Сухие условия могли помочь новому типу растений закрепиться на Земле

В условиях резких изменений древней Земли организмам приходилось эволюционировать, чтобы выжить. В период с середины олигоцена (около 30 млн лет назад) до середины-конца миоцена (около 5 млн лет назад) концентрация CO₂ в атмосфере упала примерно на треть. В этот же период у части растений появился новый тип фотосинтеза — C4-путь. Этот путь дополнил более ранний C3-путь, позволив этим видам использовать две разные стратегии для получения энергии от солнца.

Долгое время считалось, что причиной появления C4-растений стало падение уровня CO₂. Однако новое исследование в Proceedings of the National Academy of Sciences, основанное на биохимическом моделировании биологов из Университета Пенсильвании и палеоклиматическом моделировании учёных из Университета Пердью, указывает, что ключевым фактором могла быть доступность воды.

«Первоначальное возникновение C4, которое произошло, когда атмосферный CO₂ был ещё очень высок, по-видимому, было обусловлено ограничением воды», — говорит Хаоран Чжоу, аспирант и первый автор статьи. — «Затем, около 5–8 млн лет назад, произошло крупное расширение C4-лугов. Это связано с тем, что CO₂ становился всё ниже. CO₂ и интенсивность света были тогда ограничивающими факторами, благоприятствовавшими C4».

«Мы показываем, что повышенная водоэффективность C4-пути достаточна, чтобы дать ему первоначальное экологическое преимущество в относительно засушливых средах», — добавляет Эрол Акчай, доцент биологии. — «Вот преимущество такого физиологического моделирования. Если бы вы рассматривали только температуру и CO₂, вы могли бы упустить эту роль воды и света».

Работа также предполагает, что C4-растения могли иметь конкурентное преимущество над C3-растениями даже при относительно высоком уровне CO₂ в позднем олигоцене.

«Из этого следует, что C4 мог эволюционировать значительно раньше, чем мы думали», — говорит Брент Хелликер, соавтор исследования. — «Это согласуется с некоторыми оценками молекулярных часов для времени эволюции C4».

Разница между C3 и C4

• У C3-растений первый стабильный продукт фотосинтеза содержит три атома углерода, у C4 — четыре.
• C3-путь эффективен при высоком CO₂.
• C4-путь эволюционировал независимо десятки раз. Он включает дополнительный шаг, который «накачивает» углерод в внутренний слой клеток, создавая «закрытую» систему. Это позволяет растениям производить больше пищи с меньшей потерей воды по сравнению с C3-путём.

Сегодня C4-растения составляют около четверти растительного покрова планеты. К ним относятся важные сельскохозяйственные культуры, такие как кукуруза и сахарный тростник.

Моделирование факторов эволюции

Чтобы выяснить факторы, способствовавшие распространению C4, учёные создали многоуровневую модель, объединив переменные, влияющие на фотосинтез и гидравлическую систему растений (баланс между ростом корней для поглощения воды и ростом листьев для поглощения света и CO₂). Модель учитывала четыре фактора: концентрацию CO₂, свет, температуру и доступность воды.

Согласно модели, эволюция C4 проходила в две фазы:

1. Фаза возникновения (при высоком CO₂): C4 появился в более тёплых и сухих регионах планеты благодаря преимуществу в водоэффективности.
2. Фаза доминирования (при низком CO₂): C4 получил конкурентное преимущество над C3, когда уровень CO₂ стал очень низким, а расширение открытых лугов обеспечило обилие света. C4-луга расширились и заменили C3-луга.

Палеоклиматическая проверка

Совместно с палеоклиматологом Мэтью Хубером из Университета Пердью исследователи использовали климатические модели и палеоданные (уровень CO₂, температура, осадки), чтобы предсказать географическое распределение C3 и C4-растений в период 30–5 млн лет назад.

Модель выявила два ранее не признанных региона, где C4-растения, благодаря своей водоэффективности, могли доминировать после своего возникновения: северо-западная Африка и Австралия.

«Это две ранее не распознанные области мира, где C4-растения могли иметь экологическое преимущество и действительно захватить лидерство», — говорит Акчай.

Значение для настоящего и будущего

Исследование помогает понять современное распределение растений и их возможную реакцию на будущие изменения климата.

«Климатические условия, присутствовавшие при эволюции C4, возможно, важны и сегодня», — отмечает Хелликер. — «Если линия C4-растений эволюционировала в основном из-за ограничения воды при высоком CO₂, то сегодня эти растения могут встречаться в сухих условиях. Если же причиной была низкая концентрация CO₂, то их можно найти во влажных местах».

Модель также может помочь в прогнозировании оптимальных зон для выращивания сельскохозяйственных культур, если учёным удастся привить C4-фотосинтез таким важным культурам, как рис, для повышения производства пищи.