Теория «умных» растений может объяснить эволюцию глобальных экосистем

Новая теория, представленная исследователями из Принстонского университета в журнале Nature Plants, предполагает, что растения могут вести себя активно и стратегически, формируя продуктивность и состав своих экосистем.

Ключевая загадка

Теория призвана объяснить давнюю загадку: почему деревья-азотфиксаторы (в основном из семейства бобовых), способные с помощью бактерий ризобий производить собственное удобрение из атмосферного азота, процветают в богатых азотом тропических почвах, но плохо выживают в бедных азотом почвах бореальных или умеренных лесов.

Суть теории

Используя модель эволюционной теории игр, исследователи обнаружили разные стратегии:

  • В тропических лесах азотфиксаторы «умно» используют свою способность: они включают фиксацию азота для ускорения раннего роста после нарушения (пожара, урагана), но выключают её, когда уровень азота в почве становится высоким. Это позволяет им экономить энергию и успешно конкурировать за свет.
  • В умеренных и бореальных лесах уровень азота восстанавливается медленнее. Азотфиксаторы здесь вынуждены постоянно производить азот, что истощает их ресурсы. Избыточный азот удобряет почву для соседей-нефиксаторов, которые в итоге их подавляют.

Выводы и последствия

  • Растения ведут себя не пассивно, а стратегически. Их «решения» влияют на состав и функцию биомов.
  • Стратегия тропических азотфиксаторов делает их ключевыми игроками в поглощении углерода. Исследование 2013 года показало, что их присутствие ускоряет рост леса и поглощение CO2 в 9 раз быстрее по сравнению с лесами без них.
  • Теория позволяет рассматривать эволюцию на уровне функционирования целых экосистем и может способствовать созданию объединяющей теории для экологии.

Угрозы и будущее

Человеческая деятельность нарушает эти эволюционно сложившиеся стратегии:

  1. Подавление природных нарушений (например, пожаров) и фрагментация лесов могут ограничить распространение азотфиксаторов в умеренных и бореальных лесах, замедлив восстановление лесов.
  2. Глобальные изменения:
    • Избыточное поступление азота от сельского хозяйства и сжигания топлива может «выключить» фиксацию у тропических видов, но также сделать неконкурентоспособными фиксаторов в умеренных лесах.
    • Изменение климата (потепление) может увеличить разложение в почве и содержание азота в почвах умеренных зон, лишив местные азотфиксаторы их начального преимущества.

Это ставит под вопрос будущую роль лесов как важного поглотителя углерода в глобальном углеродном бюджете.