Замораживание растений для прогноза судьбы Арктики

Глобальное потепление означает более тёплые зимы в Арктике с увеличением дождей и обледенения. Исследователи пытаются понять, как это повлияет на растения, эволюционировавшие для зимовки под толстым снежным покровом.

В январе 2014 года группа учёных провела необычный эксперимент на арктическом архипелаге Шпицберген: их целью было заключить небольшие растения тундры в толстый слой льда.

Хотя это может показаться странным — природа и так хорошо покрывает растения Шпицбергена льдом и снегом — исследователи использовали эксперимент как своего рода биологический "хрустальный шар".

Из-за глобального потепления зимой в таких местах, как Шпицберген, будет больше дождей. Учёные задались вопросом, как это изменение климата повлияет на обычное растение тундры — Cassiope tetragona (арктический вереск). Это не просто академический вопрос, поскольку климатологи отмечают, что за последние три десятилетия Шпицберген пережил наибольшее повышение температуры в Европе.

"Мы уже видим большие изменения в климате Шпицбергена и ожидаем ещё больших из-за глобального потепления", — сказал Браге Б. Хансен, биолог из Центра динамики биоразнообразия Норвежского университета естественных и технических наук. "Мы знаем, что потепление летом заставляет растения расти больше, но как влияет зимнее потепление, которое в таких местах, как Шпицберген, ещё более выражено, — мы не знаем".

Так Хансен и его коллеги из Университетского центра на Шпицбергене и Абердинского университета разработали эксперимент, чтобы выяснить, как Cassiope перенесёт инкапсуляцию в ледяной панцирь.

Ледяные боксы

Исследование, опубликованное в Ecology and Evolution в феврале, было пилотным проектом — проверкой идеи, заслуживающей ли дальнейшего изучения.

Логистика оказалась серьёзной частью задачи. За пределами Лонгйира с его постоянным населением около 2000 человек инфраструктуры практически нет. Чтобы заморозить растения в естественных условиях тундры, учёным пришлось доставлять каждую каплю воды на снегоходах в полярную ночь, в темноте и лютый холод.

Экспериментальный дизайн включал использование бездонных деревянных рамок 50×50 см для изоляции участков с Cassiope, чтобы создать внутри толстый ледяной покров. "Мы тестировали идеи и логистику, начав относительно скромно: шесть рамок с растениями в льду и шесть контрольных участков для сравнения", — говорит Эйстейн Варпе, доцент Университетского центра на Шпицбергене.

Затем возникла неожиданно сложная задача — заключить растения в лёд. На каждую рамку ушло 40 литров воды. Учёные быстро выяснили, что если лить воду слишком быстро, она просто вытекает снизу. При нехватке воды приходилось возвращаться в Лонгйир, поэтому каждая потерянная капля усложняла задачу. В итоге они придумали систему: строили по периметру рамок стенки из снежной кашицы, чтобы удерживать воду до её замерзания.

"Это холодная, мокрая и сложная работа при -15°C", — сказал Хансен. "Приходится изрядно потрудиться, чтобы всё получилось".

Больше повреждений, но больше роста

Летом, вернувшись оценить последствия обледенения, исследователи обнаружили, что растения, заключённые в лёд, с большей вероятностью имели повреждения. Cassiope — это маленький кустарник, растущий за счёт удлинения побегов или выпускания новых. "Обработка льдом повредила и даже убила некоторые побеги, а также уменьшила цветение", — сказал Варпе. Эти находки не удивили команду.

Но удивило другое: растения, покрытые льдом, показали больший рост в оставшихся неповреждённых побегах по сравнению с контрольными растениями. Изначально это не имело смысла — если растение пострадало от замерзания, почему оно должно расти больше?

Хансен и его коллеги полагают, что это произошло из-за компенсации ущерба. Если у растения меньше побегов (часть погибла) и оно не тратит энергию на цветение, то ресурсы, которые могли бы пойти на цветение и поддержку мёртвых побегов, перенаправляются на выжившие части растения.

"Возможно, это отражает их жизненную стратегию", — говорит он, отмечая, что это пока предположение без окончательных доказательств. "Если условия очень плохие, вы пропускаете размножение, некоторые стебли отмирают, но выделяете больше ресурсов на рост оставшихся".

Несмотря на небольшое количество образцов, тренд был настолько сильным, что оказался статистически значимым.

Cassiope как индикатор прошлых погодных событий

Одна из причин изучения Cassiope — характер её роста, который уже используется в климатических исследованиях, подобно годичным кольцам деревьев.

Каждый год каждый выживший побег Cassiope производит новый сегмент роста, длина которого легко измеряется и сравнивается с предыдущими годами. Исследователи долго предполагали, что если Cassiope сильно выросла за год, значит, условия были хорошими, и наоборот. Это предположение использовалось для реконструкции температурных записей в Арктике вплоть до 1840 года.

Теперь это предположение, возможно, придётся пересмотреть, считает Хансен.

"Мы должны осознавать, что некоторые выводы (о росте растений) могут быть искажены другими климатическими корреляциями", — говорит он. "Если было очень тёплое лето, а затем вы увидели усиленный рост побегов, можно легко заключить, что причиной было тёплое лето, тогда как на самом деле это могла быть тёплая зима и повреждение растений".

Три магистранта найдут ответы

Неожиданные результаты пилотного исследования 2014 года побудили Хансена и коллег начать более масштабное и сложное исследование прошлой зимой.

Теперь вместо шести рамок и шести контролей у исследователей 22 разные рамки с различными экспериментальными установками. Они также изучают растения, важные как корм для травоядных Шпицбергена (северных оленей, гусей, куропаток), вместо Cassiope, которую животные не едят.

Этим летом три магистранта будут измерять рост и цветение всех растений в разных рамках. Исследование также продлится несколько лет, поскольку последствия суровой зимы иногда проявляются с задержкой.

"Мы знаем, что могут быть отсроченные эффекты", — говорит Хансен. "Может быть, если вы произвели много цветов в один год, то в следующий их будет мало, или наоборот".