Древняя ДНК раскрывает тайны вымирания растений

Глобальное потепление приводит к быстрой потере видов растений. По оценкам, с 1750 года вымерло около 600 видов растений, что вдвое превышает количество вымерших видов животных. Эксперты из Института Альфреда Вегенера исследуют, какие виды наиболее уязвимы и как изменения биоразнообразия влияют на взаимодействие между растениями.

В двух недавних исследованиях представлены результаты анализа фрагментов ДНК растений, отложившихся в озерных отложениях. Это позволило получить новые данные об изменении состава флоры от 15 000 до 11 000 лет назад во время потепления в конце последнего ледникового периода, которое считается последним крупным событием массового вымирания перед сегодняшним днем. Сравнение с прошлым дает представление о том, что может ожидать нас в будущем. Результаты исследований опубликованы в журнале Nature Communications.

Профессор Ульрике Херцшух из Института Альфреда Вегенера, Центра полярных и морских исследований имени Гельмгольца (AWI), сообщает, что все знают о вымирании шерстистого мамонта, но практически никто не упоминает о растениях, которые исчезли в конце последнего ледникового периода. До недавнего времени не хватало подходящих методов для детального изучения вымирания видов растений. В основном использовалась пыльца ископаемых растений, которая не позволяет идентифицировать отдельные виды и, следовательно, не дает сведений о том, какие виды вымерли.

Ульрике Херцшух сообщает, что с помощью передовых методов был проведен анализ старой ДНК из кернов донных отложений, взятых из озер в Аляске и Сибири. Это позволило реконструировать изменения растительности в этих регионах. Керны содержат фрагментированную ДНК отложившейся растительной биомассы за последние 30 000 лет. Эксперты обогатили, секвенировали и сравнили эти фрагменты с базами данных для идентификации в специальных лабораториях, предназначенных для работы со старой ДНК.

Температура может изменить взаимодействие между растениями. Ульрике Херцшух сообщает, что теперь можно подробно определить, когда и где виды появлялись и исчезали на Аляске и в Сибири. Исследование показывает, что состав видов растений существенно изменился в конце последнего ледникового периода, и это сопровождалось фундаментальными изменениями экологических условий. Исследователи выявили связь между температурой и взаимодействием между растениями: в холодные климатические периоды виды растений поддерживают друг друга, а в теплые периоды в основном конкурируют.

Ульрике Херцшух сообщает, что в ДНК из озерных отложений было найдено много растений-подушек, которые, скорее всего, способствовали распространению других видов, создавая защищенные места обитания. Это влияет как на биоразнообразие, так и на размер ареала.

В более теплом климате доминируют древесные виды растений. Сегодня наблюдается снижение разнообразия растений из-за миграции деревьев и кустарников в тундровые регионы, тогда как в холодные периоды преобладало более высокое разнообразие растений.

В современной Арктике поддерживающее качество растений-подушек может угрожать их собственному выживанию. Поскольку потепление Арктики уже зашло достаточно далеко, древесные растения могут выживать даже в высоких широтах. Растения-подушки могут способствовать их распространению, ускоряя тем самым собственное вымирание.

Конец последнего ледникового периода также привел к полному исчезновению некоторых типов растительности, что эксперты смогли подтвердить с помощью своих новых методов. Например, мамонтовая степь: во время последнего ледникового периода этот тип растительности распространился по всему Северному полушарию, но вымер во время перехода к современной эпохе. Выявление вымерших видов растений было особенно сложной задачей.

Ульрике Херцшух объясняет, что для идентификации видов, которых больше не существует, пришлось использовать уловку. Обычно виды идентифицируются на основе фрагментов ДНК, которые сравниваются с записями в генетических базах данных. Но эти базы данных содержат информацию о современных растениях, а не о вымерших видах. Учёные исследовали все фрагменты ДНК из кернов, а затем использовали статистические модели, чтобы шаг за шагом отфильтровать те, которые имеют явное сходство с современными растениями.

Это также позволило экспертам определить, какие виды могут подвергаться наибольшему риску вымирания в условиях потепления. Травы и кустарники подвергаются большему риску исчезновения, чем древесные виды растений, которые могут распространяться дальше при повышении температуры. Кроме того, виды в регионах с высоким биоразнообразием чаще подвергаются риску, чем менее «специальные» виды. Неожиданный вывод: скорость вымирания была самой высокой в начале текущей теплой фазы, часто с задержкой в несколько тысяч лет после фактических изменений окружающей среды. Это означает, что полные последствия сегодняшней деятельности человека могут проявиться только в отдаленном будущем.

Результаты двух исследований предлагают фундаментальное понимание того, как изменения окружающей среды в связи с потеплением влияют на биоразнообразие, и какие механизмы являются центральными в этом отношении. Таким образом, эксперты впервые смогли определить показатели вымирания растений, которые теперь можно использовать в качестве справочных данных для лучшей оценки текущих изменений в арктических экосистемах.

Ульрике Херцшух резюмирует, что исследования показывают, насколько важно понимать биоразнообразие и экологические взаимодействия, в том числе в долгосрочной перспективе, чтобы лучше прогнозировать последствия изменения климата. Используя информацию, заключенную в старой ДНК из отложений, можно получить фундаментальные знания, необходимые для этого.