут сокращаться, как, например, в Нью-Мексико, где некоторые виды вытесняются на вершины гор, поскольку более низкие высоты становятся менее терпимыми. В других лесах, расположенных в тропиках, произойдут изменения: погибшие деревья будут заменены более засухоустойчивыми, что, возможно, сделает эти леса более устойчивыми в целом. Какой бы катастрофической и шокирующей ни была гибель деревьев, в конечном итоге она является частью необходимого процесса адаптации лесов в реальном времени к тем нагрузкам, которые они испытывают. "Экосистемы, - поясняет Аллен, - реорганизуются, как и положено. Никто не знает наверняка, как будут выглядеть эти леса будущего. Хотя мир нуждается в прогнозах уже сейчас, ученым придется подождать ответов, которые могут дать только деревья". Катарина Циммер "Перевод Даниэлы Хиршфельд" Эта статья первоначально появилась в журнале Knowable en español, некоммерческом издании, призванном сделать научные знания доступными для всех. Подпишитесь на рассылку новостей Knowable на английском языке".