Видеть лес за деревьями и деревья за листьями
Несмотря на тысячи лет наблюдений, многие базовые вопросы о природе остаются без ответа. Например, до конца не ясно, как растения максимизируют свой фотосинтетический потенциал.
Ключевую роль в экологических теориях играет удельная площадь листа (SLA) — отношение общей площади листа к его сухой массе. SLA коррелирует с потенциалом использования света, скоростью роста растения, потребностью в питательных веществах и предпочтениями среды обитания.
Учёные заметили, что SLA отдельных листьев варьируется в пределах одного растения и часто коррелирует со зрелостью листа и его положением в кроне. Более того, с увеличением размера дерева общая SLA его кроны снижается — площадь листьев не поспевает за ростом их общей массы.
Причина этого явления оставалась загадкой. Исследование учёных Корнеллского университета Карла Никласа и Эдварда Кобба, опубликованное в январском номере American Journal of Botany, даёт новое объяснение.
«Традиционное объяснение зависимости SLA от размера никогда не было удовлетворительным, — сказал Никлас. — Мы хотели изучить это явление детальнее и нашли совершенно иной ответ на классический экологический вопрос».
Общепринятая гипотеза предполагала, что снижение SLA у более крупных деревьев — результат акклиматизации каждого листа к локальной среде (например, к разной интенсивности света в разных частях кроны). Никлас и Кобб выдвинули альтернативную гипотезу: изменения SLA могут быть следствием сдвига в развитии — изменения соотношения типов побегов, производящих листья с разной SLA, по мере роста дерева.
Учёные исследовали 15 красных клёнов разного размера. Результаты показали, что изменения SLA связаны с типом побега, а не с положением листа в кроне. С увеличением диаметра ствола количество коротких побегов росло быстрее, чем длинных. Анализ самого большого дерева подтвердил, что короткие побеги в среднем производят листья с меньшей SLA, чем длинные.
Таким образом, снижение общей SLA кроны с ростом дерева объясняется развитием на уровне побегов и всего растения, а не акклиматизацией отдельных листов.
Математические модели распределения света в кроне предсказывают, что фотосинтез всей кроны максимален, когда SLA листьев на её вершине минимальна. Это исследование раскрывает новый механизм, благодаря которому деревья эволюционировали для наиболее эффективного захвата света и фотосинтеза.
«Наше исследование показывает, что растения — высокоинтегрированные организмы, которые реагируют на среду способами, столь же сложными, как и у самых совершенных животных, — заключил Никлас. — Оно также показывает, что нам ещё многому предстоит научиться о явлениях, которые, как мы думали, мы понимаем очень хорошо».