Законы архитектуры жилок листа решают загадки и позволяют предсказывать климат прошлого

Исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) открыли новые законы, определяющие построение системы жилок листа по мере его роста и эволюции. Эти простые для применения математические правила теперь можно использовать для более точного предсказания климатов прошлого по ископаемым остаткам.

Исследование, опубликованное 15 мая в журнале Nature Communications, имеет фундаментальные последствия для глобальной экологии и позволяет оценить исходный размер листа всего по его фрагменту. Это улучшит прогнозирование и интерпретацию климата глубокого прошлого по ископаемым листьям.

Размер листа критически важен для адаптации растений к среде, причем меньшие листья характерны для более сухих и солнечных мест. Однако до сих пор было мало известно о том, что определяет архитектуру жилок листа.

Ключевое открытие: предсказуемая связь

Команда под руководством профессора Лорена Сэка, финансируемая Национальным научным фондом (NSF), измерила сотни видов растений по всему миру, используя компьютерные инструменты для анализа изображений листьев с высоким разрешением.

Они обнаружили предсказуемую взаимосвязь, которая соблюдается у разных листьев по всему земному шару: в более крупных листьях основные жилки расположены дальше друг от друга согласно четкому математическому уравнению, независимо от других вариаций в их структуре или физиологии.

Объяснение глобальной закономерности

Это открытие объясняет самую известную биогеографическую тенденцию в форме растений: преобладание мелких листьев в более сухих и открытых местообитаниях. Ранее классическое объяснение связывало это с лучшим охлаждением. Однако новое исследование указывает на преимущество в устойчивости к засухе.

В 2012 году Кристин Скоффони и Лорен Сэк показали, что мелкие листья, как правило, имеют основные жилки, расположенные ближе друг к другу (большая длина основных жилок на единицу площади листа). Это обеспечивает больше «скоростных магистралей» для транспорта воды и позволяет обходить возможные закупорки в сосудах (ксилеме) во время засухи. Новое исследование подтверждает эту гипотезу, демонстрируя глобальный тренд: более высокая длина основных жилок на единицу площади в листьях меньшего размера.

Практическое применение

1. Оценка климата прошлого: Поскольку размер листа используется палеобиологами для «ретроспективного прогноза» количества осадков в прошлом, возможность оценить полный размер листа по фрагменту (с помощью простого уравнения) станет очень полезной для интерпретации ископаемой летописи.
2. Объяснение эволюционного успеха: Исследование также предлагает новое объяснение, почему эволюция жилок позволила цветковым растениям доминировать на планете. Только у них (за редким исключением) есть густая сеть мелких жилок, которая обеспечивает высокую скорость фотосинтеза, доставляя воду и питательные вещества. При этом основные и мелкие жилки эволюционируют независимо. Это позволяет цветковым растениям создавать как крупные, так и мелкие листья с широким диапазоном скоростей фотосинтеза и адаптироваться к самым разным местообитаниям.

Причина закономерности: общая «программа» развития

Ученые объясняют эти глобальные закономерности общей «программой» расширения листа и формирования жилок. Листья развиваются в две стадии:

1. Медленная фаза: Формируются основные жилки, и их количество фиксируется.
2. Быстрая фаза экспансии: Лист быстро растет до конечного размера, основные жилки растягиваются и утолщаются, а между ними могут закладываться новые мелкие жилки.

В итоге в зрелом листе мелкие жилки могут быть расположены плотно даже в крупном листе, где основные жилки разнесены далеко друг от друга. Эта общая программа развития согласуется с тем, что разные виды растений имеют общие гены, отвечающие за развитие жилок.