Ученые прогнозируют будущее лесов с помощью геномных данных

Понимание факторов, которые поддерживают или подрывают разнообразие видов в экосистемах, является одной из величайших задач экологии. Международная группа исследователей разработала новую модель, которая способна предсказывать будущие колебания численности древесных пород, используя данные переписи деревьев и их геномный анализ. Этот прорыв открывает новые возможности для сохранения лесов по всему миру.

Работа, описанная в журнале Science, имеет решающее значение, поскольку изменения в численности или исчезновение одного вида могут вызвать каскадные эффекты, затрагивающие всю экосистему. Профессор Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне Джеймс О’Дуайер, возглавлявший исследование, подчеркивает, что леса с низким видовым разнообразием более уязвимы для вредителей и болезней. «Возможность предсказать, какие виды находятся в группе риска, поможет понять, как леса будут меняться в будущем», – отмечает ученый.

Профессор лесной экологии Джеймс Лутц из Университета штата Юта добавляет, что в лесах на западе США видовое разнообразие изначально ниже, чем в других регионах страны. «Потеря одного вида, когда их и так немного, может привести к снижению продуктивности леса и сокращению численности мелких растений и животных, которые от него зависят», – говорит Лутц. Прогнозирование таких изменений – невероятно сложная задача из-за постоянно меняющихся условий среды, конкуренции за ресурсы и сложных взаимодействий между деревьями.

Ранее для создания подобных моделей требовались десятилетия кропотливой работы по сбору данных о жизненных циклах каждого вида – скорости роста, размножения и смертности. Новый подход позволяет значительно упростить этот процесс. Вместо многолетних наблюдений ученые использовали геномные данные около 100 деревьев каждого из восьми ключевых видов, составляющих основу лесной экосистемы на исследовательском участке Wind River в штате Вашингтон. Эти данные помогли определить так называемый «эффективный размер популяции» для каждого вида.

«Эффективный размер популяции – это число особей, которые вносят свой вклад в генофонд следующего поколения. Этот показатель обычно ниже, чем общее количество деревьев, которое мы можем сосчитать в лесу», – объясняет профессор Энди Джонс из Университета штата Орегон. По словам О’Дуайера, геном работает как «скрытое записывающее устройство истории вида». Соотношение случайных и неслучайных связей в геноме тесно связано с эффективным размером популяции, который, в свою очередь, отражает исторические жизненные циклы вида.

Объединив геномные данные с результатами переписи всех деревьев на участке, проведенной в 2011 году, модель смогла с высокой точностью предсказать колебания численности восьми видов в 2016 и 2021 годах, превзойдя по эффективности другие существующие подходы. «Прогнозы оказались тесно связаны с наблюдаемыми изменениями, и это очень вдохновляет», – говорит О’Дуайер.

Исследователи надеются, что их метод можно будет адаптировать для лесов, которые изучены гораздо меньше, чем участки глобальной сети ForestGEO. Углубление понимания связи между геномным разнообразием, данными переписи и динамикой экосистем позволит создавать надежные прогностические модели, которые станут мощным инструментом для сохранения и управления лесами в самых разных уголках планеты.