Как деревья Амазонки справляются с жарой: раскрыт защитный механизм

Исследователи из Университета штата Мичиган раскрыли механизм, с помощью которого деревья в верхнем ярусе тропических лесов Амазонии справляются с экстремальным солнечным светом. Результаты, опубликованные в научном журнале New Phytologist, не только демонстрируют устойчивость лесного полога к жаре и засухе, но и предлагают принципиально новый подход к мониторингу его состояния в условиях усугубляющихся климатических изменений. Работа была выполнена при финансовой поддержке Национального научного фонда США и NASA.

Исследование показывает, что тропические деревья функционируют подобно гигантским солнечным антеннам, поглощая огромное количество световой энергии, требующей тщательного управления. Когда дерево получает больше света, чем может использовать для фотосинтеза, избыточная энергия должна быть безопасно рассеяна. Это происходит либо в виде тепла, либо путем переизлучения света — процесса, известного как хлорофилльная флуоресценция.

Ведущий автор исследования, аспирант Леонардо Зиккарди, провел более четырех лет, буквально живя на деревьях. Он совершал восхождения на гигантов высотой до 60 метров в самом сердце Амазонии, чтобы измерить судьбу поглощаемых фотонов в тысячах листьев. В ходе многочисленных полевых экспедиций с 2019 года были собраны уникальные данные о разных видах деревьев, на различной высоте крон и в разных условиях освещенности. Эта работа потребовала сотен часов измерений непосредственно в лесном пологе, став одной из самых интенсивных в карьере ученого.

Для сбора данных использовался передовой портативный прибор MultispeQ, разработанный в Университете штата Мичиган соавтором исследования Дэвидом Крамером. Этот инструмент позволил в естественных условиях зафиксировать, как листья распределяют энергию между фотосинтезом и механизмами рассеивания излишков света. Полученные сведения впервые предоставили детальную картину того, как верхний ярус амазонских лесов адаптируется к сезонным экстремумам.

Понимание этих процессов критически важно, поскольку леса Амазонии испытывают растущий стресс из-за изменения климата и вырубки, что приводит к повышению температуры и сухости воздуха. Более сухие условия означают меньшую облачность, а значит, на лес попадает еще больше прямых солнечных лучей. Исследование помогло ответить на вопрос, способны ли деревья эффективно использовать этот дополнительный свет в стрессовых условиях.

Выяснилось, что даже при интенсивном солнечном свете и сухости атмосферы многие листья в кронах продолжали фотосинтез, но только за счет активации механизмов рассеивания энергии. Ученые впервые для Амазонии выявили сложную трехфазную реакцию листьев на усиление света и засухи. При слабом и умеренном освещении процессы фотосинтеза и флуоресценции сбалансированы. Однако по мере нарастания стресса этот баланс нарушается. Механизмы тепловой защиты перегружаются, фотосинтез замедляется, а флуоресценция может резко возрасти, сигнализируя о потенциальном повреждении фотосинтетического аппарата.

Этот вывод имеет решающее значение для ученых, использующих спутниковые наблюдения за флуоресценцией — так называемой солнечно-индуцированной флуоресценцией, или SIF — для оценки здоровья лесов. Ранее SIF часто рассматривали как прямой показатель активности фотосинтеза. Новое исследование доказывает, что это не всегда так. При сильном стрессе их взаимосвязь нарушается: листья могут светиться ярче даже при угасании фотосинтеза. Это означает, что в периоды засух спутники могут ошибочно принимать сигнал бедствия за признак здоровья, что ведет к завышенной оценке продуктивности экосистемы.