Тропическое изобилие: как леса превращаются в химические фабрики

Новое исследование под руководством учёных из Вашингтонского университета в Сент-Луисе и Ботанического сада Миссури выявило удивительный уровень разнообразия в тропических лесах. Леса населены не только огромным количеством видов деревьев, но и каждый из этих видов использует уникальный химический подход, увеличивая массив природных соединений, выполняющих важные функции для растений — и потенциально для человека.

Исследование помогло прояснить экологические и эволюционные силы, делающие тропические леса очагами биоразнообразия. Хотя команда не искала специально соединения, полезные для человека, их результаты подчёркивают ценность тропических лесов как естественных фабрик растительных химических веществ, которые могут иметь важное применение в медицине и других областях, — сказал Джонатан Майерс, профессор биологии. «Тропические растения производят огромное разнообразие химических веществ, имеющих практическое значение для здоровья человека».

Исследование было опубликовано в журнале Ecology. Учёные исследовали листья деревьев, собранные в рамках проекта «Мадиди» — масштабного исследования флоры в регионе Мадиди в Андах (Боливия). Их интересовали химические соединения, которые растения используют для защиты от насекомых-вредителей, патогенов и других врагов.

С помощью масс-спектрометрии исследователи обнаружили изобилие химических соединений. «Мы идентифицировали более 20 000 уникальных метаболитов в образцах листьев от 470 видов деревьев, — сказал Майерс. — Это удивительный уровень химического разнообразия».

Более трети этих соединений были терпеноидами — классом природных химических веществ, которые растения используют для защиты от насекомых и болезней. Как компоненты фармацевтических препаратов, терпеноиды также показали перспективность в борьбе с раком, снятии воспалений и уничтожении вредных вирусов и бактерий. Около четверти соединений составляли алкалоиды — класс растительных химических веществ, лежащих в основе многих лекарств, включая обезболивающие, противомалярийные препараты и средства для лечения рака.

Исследователи проанализировали разнообразие видов деревьев и метаболитов листьев на участках с различной высотой — от примерно 2 000 до 11 000 футов над уровнем моря. Чем выше они поднимались, тем меньше видов встречали. Они идентифицировали почти 140 различных видов деревьев на одном гектаре (2,5 акра) на высоте 4 000 футов, но менее 20 видов на участке на высоте почти 11 000 футов.

По мере сокращения видового разнообразия уменьшались и химические различия между видами деревьев. Высоко в горах даже деревья разных видов, как правило, используют схожие химические вещества для защиты и борьбы с абиотическим стрессом. Полный потенциал естественных химических фабрик реализуется только на более низких высотах.

В сверхразнообразных, гиперконкурентных низменных тропических лесах логично, что дерево будет использовать химическую защиту, полностью отличную от соседей. «Если у дерева та же химия, что и у соседа, оно может быть уязвимо для тех же вредителей и патогенов», — объяснил Майерс.

Связь между видовым и химическим разнообразием выходит за пределы тропиков. Майерс участвует в продолжающемся проекте NSF, изучающем деревья в нескольких локациях, включая низменности Амазонки, северные леса Канады и местные участки в исследовательском центре Тайсон.

Просторы дуба, гикори и других деревьев в Тайсоне не могут сравниться с разнообразием тропических лесов, но их деревья гораздо разнообразнее хвойных лесов на севере. Лабораторные тесты показали, что деревья в Тайсоне занимают среднее положение и по химическому разнообразию: они не так продуктивны, как деревья тропиков, но являются настоящими кладезями уникальных химических веществ по сравнению с северными лесами.

Климат может быть ключом к объяснению, почему химическое разнообразие, по-видимому, идёт рука об руку с видовым разнообразием. Более тёплый, влажный и стабильный климат может поддерживать более высокое видовое разнообразие, если растения ограничивают типы атакующих их вредителей и патогенов, используя разные химические защиты, — сказал Майерс. «Это может быть ещё одним способом объяснить тенденции в разнообразии растений на планете».